钻柱与实钻水平井眼接触形态及摩阻影响分析

水平井钻进过程中,地层结构、钻具振动、钻头侧向力、岩屑沉积等因素易导致实钻井眼轨迹发生连续小幅偏斜。该种偏斜虽不会引起实钻井眼轨迹的严重偏离,但将改变钻柱与井壁的接触形态。受现有测井方法的限制,该种偏斜常被忽略。通过理论分析与仿真,研究水平段井眼轨迹在井斜平面内连续小幅偏斜波动条件下的钻柱与井壁接触形态及其对摩阻的影响。研究认为,钻柱与偏斜波动水平井眼间易发生"悬跨"接触,该现象降低了现有解析法求解钻柱力学相关问题假设条件"钻柱与井壁连续接触"的合理性。钻柱自重和轴向力对悬跨钻柱弯曲位移及悬跨接触最大临界跨距的影响最大。悬跨接触将减小钻柱与井壁的接触面积、增大钻进摩阻。     

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°/( 30m)时 ,线性动态分析的误差不容忽视 ,转速较高 (大于 70r/min)时 ,须考虑动态因素的影响 ,在一般工况条件下影响不大     

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.     

基于机械系统动力学自动分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析水平井钻柱一井壁接触仿真分析

钻柱在高曲率、长水平段的水平井中与井壁接触状态十分复杂,接触状态又直接影响钻进过程中钻柱的摩阻扭矩,进而影响井的延伸极限。因而,较准确、全面描述全井钻柱系统与井壁的接触状态是保证钻柱摩阻扭矩分析结果可靠的前提。基于ADAMS软件,结合力平衡理论、Hertz接触理论和相似原理,建立了与真实测试试验装置具有一致钻井参数的水平井全井钻柱-井壁动态非线性接触模型,分析了全井钻柱接触力分布情况,研究了起钻速度、下钻速度、钻压和转速对接触的影响规律。结果表明：接触力峰值出现在弯曲段;起、下钻速度均对弯曲段钻柱接触状态影响明显,速度相同时起钻比下钻时接触力大;增加钻压可减小全井钻柱的平均接触力;钻柱旋转会在水平段中前部出现小幅密集接触。仿真结果为钻柱摩阻扭矩测试试验装置提供了合适的钻柱与井壁的接触力测量位置,便于利用该装置开展钻柱摩阻扭矩等相关研究。     

等曲率井眼中钻柱与井壁间接触力分析

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-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。     

等曲率井眼中钻柱与井壁间接触力分析

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-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.     

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。     

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.     

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。     

定向井轴向振动有限元分析

在定向井钻井施工中钻柱受力是很复杂的.仅钻柱振动就存在轴向振动、横向振动和扭转振动,其中钻柱轴向振动是导致钻柱失效的主要因素之一,因此需要进一步对定向井轴向振动进行研究.利用有限元方法分析了钻柱轴向振动规律.首先根据定向井特点建立全井钻柱模型,然后以钻柱单元为研究对象,建立了全井钻柱轴向振动的力学模型,采用线性代数方法,通过计算机分析获得了钻柱轴向振动的共振频率分布规律.钻柱轴向共振,其共振频率取决于钻柱的材料性能及形态特性,与钻柱的长度关系不大.在达到轴向共振状态时,钻柱与井壁激烈地碰撞,使钻柱短时间内产生严重破坏,同时还会造成井塌事件,给钻井施工带来经济损失.该问题的研究对指导钻井施工,减少跳钻、避免钻柱失效等情况有很大意义.     

钻进深度对煤矿水平井钻柱振动特性的影响

煤矿水平井钻柱在钻进过程中，随着钻进深度增加，钻柱在重力作用下与井壁产生复杂的碰撞接触，由此产生的托压效应更加显著，使得钻柱动力学特性随钻进深度增加而发生明显改变，进而影响钻柱的疲劳寿命。基于岩石-钻头-钻柱-井壁耦合动力学分析模型，通过有限元动态仿真，研究了钻进至不同深度下钻柱的纵向、横向和扭转振动特性，分析了钻进过程对钻柱振动特性的影响规律。结果表明：随着钻进深度增加，钻柱纵向跳钻现象呈现“平缓—剧烈—平缓”的趋势，横向扰动呈现“小范围蠕动—大范围扰动—小范围蠕动”的特点，扭转方向剧烈涡动占比呈现先增加后减小的规律，钻柱主要动力学指标与钻进深度呈非线性关系。因此在对钻柱系统进行动态分析及优化时，不能只分析特定深度，应包含整个钻进过程。     

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。     

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．     

微流量控制钻井中两相许用钻杆下行速度研究

针对微流量控制钻井中气液两相许用钻杆下行速度问题,考虑气体滑脱、相与环空壁面阻力、回压及井底压 差,开展了对不同井深的气液两相许用钻杆下行速度半经验模型的研究,获得了气液两相许用钻杆下行速度的变化规 律。当钻杆在气液两相中下行运动时,回压的增大使井筒空隙率减小、气液两相密度增大,加载在井底的有效压力增 大,从而使许用钻杆下行速度减小;当井底气侵量增大,此时井底压力小于地层压力,许用钻杆下行速度增大,可借助 增大的激动压力消除一部分井底与地层欠压差;当井底安全压差减小,许用钻杆下行速度呈减小趋势。控压钻井中精 确计算钻杆许用下行速度,可增大钻井时效。     

庆深气田水平钻井水基泥浆中套管磨损机理实验研究

水平井钻井过程中,钻杆与技术套管的接触力较大,套管磨损比较严重,套管强度降低较多,给后续试油及完井投产作业留下隐患。为了深入了解水平井水基泥浆中钻杆-套管的磨损机理,为准确评价庆深气田套管磨损程度及剩余强度提供依据,在西安石油大学创新研制的环块式钻杆-套管磨损实验机上,模拟实际钻进参数,进行了该气田常用的水基泥浆中钻杆-套管磨损实验,考察了接触压力、转盘转速、磨损时间等因素对套管磨损效率的影响。利用试件磨损表面扫描电镜(SEM)图片进行了形貌分析,确定了水基泥浆中套管的磨损机理。实验结果表明:水基泥浆中,套管的磨损类型兼有粘着磨损、疲劳磨损和犁沟磨损等。黏着磨损是最主要的类型,采用基于黏着磨损机理的White磨损效率模型预测井下套管的磨损是可信的。水基泥浆中P110套管的磨损效率在(2~8)×10-131/Pa之间,稍大于钻井手册中的套管磨损效率(2×10-131/Pa);磨损效率随接触压力和转速的增加而增加,前期增长速率小,后期增长速率大;磨损效率随磨损时间的增加先增加,后逐渐减少,最后趋于稳定。