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。     

水平井段管柱屈曲与摩阻分析

利用有限差分法和Newton迭代法 ,计算了斜直井段管柱螺旋屈曲临界力、沿螺旋段分布的管柱与井壁接触力以及后屈曲平均侧向接触力。分析了钻杆接头对水平井段钻柱屈曲临界力和弯曲应力的影响 ,提出了计算钻柱正弦屈曲临界力的新方法。结果表明 ,当轴向压力较小时 ,钻杆接头引起钻柱弯曲应力 ;当轴向压力较大时 ,接头会抑制螺旋屈曲的发生 ,降低钻柱的弯曲应力。另外 ,给出了水平井段钻柱出现反转的判别式。     

水平井段管柱屈曲与摩阻分析

利用有限差分法和Ｎｅｓｗｔｏｎ迭代法,计算了斜直井段管柱螺肇屈曲临界力、沿螺旋段分布的管柱与井壁接触力以及后屈曲平均侧向接触力。分析了钻杆接头对水平井段钻柱屈曲临界力和弯曲应力的影响,提出了计算钻柱正弦屈曲临界力的新方法。结果表明,当轴向压力较小时,钻杆接头引起钻柱弯曲应力;当轴向压力较大时,接头会抑制螺旋屈曲的发生,降低钻柱的弯曲应力,另外,给出了水平井段钻柱出现反转的判别式。     

水平井钻柱摩阻力和摩阻力矩的计算

针对水平井的特点，提出对钻柱摩阻分段计算的方法，即对底部钻具组合（ＢＨＡ）段，采用纵横弯曲梁理论计算摩阻；对ＢＨＡ以上井段，用微单元力平衡分析法具体分析钻柱的受力，给出不同工况下水平井摩阻力计算的简化条件。探讨了泥浆粘滞力的计算公式和钻柱刚性效应的影响。在安塞油田、大港油田多口井的应用表明，在局部弯曲井段，钻柱的刚性对摩阻力有明显的影响；泥浆的粘滞力对摩阻力有一定的影响，所建模型与现场试验结果符合较好，能够为现场施工设计提供重要数据。     

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。     

水平井侧钻过程中钻柱振动规律的研究

当前在水平井的侧钻过程中,钻柱处于复杂的运动状态,钻柱的强烈振动是引发钻柱失效的主要原因,钻柱的振动形式一般可以分为钻柱的轴向振动、侧向振动和扭转振动,还可能存在各种振动的耦合,通常近井底钻柱振动较为强烈.以洼38区块洼38-东H2水平井为例,分析了钻井工程中侧钻水平段情况下的钻柱的振动,建立了各种振动的模型,获得了各种振动的规律.该分析为水平井钻井工程避免钻柱共振提供了可靠的理论依据.     

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.     

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.     

被动轮式推进器设计

针对连续管水平井钻进过程中存在的屈曲锁死、钻压不足等问题,设计一种基于钻柱侧向弹性的增强动力轮式推进器,可获得较高的轴向推拉力。应用钻柱纵横弯曲理论和齿轮-钻屑的几何关系,分别建立包含轮式推进器的底部钻具组合力学模型和蜗轮蜗杆卡阻力学模型,利用模型分析轮式推进器的工作特性。结果表明仅靠钻柱自重产生的推拉力有限,利用偏心垫块与推进器串联组合所产生的钻柱侧向弹性可大幅提高轴向推拉力;偏心垫块-推进器组合的轴向推拉力随两者间距的减小而增大、随偏心距增大而增大,较自重式推进器提高10倍。最大被卡钻屑尺寸随齿轮模数和齿数的增大而增大;卡阻力与钻屑和齿轮材料的强度比正相关。     

塔河油田同心随钻扩眼钻柱动力学研究

老井侧钻是解决塔河油田含水率增加的主要技术,但井眼直径变小会对后续作业产生很大的影响,应用随钻扩眼技术可以解决此问题。但也存在钻柱动力学稳定性差、扩眼效果不理想和钻速低等问题。基于弹性力学理论及有限元分析方法,考虑弯曲井眼中钻柱受力、钻柱结构和领眼钻头与扩眼工具处钻压扭矩分配等因素的影响,由该区一口实例井扩眼参数建立了侧钻井同心随钻扩眼钻柱瞬态动力学模型。并研究BHA在小井眼中的运动状态,全钻柱关键位置动应力变化、井口轴向力、井口扭矩、钻柱轴向加速度和钻柱等效应力随加载时间的变化,模拟结果可为研究同心随钻扩眼钻柱的动力学性能和优化随钻扩眼施工参数提供了理论支持。     

考虑扭矩影响的弯曲井眼内钻柱屈曲特性分析

分析了弯曲井眼内钻柱屈曲特性,推导了考虑扭矩影响下的弯曲井眼内钻柱屈曲微分方程和屈曲临界载荷计算模型。针对ϕ215.9 mm井眼内的ϕ127.0 mm钻杆,建立了增斜和降斜井段钻柱的有限元模型,对比分析了考虑和不考虑扭矩影响时的钻柱屈曲特性。结果表明,钻柱正弦屈曲构型与扭矩无关,而只与钻柱所受轴向载荷有关,扭矩对螺旋屈曲构型影响较大。数值模拟得到的弯曲井段不同造斜率下的钻柱屈曲临界载荷与解析解的相对误差在15%以内,证明了数值模拟的可靠性。弯曲井眼内施加扭矩后,螺旋角位移增大,正弦和螺旋屈曲临界载荷降低。钻柱正弦屈曲形态变化较小,扭矩对螺旋屈曲变形的影响更大。增斜井段钻柱从顶部开始发生正弦和螺旋屈曲,钻柱底部保持平衡状态;在降斜井段,不考虑扭矩时,初始正弦和螺旋屈曲均首先出现在钻柱下部,考虑扭矩影响时,降斜段初始正弦屈曲出现在钻柱上部,初始螺旋屈曲同时出现在钻柱上部和下部。相对于增斜段,降斜段钻柱屈曲临界轴向载荷非常小,说明增斜井段发生屈曲的可能性相对较小,降斜井段则很容易发生屈曲。结果有望为水平井、大位移井弯曲井眼内钻柱设计、屈曲控制与强度校核提供参考。     

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。     

富县浅层水平井钻柱摩阻影响因素分析

目前,大位移水平井、丛式井、分支井等特殊结构井在各个油田已普遍应用,成为提高采收率最直接有效的方法,因此对特殊结构井的研究也不断深入,特别是钻柱摩阻问题已成为长水平段顺利延伸的主要研究问题之一。对于陕北富县区块,由于储层埋深浅,施工水平井存在诸多困难,因此从加重钻杆放置角度、钻具组合、钻柱屈曲等影响摩阻因素出发,结合FZF47P1井设计施工情况,对钻柱进行摩阻受力分析,获取浅层水平井钻柱摩阻规律。为今后鄂南浅层水平井施工提供参考,同时也为后期压裂、采油施工提供指导和依据。     

水平井钻柱摩阻力和摩阻力矩的计算

针对水平的特点，提出以钻柱摩阻分段计算的方法，即对底部钻具组合段，采用纵横弯曲梁理论计算摩阻，对ＢＨＡ以上井段，用微单元力平衡分析法具体分析钻柱的受力，给出不同工况下水平井摩阻力计算的简化条件，探讨了泥浆粘滞力的计算公式和钻柱刚性效应的影响。     

弹性钻柱两个特殊点的意义及计算方法

通过分析钻柱的应力和应变状态,对钻柱的中性点和零轴向力点给出了新的定义和计算方法,并阐述了稳定力和屈曲力(通称为虚轴向力)的概念。导出了处在垂直井眼中的复合钻柱的有关计算公式。文中还与原有的研究结论进行了对比分析,并提出了不同意见。本文以钻柱为研究对象,所得的结果可以推广应用到套管柱及油管柱上。     

斜直井中扭矩和轴力共同作用下钻柱的屈曲问题

利用能量方法研究了轴向载荷和扭矩共同作用下钻柱的屈曲问题 ,着重研究了扭矩对钻柱屈曲的影响 ,理论分析和实验验证均发现 ,轴向载荷、井斜角和扭矩是影响钻柱屈曲的重要因素。当其他条件相同时 ,钻柱的屈曲载荷随井斜角的增加而增加 ,呈非线性 ;扭矩使钻柱的屈曲载荷明显降低 ,并且随井斜角的增大 ,降低的幅度减小 ;扭矩值越大 ,钻柱的刚度越小 ,钻柱屈曲载荷的降低程度就越显著。     

井眼中钻柱稳定性分析的有限元法

通过引入单元荷载刚度矩阵,提出了一种用于分析钻柱结构稳定性问题有限单元法。该方法可以用于分析变截面钻柱在变轴力和变横向力共同作用下的钻柱稳定性问题,也可用于分析弯曲井眼中钻柱的稳定性问题。在所建立的力学模型中,考虑了钻柱自重和井眼曲率的影响。分析结果表明,在斜直井眼中,除了钻柱自身密度及截面面积外,影响钻柱荷载的因素还有井眼状况及钻柱两端部的约束条件,但当钻柱长度超过８０ｍ时可以不考虑端部约束的影     

被动轮式推进器设计

针对连续管水平井钻进过程中存在的屈曲锁死、钻压不足等问题,设计一种基于钻柱侧向弹性的增强动力轮式推进器,可获得较高的轴向推拉力.应用钻柱纵横弯曲理论和齿轮-钻屑的几何关系,分别建立包含轮式推进器的底部钻具组合力学模型和蜗轮蜗杆卡阻力学模型,利用模型分析轮式推进器的工作特性.结果表明:仅靠钻柱自重产生的推拉力有限,利用偏...     

斜直井中扭矩和轴力共同作用下钻柱的屈曲问题

利用能量方法研究了轴向载荷和扭矩共同作用下钻柱的屈曲问题,着重研究了扭矩对柱柱屈曲的影响,理论分析和实验验证均发现,轴向载荷、井斜角和扭矩是影响钻柱屈曲的重要因素。当其他条件相同时,钻柱的屈曲载荷随井斜角的增加而增加,呈非线性,扭矩使钻柱的屈曲载荷明显降低,并且随井斜角的增大,降低的幅度减小;扭矩值越大,钻柱的刚度越大,钻柱屈曲载荷的降低程度就越显著。