空气钻井斜直井眼中钻柱的动力学特性及失效机理

钻柱涡动是钻柱失效的主要原因之一。应用有限元方法，仿真了空气钻井时斜直井眼中带牙轮钻头钻柱的动力学特性，比较了空气钻井和钻井液钻井条件下钻柱的涡动、变形以及动态应力状况，探讨了空气钻井钻柱失效的动力学机理。结果表明，钻柱在不同时刻的动态应力与静力学条件下计算的结果有宏观上的一致性，空气钻井时钻柱的应力波动较钻井液钻井的要大，钻柱涡动更加频繁。     

内外钻井液作用下的旋转钻柱涡动分析

在理论上研究了内、外钻井液流体作用下的钻柱涡动问题．分析了钻柱内钻井液随钻柱旋转时的流体动压力和钻柱弯曲变形等所产生的扰动压力之和对钻柱运动的影响，推出了在这种情况下保持钻柱规则涡动的动力学条件；进一步分析了钻柱外环空钻井液流体对旋转钻柱所产生的反作用自激现象，通过对其数学模型的建立和求解，得到了钻柱涡动失稳的临界条件．较详细地探讨和论述了内、外钻井液作用下钻柱涡动过程的力学机理和运行规律     

钻柱振动条件下的钻井液冲蚀引起的钻柱失效*

钻柱失效问题已经成为高压喷射钻井技术发展和推广的瓶颈。建立了一种钻柱失效的新理论模型,利用振动的知识研究钻柱的失效情况,分析钻柱在振动条件下的位移和速度,在此基础上利用冲蚀理论对钻柱的失效进行研究,分析得出钻井液对钻柱的冲蚀磨损量和最大冲蚀角。根据算例计算与分析,对应算例参数进行室内实验和井场实验设计,完成实验的验证与结果分析。结果表明:在考虑钻柱振动条件下,钻井液对钻柱的冲蚀磨损量要远大于未考虑钻柱振动条件下钻井液对钻柱的冲蚀磨损量;同时得知最大冲蚀角与冲蚀理论中的规定是完全吻合的以及钻井液对钻柱冲蚀所发生的最大角度在钻柱有无振动的条件下是相同的。研究结论对于在石油钻井中如何减少钻柱的失效及如何提高钻柱的使用寿命具有一定的理论参考意义。     

钻柱涡动及其应用

从动力学角度建立了钻柱涡动方程，然后对钻柱涡动的特性进行了简单分析．结果表明，钻柱在斜井中涡动时，重力沿井眼的侧向分量引起钻柱内部较大的轴向力变化，从而产生防斜及降斜作用．利用涡动防斜的实例证实了这一点．     

钻柱涡动及其应用

从动力学角度建立了钻柱涡动方程，然后对钻柱涡动的特性进行了简单分析。结果表明，钻柱在斜井中涡动时，重力沿井眼的侧向分量引起钻柱内部较大的轴向力变化，从而产生防斜及降斜作用。利用涡动防斜的实例证实了这一点。     

气体钻井中钻柱力学性能及冲蚀实验研究

由于在破岩过程中受到冲击,气体钻井中的钻柱产生了交变应力,而钻柱旋转加剧了交变应力的变化,同时气体携带岩屑对钻柱产生冲蚀,加速了钻柱的失效。钻柱主要失效形式为疲劳断裂,这跟钻柱所受应力大小及变化密不可分,因此,开展气体钻井过程中钻柱力学性能和冲蚀研究,掌握钻柱应力变化规律及岩屑对钻柱的冲蚀规律,是减小和防止钻柱失效的基础工作,对增加气体钻井过程中的安全性和降低钻井成本有十分重要的意义。通过使用一种已开发出的可同时模拟气体钻井钻具振动和冲蚀的装置,进行了不同钻具组合情况下,气体钻井钻柱同时受振动和冲蚀实验。实验结果表明,气体钻井过程中,配置扶正器将使钻柱所受交变应力值变化范围降低40% 以上,扶正器和减振器的配合使用将使交变应力值变化范围下降50%,因此,扶正器和减振器的配合使用,将大幅降低钻柱所受交变应力,并延长交变应力作用周期,从而降低钻柱失效的概率。     

钻柱纵向振动模型的建立及求解方法

在牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,将钻头在井底作纵向往复运动的位移作为钻柱纵向振动的下端边界条件,在适当简化的条件下,利用弹性杆理论和单元法建立了钻柱在钻井过程中由于钻头与岩石互作用及钻柱的弹性变形而导致钻柱产生纵向振动的动力学模型在给定初始条件和边界条件的情况下,采用数值计算方法求解了钻柱纵振模型。为进一步弄清钻头、钻柱在钻井过程中的实际运动规律和动力学性能,改进钻头、钻柱的设计方法,预防钻头、钻柱早期失效奠定了基础。     

底部钻具规则涡动轨迹的内摆线描述方法

为了认识和控制钻井过程中的钻柱涡动,基于几何学原理提出内摆线描述方法.该方法将涡动视为规则运动,从分析钻柱外缘固定点的运动特性入手,求解底部钻具(BHA)与井壁的摩擦接触的运动轨迹方程,确定轨迹上各点的速度,分析钻柱自转和公转速度对底部钻具运动轨迹的影响.结果表明:底部钻具的涡动可能造成钻柱以远高于其自转速度的角速度沿...     

下部钻柱涡动机理及规律的实验研究

应用下部钻柱运动状态模拟实验装置,验证分析了下部钻柱涡动机理及规律.研究表明:(1)下部钻柱正向涡动源于钻柱重量、质量偏心等因素,反向涡动源于钻柱与井壁之间的碰摩作用.(2)下部钻柱与井壁之间是否发生碰摩,通常以下部钻柱的1阶临界转速为界.(3)下部钻柱反向涡动频率与自转频率之比等于钻柱半径与井眼间隙之比.     

超深水平井钻柱动力学研究及强度校核

超深井钻井过程中钻具失效事故频繁发生,钻柱动力学特性研究对增加钻具安全性具有重要作用。考虑真实井眼轨迹、钻头与地层相互作用、钻柱与井壁接触及钻井液黏滞作用等因素的影响,建立了全井钻柱动力学特性仿真模型,模拟了不同钻压及转速下钻柱不同截面轴向力、扭矩、位移及等效应力等随时间的变化,采用第四强度理论计算了井口钻具的安全系数,校核了超深水平井钻具强度。分析结果表明,井口轴向力和等效应力表现为低频变化,MWD处等效应力和加速度表现为高频振动且其横向振动比轴向振动更加剧烈;在钻压和转速较小的情况下,钻压和转速对井口轴向载荷、井口扭矩、井口等效应力及井口安全系数影响不大;MWD处等效应力随钻压的增加而增大,其横向加速度随转速的增加幅值显著增大;对于井深超过8 000 m、井眼尺寸φ120.65 mm及φ114.3 mm的G105钻杆,动力学分析得到的井口安全系数大部分时间内在1.2附近波动,钻具总体是安全的。