钻柱系统黏滑振动的自激振动特性研究

针对当前钻柱系统黏滑振动产生的影响不断增大的问题,研究黏滑振动的自激振动特性。通过建立钻柱系统的黏滑振动力学模型,推导了钻头于黏滞阶段与滑脱阶段的状态方程,并得到其滑脱阶段的振动响应。在得到系统黏滑振动特性的基础上,研究钻头在不同初始条件时相对转盘运动的相轨迹。结果表明,当钻头初相点存在扰动时,其运动均将趋向于稳定的黏滑振动,表现为钻头运动的相轨迹收敛于稳定的极限环。对黏滑振动产生的原因进行分析,结果表明,产生黏滑振动的钻柱系统在黏滞状态与滑脱状态转变时均存在摩擦扭矩的降落,相当于在钻头转动方向作用一个外载,即钻头临界状态转变时存在的负阻尼效应将钻柱的振动调节为自激振动。     

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。     

随机载荷作用下钻柱振动响应的研究

应用随机振动理论着重研究了钻柱系统在随机荷载作用下的振动响应，并研究了钻柱系统的振动特征及振动传递规律，为以后有效诊断钻头在井下的工作情况，分析钻头和钻柱的可靠性奠定了理论基础     

钻柱纵向振动模型的建立及求解方法

在牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,将钻头在井底作纵向往复运动的位移作为钻柱纵向振动的下端边界条件,在适当简化的条件下,利用弹性杆理论和单元法建立了钻柱在钻井过程中由于钻头与岩石互作用及钻柱的弹性变形而导致钻柱产生纵向振动的动力学模型在给定初始条件和边界条件的情况下,采用数值计算方法求解了钻柱纵振模型。为进一步弄清钻头、钻柱在钻井过程中的实际运动规律和动力学性能,改进钻头、钻柱的设计方法,预防钻头、钻柱早期失效奠定了基础。     

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,     

钻柱振动诊断方法的研究

详细研究了诊断钻柱振动特征的各种方法，分析了处理钻柱振动信号的有效措施，并对不同类型钻柱振动的识别方法进行了全面分析，为今后实时识别钻头和钻柱的振动特征奠定了基础     

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.     

钻柱表面裂纹在拉扭作用下的弹塑性断裂性能

在钻井作业过程中,井口附近钻杆受到的拉力和扭矩往往达到整个钻柱的最大值,尤其是在上提钻柱解卡、
震击解卡以及蹩钻、卡钻情况发生时,井口附近钻杆受力更为恶劣。针对井口附近钻杆的断裂问题,以某超深直井的
实际工况载荷为例,将钻杆外表面的缺陷简化为横向半椭圆裂纹,以30CrMo 作为钻杆材料并通过实验拟合得到其
Ramberg–Osgood（R–O）本构模型,研究了拉力和扭矩组合作用下裂纹的弹塑性断裂特性。得到钻进工况下钻柱外表
面裂纹扩展至不同深度的临界形状比以及塑性成分在J 积分中所占的比例;定量分析了拉力波动和扭矩波动对井口
附近钻杆弹塑性断裂性能的影响,发现扭矩波动对裂纹扩展的贡献远大于拉力波动,避免钻柱受到扭转冲击对延长钻
柱寿命有重要意义。     

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.     

钻柱轴向振动固有频率的计算和测量

钻柱振动的固有频率是钻柱在给定钻具组合（ＢＨＡ）条件下钻柱振动的固有特性,在钻进过程中钻头与地层相互作用对钻柱产生激励振动,如果某一激励频率与钻柱自身的固有频率相近时,钻柱将产生共振现象．共振对钻柱是有害的,它可以引起钻柱局部的应力集中,导致钻柱断裂,发生井筒事故．共振与钻井参数有直接关系,如钻压、转盘转数、泥浆性能等,因此,通过调整钻井参数可以避免钻柱的共振现象,达到优化钻井的目的．给出了钻柱轴向振动的固有频率和振动传输公式．现场测量及计算表明,不是所有的固有频率点都会引起钻柱的强烈振动,它取决于振动传输比,现场试验数据验证了计算公式．通过固有频率的计算,分析了减震器对固有频率的影响以及固有频率随井深增加的变化趋势．     

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。提出了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。     

直井内旋转钻柱动力学有限元分析及实验研究

为了研究钻柱在井下的运动状态,采用结构动力学中的Newmark积分法,建立了直井内旋转钻柱动力学三维有限元分析模型。研究了在直井内钻柱不同转速的动力学特性。为了验证数值模拟的正确性,建立了直井内旋转钻柱实验装置,进行了不同转速下的钻柱实验研究。结果表明:随着钻柱转速的增加,横向位移逐渐增大;在不同转速情况下,数值计算结果和实验结果吻合较好,同时也验证了数值模拟的正确性。     

捷联式旋转导向井斜方位动态解算方法

针对捷联式垂直钻井现场试验,对测量系统井下存储数据进行回放分析,提出捷联式旋转导向井斜方位动态解算方法,即在钻柱不旋转的情况下同时采用三轴实时滤波信号计算井斜方位并存储滤波后的x、y轴信号,在钻柱旋转的情况下采用滤波后的实时z轴信号,不旋转情况下采用存储的x、y轴信号进行计算。将井下钻具的黏滑状态也看作是一种不旋转的"静止"状态,提出利用井下测量数据实时判断钻柱旋转状态的方法,给出井斜方位角解算公式以及动态解算方法流程,并在Matlab软件中编制程序进行仿真验证。结果表明:钻柱旋转过程中的振动是引起井斜方位测量误差的主要原因;所提出的动态测量算法能够有效提高测量精度,减少钻柱振动对井斜方位解算结果的影响。     

液压震击动力学分析及震击力计算

震击器被广泛用于解决钻井过程中的卡钻事故。准确计算震击器的震击载荷对作业中施工参数的选取、震击器安放位置及钻具组合设计具有重要的意义。传统液压震击器动载荷计算方法中,未考虑阻尼力对震击过程的影响。实际震击作业过程中,由于井筒不规则性及钻柱在井筒中偏心对钻柱造成的摩擦阻力、钻井液对钻柱运动产生的黏滞阻力,使钻柱上提加速过程呈有阻尼振动特性。针对这一问题,建立了钻柱阻尼振动力学模型,进行震击加速过程的整体动力学分析,推导出纵向加速过程的位移及速度方程,计算出震击碰撞前钻柱上行最大速度。采用能量守恒定理及动量守恒定理,推导出作用于钻柱卡点处的震击力计算方法,计算模型更接近震击作业中钻柱的实际受力情况。     

振动引起的界面切向相对运动对摩擦的影响

为了研究接触界面振动对摩擦的影响, 自主设计实验装置, 以在振动台上匀速滑动的滑块为对象, 采用理论与实验相结合的方法, 分析法向振动和切向振动引起界面切向运动减摩的机理。实验结果表明, 振动台的法向振动和切向振动经常同时存在。当界面振动, 且滑块与振动台之间的切向相对速度方向不变时, 滑块受到的平均滑动摩擦力与无振动时相同, 没有减摩作用; 当滑块与振动台之间切向相对速度的方向发生周期性变化或存在stick-slip (黏滑)时, 与无振动时相比, 滑块的平均滑动摩擦力有明显的减摩作用。根据Coulomb摩擦定律建立动力学模型进行仿真, 仿真结果与实验结果非常吻合, 说明在界面运动为已知的条件下, Coulomb摩擦模型能够反映界面间的摩擦作用。实验和仿真结果表明, 当法向振动和切向振动同时存在时, 振动引起的界面切向相对运动造成摩擦力方向的周期性变化或stick-slip是减摩的主要原因。     

系统参数对自激振动系统动力学稳定性的影响

为了研究机床进给系统的黏滑运动特性,建立了基于Stribeck摩擦模型的具有代表性的质体-弹簧-传送带摩擦自激振动模型.利用李雅普诺夫稳定性判据对自激振动系统的平衡点进行了稳定性分析,获得了系统的临界失稳速度,又经过理论公式推导出了系统的临界黏滑速度.从数值仿真得到的相图和Poincare截面图可以看出,随着系统进给速度、阻尼和传动刚度的增大,动、静摩擦差值的减小,系统的黏滞运动持续时间变短,即系统的稳定性增强;低速状态下的自激振动分为黏滑和纯滑动两个阶段,且均为准周期运动;系统进给速度是影响系统稳定性的主要参数.     

航空发动机模拟机匣混合仿真与振动特性分析

为实现高效率、高精度的航空发动机模拟机匣的动力学建模和振动特性分析,利用LMS Virtual Lab混合仿真软件,建立了基于试验模型与有限元模型的模拟机匣混合模型。在此基础上,进行了基于混合模型的模拟机匣模态计算与分析。为了验证使用混合模型进行模拟机匣振动特性分析的准确性,对模拟机匣进行了模态试验。将混合模型计算结果和模拟机匣的模态试验结果进行对比。结果表明除振型一致外,各阶模态频率接近,误差不超过1.5%。由此说明建立的模拟机匣混合模型能较好地反映实际结构的振动特性。基于LMS Virtual Lab的混合仿真方法可靠、有效,可用于工程上大型复杂结构振动特性的计算与分析。     

页岩气藏压裂水平井渗流数值模型的建立

水力压裂后的页岩气藏水平井渗流区域内储层呈现复杂的裂缝网络形态,考虑解吸–吸附机理的单井渗流数
值模型的建立对单井产能影响因素分析具有较强的理论价值和现实意义,基于Warren-Root 双重介质模型思想,建立
了考虑解吸–吸附的基质渗流数学模型和裂缝渗流数学模型,并进行了差分离散方法的设计及渗流方程的IMPES 方
法线性化处理,最后实现了通过Gauss-Seidel 迭代编程模拟。现场应用中,在页岩储层水平井压裂时的微地震结果基
础上构建了地质模型,所建立的数值模型可分析压力、吸附气量、渗透率、地层物性等多个参数特征对生产的影响,并
与页岩气产出规律相符,因此该简便模型可有效指导现场的工程设计及动态分析。     

垂直井中旋转钻柱受拉段分岔研究

在以往对钻柱稳定性的研究中 ,人们对受压段钻柱的稳定性问题给予了足够的重视 ,而对受拉段钻柱稳定性的研究则明显不足。钻柱属于细长柔性杆件 ,大部分钻柱在工作时处于受拉状态。在旋转钻井作业中 ,当钻柱较长且转速与拉力存在某种关系时 ,钻柱受拉段也会发生屈曲变形。考虑到垂直井中钻柱受拉段在旋转时的转动效应 ,建立了顶部悬挂、受分布浮重作用的旋转细长钻柱的分岔微分方程。通过对方程的数值求解 ,得到了相应的分岔值曲线。利用该计算模型可以模拟石油钻井工程中旋转细长钻柱受拉段的工作状态 ,所得结果对钻井作业具有一定的指导意义。     

欠尺寸稳定器环空流场特性模拟

欠尺寸稳定器在页岩气导向钻井中具有控制井眼轨迹、降低摩阻/扭矩、减少钻具阻卡的风险和改善井眼清洁
状况等多重作用,但欠尺寸螺旋稳定器作用下的环空流场特性和作用机理并不完善。为此,采用时均紊流黏性模型法和
Realizable k–ε 湍流模型,对欠尺寸螺旋稳定器环空流体流动特性进行了数值仿真模拟。模拟结果表明,在稳定器环空
入口段的环空流动较稳定,靠近稳定器位置开始出现扰动;在稳定器环空中下游（稳定器外侧和出口段）环空流速、总压
力和动压力的分布均出现了3 个轴对称的流动区域,该流动区域的形成、发展和分布规律基本呈螺旋状,这种螺旋流动
状态有利清除井壁岩屑床;而且该段流场涡量较大,流动迹线的发展也极不规律,即稳定器的螺旋结构导致流体发生绕
流,绕流时形成了大量的漩涡流动,伴随产生了较大的动压力,而动压力诱发的激振力会加剧钻柱的振动。