基于钻柱动力学的井筒摩阻系数预测与应用

井筒摩阻系数是钻井设计和施工阶段准确预测和控制摩阻扭矩的关键因素,对比摩阻扭矩的实测值与预测值可预防钻井事故的发生。为此,基于钻柱动力学摩阻扭矩计算模型,结合近钻头多参数测量仪实测数据,开展了大斜度井实钻条件下套管段和裸眼段摩阻系数的预测方法研究,结果成功应用于同类型邻井的三开钻进阶段摩阻扭矩分析与控制。现场应用结果表明,实钻井筒套管内摩阻系数0.27~0.29,裸眼段摩阻系数0.39~0.41,均高于经验值;案例井钩载和扭矩预测值与实际值的误差满足施工精度要求,依托摩阻扭矩预测图版实时监测实钻摩阻扭矩的异常变化,保障了该井顺利施工。研究结果可为大斜度井钻机设备优选、井身剖面优化和现场钻井施工方案决策等提供科学依据。     

井下钻柱受力实测接头研究

为了进一步了解钻进过程中钻柱在井下的实际受力状况,研制了井下钻柱受力实测接头。介绍了该接头的数据采集与处理方法、测量的参数、总体结构和基本工作特性。用所研制的测力接头在胜利油田进行了井下实际测量,得到了各参数的实测曲线。对实测结果的初步分析表明,下外事过程中钻柱轴向加速度的最大值可达到98m/s^2,由动载荷引起的钻柱轴向力的附加值最大可达到悬垂的5％。     

轴力及重力作用下钻杆最大弯曲应力计算

在考虑了钻杆接头、轴向力、钻杆重量以及钻杆本体与井壁接触等因素的前提下,应用平面弹性梁理论建立了钻杆在轴向拉力、轴向压力和轴向力为零时钻杆的最大弯曲应力计算模型。运用该模型计算出的钻杆最大弯曲应力远大于按井眼曲率计算的弯曲庆力,这说明钻杆接头对钻杆弯曲应力的分布有较大的影响。在计算钻柱强度时,应考虑接头对钻杆弯曲应力的影响,以实现安全钻井。     

循环条件下钻柱轴向力的计算和强度校核

对循环条件下钻柱的受力进行了分析，详细推导了由钻柱重力、钻井液静压力和流动压力引起的钻柱轴向力计算公式．研究结果表明，有效轴向力与流动压力梯度相关，而与流动压力的大小无关．给出了液流对管壁摩擦力的计算公式，并提出了循环条件下钻柱强度校核的方法．     

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     

底部钻具组合二维分析新方法

提出一种用于分析底部钻具组合稳定器处的轴向力的新方法 ,即认为轴向力方向应与钻柱切线方向一致 ,其大小不应忽略井壁支反力的影响。在此基础上 ,采用加权余量法推导出一套用于计算底部钻具组合二维受力和变形的新的公式。实例计算结果表明 ,由于该公式考虑影响因素更全面 ,因而其计算结果更具合理性 ,与钻柱实际受力情况更加相符 ,且计算过程更为简便、快捷。     

钻头各向异性钻井特性的理论分析和试验

基于钻头与地层相互作用模型,对钻头的各向异性钻井特性进行了理论分析,用两个特性参数定量描述了钻头转角对并料变化和方位漂移的影响。对钻头各向异性的试验研究表明,钻头各向异性指数可用室内试验来确定。     

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。     

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     

水平段钻柱失稳后自锁分析

大位移水平井钻井过程中,水平段钻具由于欧拉效应失稳后与井壁产生多个接触点,在钻柱与井壁接触点摩擦力的作用下钻柱容易产生自锁现象。分析了水平段钻柱自锁现象产生的机理,建立了钻柱自锁理论力学模型,得出了钻柱自锁的偏微分方程。计算并分析了大位移水平井钻井过程中的自锁现象出现的条件;得出了影响钻柱自锁的相关因素,提出了避免钻柱出现自锁的措施。