钻柱系统振动测试和分析

利用应变和压电测试系统以及随机信号和振动分析系统,在模型和试验钻机上,进行了钻柱系统的固有频率、响应、钻头的动态压力、功率谱和动态传递函数等测试分析。在横向振动支承条件,岩石的刚度以及动态碎岩机理等方面得到了一些有益的研究结果,并提出了岩石刚度动态测定法。以上研究为理论分析提供了依据。     

大位移井钻柱的动态分析

分析了大位移井旋转钻柱的受力变形特点及钻柱与井壁接触机理.根据动力学原理引入碰撞恢复系数并完善和简化了钻柱与井壁动态摩擦接触模型.采用有限元理论,将威尔逊θ法、牛顿拉裴逊法和放松约束试算法相结合,解决了大位移井钻柱动力学问题及钻柱动态接触边界待定问题.计算及分析结果表明,所建理论模型是合理的和简便的.在钻柱旋转过程中,碰撞或连续接触可能交替存在或并存,这与井眼条件和转速有关,对钻柱与井壁接触形式的任何假设都可能是误差产生的根源.动态响应均值的非线性效应与静态分析结果表明,一般井眼曲率大于5°/(30 m)时,线性动态分析的误差不容忽视,转速较高(大于70 r/min)时,须考虑动态因素的影响,在一般工况条件下影响不大.     

斜直井眼中钻柱侧向屈曲的研究

利用能量法，推导了斜直井眼中钻柱的侧向屈曲临界荷载，在力学模型中，考虑了钻柱自重和井斜的影响，给出了斜直井眼中钻柱侧向屈曲临界荷载的一般形式，对于给定截面尺寸的钻柱，临界荷载是钻柱长度的函数，且随井斜角的变化而变化。在确定实际钻柱的临界荷载时，要充分考虑井眼的具体情况。讨论了发生高阶屈曲的条件，所得结果可供工程计算参考。     

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．钻柱隔振理论可以为隔振器的设计和应用提供可靠的理论基础．     

钻柱振动的地面监测

详细介绍了新型钻柱振动测量装置———方钻杆扭矩仪和钻柱振动数据处理装置。对在现场采集到的钻柱振动数据进行了详细的分析，得出了一些有现实意义的结论，为今后有效监测钻柱振动、实时监测与诊断钻头和钻柱在井下的振动特征打下了良好的基础     

耦合振动对钻柱疲劳的影响

从钻柱在耦合振动时各截面的应力变化规律出发，运用金属非比例循环概念及特性，讨论了双轴非比例循环对钻柱疲劳的影响．结果表明，金属耦合振动引起双轴非比例循环的应力明显高于单轴振动及比例循环的应力；振幅是影响非比例循环损伤的重要因素之一。     

石油钻柱纵向振动的混沌问题讨论

本文在原苏联科学家M.M.Khasanow所建立的钻柱非线性振动数学模型的基础上,利用非线性科学领域的研究成果,进一步对其可能发生的混沌运动问题进行了讨论.文中用Melnikov方法求出了钻柱产生混沌运动的必要条件,为在钻井过程中适当选择参数以避免井下复杂情况的产生提供了又一理论参考依据.     

弯曲井眼中柔性钻柱的屈曲问题

利用能量法，研究了弯曲井眼中柔性钻柱的屈曲问题。在力学模型中，考虑了钻柱自重和井眼曲率的影响，给出了弯曲井眼中钻柱侧向屈曲临界荷载的一般形式。钻柱临界压力不仅与钻柱的长度、截面尺寸等有关，还与井眼的曲率有关，且随着曲率的增大，其临界压力随之增大。当弯曲井眼的曲率增大到一定的数值时，钻柱由稳定问题转变为强度问题，其临界压力应由钻柱的强度条件确定。     

基于钻柱扭转杆模型的扭矩负反馈减振系统优化设计方法

扭矩负反馈减振是控制和消除钻柱周向粘滑振动较为有效的方法之一。原有的扭矩负反馈减振系统优化设计是在将钻柱系统看作单自由度扭转摆的基础上进行的。针对大位移井中这种简化不合理的问题,通过将钻柱系统简化为连续质量扭转杆,建立了基于钻柱扭转杆模型的扭矩负反馈减振系统分析模型,推导出了其非零虚部极点方程。利用非零虚部极点方程的复数解与模态振动的频率及模态衰减指数间的对应关系,提出了以综合模态减幅系数最小化为目标的新的扭矩负反馈减振系统优化设计方法。数值模拟结果表明,对不适于简化为扭转摆的钻柱系统,采用基于钻柱扭转杆模型的新方法进行设计可以取得相对较好的减振效果。     

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.