钻柱力学若干基本问题的研究

依据动力学普遍原理，采用微元矢量分析方法，建立了钻柱的一般平衡方程，其中包含了钻柱的涡动效应．在此基础上，导出了不可伸长弹性钻柱变形的一般动态控制方程，并且对钻柱下部组合（简称ＢＨＡ）的静力分析方法及钻往摩阻分析方法进行了讨论．此外，还就钻柱运动学及其弹住稳定性问题进行了初步探讨，给出以钻柱为研究对象的基本方程．这些基本方程也适用于其它相同性质问题的管柱．     

钻柱动态数学模型的建立及求解

钻井用钻柱在使用过程中受力比较复杂，钻柱不仅存在纵向振动、横向振动，还存在扭转振动，并且3个振动相互耦合，用一般受力分析方法很难确定，采用能量法求出单元的动能和势能，利用拉格朗日方程建立起钻柱系统动力学有限元模型，求出了系统质量矩阵、刚度矩阵、阻尼矩阵及系统载荷矩阵，利用微分方程的数值计算方法对钻柱过程进行计算机仿真。通过研究得出了一套研究钻柱系统动力学模型及求解方法，。对新形钻柱的设计和钻井力学的研究具有指导意义。     

下部钻具组合分析的有限差分方法

讨论了下部钻具组合分析的基本假设、基本方程和相应的边界条件.建立了求解下部钻具组合控制方程的有限差分方程,编制了相应的计算机程序.给出了钻柱和井壁的接触问题、稳定器问题和上切点问题的处理方法.通过计算结果,分析了降斜、增斜和稳斜三种典型钻具组合的钻头侧向力与钻压、井斜角、井斜曲率和方位曲率的关系,以及典型的钻柱弹性线示例.     

有限元法在钻柱力学中的应用

下部钻具组合的受力分析是水平井井眼轨迹控制技术的基础。有限元法是下部钻具组合受力分析高效的数值计算方法。本文全面系统地论述了有限元法在钻柱力学中的应用，建立了井下钻柱的有限元基本方程，研究了下部钻具组合的三维静力分析，非线性大变形分析，三维稳态动力分析，三维动力分析，全井钻柱摩阻力分析，钻柱与地层整体三维静力分析，并将有限元法计算的井眼轨迹与实测结果进行对比，两者取得良好的吻合。     

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．     

钻柱静态变形的有限元分析

描述石油钻柱静态变形的有限元方法．在对钻柱运动进行基本假设的基础上,描述对钻柱进行有限元分析的基本过程,包括考虑几何非线性的势能函数、单元刚度矩阵和外载荷的计算公式、坐标变换等．在有限元方程的求解方面,讨论接触非线性和钻柱大变形问题的迭代处理方法．最后．应用有限元程序的计算结果,分析钻柱在钻头处的侧向力和各种钻井参数的关系。     

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。     

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.     

大位移井钻柱扭转振动顶部扭矩负反馈减振研究

在大位移井条件下，钻柱扭转振动相对较大，严重时甚至会出现周向粘滑振动，对大位移井钻柱扭转振动模型进行了适当简化，给出了钻柱扭转振动顶部扭矩负反馈减振问题的解析结果，证明了扭矩负反馈减振理论的正确性，提出出通过拉普拉斯变换解非零极点方程判断钻柱扭转振动衰减快慢的新方法，初步探讨了实现顶部扭矩负反馈减振须考虑的某些实际问题，其结果对今后相关问题的进一步研究有一定的参考价值。     

考虑摩擦时水平井钻柱的稳定性分析

分析摩擦对水平井钻柱稳定性的影响对于水平钻井作业的顺利进行是非常重要的．本文首先根据钻柱在水平井眼中的变形几何方程和静力平衡方程导出了钻柱的屈曲方程．通过线性化方程的小参数摄动解，讨论了不同边界条件下钻柱在水平并眼中的临界失稳载荷．绘制了不同摩擦系数（ｖ）下，无因次临界载荷（βｏｍ）与无因次长度（αＬ）之间的关系曲线；以及无因次钻压βＬ与临界无因次长度αＬＣ之间的关系曲线．本文的结果和有关的曲线可为水平井钻柱的稳定性计算和设计提供理论基础．     

钻柱结构的动态分析及动态因素的影响

对工作钻柱结构动态的限定性位移问题进行了分析,建立了钻柱与井壁动态摩擦接触模式,该模式考虑了钻柱与井壁完全撞击和连续接触的情况。根据有限元分析法建立了钻柱结构的动力学方程。采用并改进了Wilson-θ法,利用静态模式求解动态响应,使问题得到简化,且便于编写静态和动态钻柱分析的通用程序。通过程序计算说明了动态因素对钻头钻进时的影响和钻柱结构静力分析的局限性。     

等曲率井眼中钻柱与井壁问接触力分析

建立了等曲率井眼中考虑轴向力和重力的钻柱平衡方程式，采用理论和非线性有限元的方法分析了等曲率井眼中钻柱与井壁之间的接触力。采用牛顿一拉普森方法对非线性有限元方程进行了迭代求解。要保证理论分析的精度，同样需要考虑边界条件。计算结果表明，由于外力的作用，钻柱紧贴于井壁的一侧时，钻柱的刚度对钻柱与井壁间的接触力无影响，此时，井眼曲率越大，钻柱与井壁之间的接触力越大。当外力不足以使钻柱紧贴于井壁的一侧时，钻柱的刚度对钻柱与井壁之间的接触力有影响。与理论分析相比，非线性有限元方法应用范围更广，解的精度更高。     

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     

钻柱与井壁振动碰撞特性的有限元分析

在考虑钻柱外钻井液的影响下，建立了钻柱与井壁碰撞的横向振动方程，并提出了分析振动碰撞特性的有限元计算模型，对碰撞力采用非线性弹簧和非线性阻尼器来描述．计算结果表明：钻柱与井壁之间的间隙，对钻柱的频响特性和碰撞力的大小有影响．本文的研究结果为实钻时避免钻柱的偏磨和钻柱寿命的预测提供了依据．     

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。     

钻井用钻头和钻柱扭转振动的仿真分析

介绍了钻井过程中钻头和钻柱扭转振动模型的建立方法和对其进行仿真分析的过程。在建模型时主要考虑了钻井过程中由于钻头与岩石相互作用及钻柱的弹性变形而引起的钻头和钻柱扭转振动,并采用数值计算方法求解钻柱扭转振模型,     

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。     

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。     

水平井钻柱的优化设计问题

分析了水平井钻柱受力的复杂性和水平井钻柱优化设计的重要性，根据钻井工艺和钻柱安全对钻柱设计的要求，提出了水平井钻柱设计必须满足的四个约束条件，即；钻头加压，足够的钻柱强度，钻杆不发生屈曲及中性点不落在钻杆上。