考虑连续特性的水平井钻柱轴向振动分析

为精确的描述水平井钻柱轴向受迫振动规律,本文以连续性波动理论为基础,考虑了钻柱连续特性、库伦阻尼及钻井液粘性阻尼作用和轴向振动工具对钻柱的位移激励,并采用等效粘性阻尼法对库仑阻尼进行线性化处理,建立了轴向振动工具作用下的水平井钻柱运动的动态解析模型;通过Burnett等人发表的轴向振动工具测试实验验证了本文所建模型,并利用数值模拟分析了轴向振动工具的频率及钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响。结果表明：在一定范围内增加轴向振动工具的振荡频率可提高水平井钻柱的轴向受迫振动响应;钻柱与井壁间摩擦系数对水平井钻柱轴向受迫振动的影响随着钻柱长度的增加而降低。本文的研究方法和模型可为改善轴向振动工具在水平井作业中的作用提供理论指导。     

三维曲井内钻柱非线性屈曲分析平衡方程

随着钻井技术的不断进步, 油气井已由早期的铅直井发展成了当今的斜直井, 水平井, 平面曲井, 甚至三维空间曲线形状曲井. 井内钻柱屈曲性能的研究对钻井工程的成败尤为重要, 迫切需要建立分析三维曲井内钻柱屈曲性能的平衡方程. 本文基于Love的空间弯扭杆平衡方程, 考虑到井壁的径向约束条件, 导出了一套用于三维曲井内钻柱非线性屈曲分析的平衡方程. 公式引入了三维曲井的井眼轴线曲率和挠率所带来的影响. 对于径向受井壁约束的钻柱, 上端同时作用有轴向压力和扭矩, 并计及自重, 给出了非线性屈曲分析平衡方程的详细推导过程. 值得注意的是, 现有文献中用于分析直井和平面曲井内钻柱屈曲性能的平衡方程, 可由三维空间曲井内钻柱非线性屈曲分析平衡方程退化得到. 期望本文导出的平衡方程能为工程上三维曲井内钻柱的非线性屈曲分析提供理论基础.     

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。     

耦合钻井液钻柱声波传播特性研究

钻井过程中非常规钻井液的应用,使得随钻数据无法通过传统的钻井液脉冲方式传输,迫切需要更高数据传输速率和受工作环境影响更小的井下随钻无线传输技术。基于钻柱信道的井下信息声波传输技术是较为理想的随钻数据无线传输方式,为给声波传输系统的设计提供理论依据,针对钻柱信道中的声波传播特性进行了研究。研究结果表明:钻柱信道具有通带和阻带相间的梳状滤波器特征,频带分布具有一定的周期性和对称性特征。钻柱结构决定了其信道通阻带的分布情况,随着钻杆根数的增加通带内小谱峰的个数增加,信道传输能力下降,结构尺寸不一致会使通带变窄,声波传输性能下降。     

钻柱中换能器声波信号传输特性实验研究

利用声波通过钻柱传输井下信息,具有得天独厚的信道条件,但是声波在钻柱中的传播特性还没有得到充分的研究,尤其是贴近工程应用的实验研究。依托低频宽带换能器建立了测试声波在钻柱信道中传输的实验装置,基于该装置对换能器声波信号的传输特性进行了实验研究及分析。结果表明:随着换能器激励电压的增大接收信号幅值呈现增大趋势,当电压大于130 V时接收信号幅值趋近饱和。理论和实验分析得到的频域特性均表现出明显的梳状滤波特性;但具体通阻带分布和结构形式存在差异,实际钻柱信道的频域特性更为复杂。由于换能器非线性特性和钻柱信道频带特性共同作用,对于实验用低频宽带换能器,选取3 100 Hz以内频率,并结合正交频分复用编码技术可极大增强声波传输的速率和适用性。     

钻柱纵向振动的有限元分析

根据动力学理论建立钻柱动力学振动方程.把钻柱看作一个弹性直杆,建立几何模型;通过ANSYS软件分析,得出钻柱纵向振动的特性以及减振器的安放位置对钻柱纵向振动的影响.结果表明,减振器安装适当的位置,可以减少钻柱的纵向振动,从而减少和防止钻柱发生断、刺事故.     

滚动钻柱摩阻研究

现有计算钻柱摩阻力矩的模型是在假设钻柱自转的条件下建立的，不适宜计算钻柱出现反转时的阻力矩。通过引入滚动摩阻系数，建立了反转条件下摩阻力矩的计算方法，得出了计算公式，并给出了水平井段钻柱出现反转的判别式。该研究成果有利于直井防斜和提高水平井钻井技术。     

循环条件下钻柱轴向力的计算和强度校核

对循环条件下钻柱的受力进行了分析，详细推导了由钻柱重力，钻井液静压力和流动压力引起的钻柱轴向和计算公式。研究结果表明，有效轴向力和流动压力梯度相关，而与流动压力的大小无关。给出了液流对管壁摩擦力的计算公式，并提出了循环条件下钻柱强度校核的方法。     

钻柱隔振理论及钻井效率分析

应用有限元法建立了钻柱隔振的力学模型，对钻柱进行了纵向振动的动力响应分析和固有频率计算，比较了常规钻柱和隔振钻柱钻头处的位移，井口处的位移以及钻压的变化，钻柱隔振后，其固有频率远高于常规钻井时的激振频率，因此，隔振后的钻柱可以避免发生共振现象，提高钻井效率。     

电遥测钻柱信号传输的建模分析与信道特性改善

电遥测钻柱信息遥测系统由多节布线钻杆级联形成,用于井下随钻测量数据的高速率上传。由于信道传输的高频电压信号衰减严重,目前每隔约300米需要中继器进行信号续传,因此如何延长中继距离成为系统性能改善的关键。布线钻杆由布有同轴电缆的杆体及电磁耦合器构成,高频下布线杆体的同轴电缆可看做传输线,电磁耦合器可等效为高频变压器,将二者结合建立了布线钻杆的等效电路模型及电遥测钻柱信道的电压传输函数数学模型;通过外置补偿元件使传输线达到阻抗匹配以确立布线钻杆的电磁参数;通过改变补偿元件参数在传输线终端产生反射电压来加强传输线上的信号幅度,使信道的信号传输能力得到有效改善。研究表明,适当增大补偿元件电阻值可以大幅度提高信道的电压传输函数值,在目前信道带宽及信号检测灵敏度条件下中继距离可提高1倍,达到大幅度延长中继距离的目的。本文的研究可以为布线钻杆的电磁设计及电遥测钻柱信息传输系统的性能改进提供理论指导。