水平钻柱的稳定性分析

在目前的水平钻柱稳定性研究中，都没有考虑构成水平钻柱的单根钻杆长度对钻柱稳定性的影响。普遍认为这一因素对水平钻柱的稳定性没有影响，但现场钻井资料表明构成水平钻柱的单根钻杆长度对水平钻柱的承压能力影响很大。在考虑这一因素的情况下对水平井眼中钻柱所能承受的临界载荷进行了分析计算，提出了水平钻柱临界压力的一种新的计算方法。研究表明水平钻柱所能承受的临界载荷和所使用的单根钻杆长度有密切的关系，单根钻杆的长度越短，其临界压力越大。     

水平钻柱屈曲载荷的分析计算

文章把水平钻柱看作位于弹性支撑上的两端铰接的轴心受压杆件,利用平衡法对水平井眼中钻柱所能承受的临界载荷进行了分析计算,推导出了水平井眼中钻柱临界压力的计算公式。研究表明,水平钻柱所能承受的临界载荷与屈曲时的半波数有关。而半波数则与钻柱长度、几何参数,材料性质及地层弹性系数有关。     

在水平井眼中存在下凹初弯曲钻柱的屈曲分析

分析了水平井眼中存在下凹初弯曲钻柱屈曲的性质和可能的屈曲形式,认为钻柱在初弯曲所在平面内不会发生屈曲,而只能在垂直初弯曲所在的平面方向发生屈曲。在此基础上利用能量法对其稳定性予以研究,推导出下凹初弯曲钻柱临界压力的计算公式。研究表明:在水平井眼中,当钻柱存在下凹初弯曲时不但不会减少钻柱的临界载荷,反而会增加其临界载荷,而且初弯曲程度越大,临界载荷增加的幅度越大;在水平井眼钻进中完全可以采用钻杆构成钻柱来传递压力,即使由于井眼弯曲造成钻柱发生下凹初弯曲时也不会影响钻柱的稳定性。     

斜直井眼中钻柱屈曲的可能性

本文应用虚位移原理,在充分考虑钻柱所处的特殊环境的基础上,考察了斜直井眼中钻柱屈曲的可能性。研究表明,在斜直井眼中钻柱的屈曲失稳与以前的模型大不相同,即在大多数情况下,斜直井眼中的钻柱并不会由于静轴向压力而失稳。由于有侧向分布力的作用,不是杆柱越长临界载荷越小。本模型更适合计算从垂直井到水平井的屈曲。文中对一些典型的钻柱进行计算.给出了在特定钻压下出现屈曲的临界井斜角。     

存在上凸弯曲的水平井眼中钻柱的屈曲分析

在铅垂平面内水平井眼轨迹为一条上下起伏的波浪线，因此在某一段井眼轨迹会呈现上凸弯曲，受其约束位于其中的钻柱也会存在上凸初弯曲。利用能量法对水平井眼中存在上凸初弯曲钻柱的屈曲问题进行了分析研究，推导出了屈曲载荷的计算公式。公式表明，水平井眼中当钻柱存在上凸初弯曲时其屈曲载荷的大小不仅与钻柱的长度、截面尺寸、材料以及钻柱与井眼之间的间隙等有关，还与钻柱上凸初弯曲的程度有关系，不可忽略其影响。算例分析表明，水平井眼中钻柱存在的上凸初弯曲会使其屈曲载荷减小，上凸初弯曲程度越大，屈曲载荷减小的幅度越大。     

弯曲井眼中钻柱的稳定性分析

用力法对弯曲井眼中钻柱的稳定性进行了分析计算，推导出了弯曲井眼中钻柱挠曲线方程的表达式。研究表明，弯曲井眼中的钻柱无论初弯曲的情况怎样微小，其承载能力总是比Euler临界载荷小，钻柱初弯曲的情况越严重，其承载能力越小。     

水平井钻柱设计

从分析斜直井钻铤受力特点入手,论述了水平井钻柱的受力特点、设计原则和设计方法。设计实例表明,设计水平井钻柱时,在大斜度井段和水平井段使用加重钻杆或普通钻杆,而在垂直井段使用少量钻铤,以降低旋转扭矩和提升载荷,减少压差卡钻的可能性,以及简化钻柱结构。     

水平井钻柱系统动力学特性分析模型的建立

相较于直井及斜直井,水平井应用较广,但目前关于水平井整体钻柱动力学特性的研究不够深入。为探究其动力学特性,基于有限单元法以及钻柱动力学方程,综合考虑弯曲井眼轨道、钻柱与井壁非线性碰撞接触等因素,建立水平井钻柱系统钻进仿真模型,将仿真模型结果与Johancsik模型对比,验证了仿真模型的准确性。通过模拟钻进全程来剖析稳定器、大钩载荷以及卡钻情况对钻柱系统整体动力学特性的影响。研究结果表明：三维模拟分析钻柱与井壁接触力及钻柱振动验证了稳定器可减少钻柱与井壁的碰撞;当卡钻情况发生时,水平段和竖直段钻柱屈曲特性逐渐从螺旋屈曲转变为正弦屈曲;较之于未施加大钩载荷的情况,施加大钩载荷后降低了钻柱的钻进速度,缓解了钻柱的振动,验证了实际作业中施加大钩载荷的必要性;经模拟分析确定临界大钩载荷,当在钻柱端施加的大钩载荷大于临界值时,钻柱在钻进过程中会发生卡钻的情况;当其小于临界值时,大钩载荷的值越大钻柱轴向进给及横向振动越稳定,钻柱与井壁的接触力越小,在实际钻井作业中可依据井况调整大钩载荷的值。研究成果可为钻柱研究设计及结构优化提供参考。     

自激横振下单根钻杆的振动与应力分析

根据旋转钻柱多支点自激横振的原理,用不同方法分析了单根钻杆在力平衡状态下的变形与弯曲应力,求解出不同工况下单根钻杆的挠度、弯矩、弯曲应力与固有横振角频率的计算公式,并阐明纵向载荷对单根钻杆固有横振角频率的影响。与给出的不同工况下单根钻杆弯曲应力峰峰值实测曲线的对比证明,理论分析是正确的。明确指出,自激横振下的单根钻杆并不发生横向共振。     

水平井段受压钻杆稳定性研究

结合长庆油田塞平－１水平井钻井工程设计，建立了水平井段受压钻杆稳定性分析的力学模型，给出了临界屈曲载荷计算公式，并对塞平－１井受压钻杆极限钻压进行了理论预测，预测结果与现场实测结果吻合。     

水平状态下钻柱的屈曲分析

在现有的水平状态下钻柱屈曲研究中,一般把钻柱看作均匀的等直径杆,认为钻柱在其自重的作用下,紧贴下井壁,因而通常把水平状态下的钻柱简化为在整个长度上受到井壁均匀支承的轴向受压的简支梁。而实际上处于水平状态的钻柱是由一些钻杆连接而成,每根钻杆都有两个接头。由于钻杆接头的直径较钻杆本体部分直径要大,并且为了抗磨,在钻杆接头附近装有抗磨衬节,因此只有在钻杆接头这一段才会和井壁接触,受到井壁支承,而钻杆本体并不受井壁支承。因此文中将整个水平钻柱看作是一个两端简支轴向受压的连续梁,而将钻杆接头这一段简化为连续梁的中间支座。在此基础上利用矩阵传递法对处于水平状态钻柱的屈曲进行了分析研 究,推导出了水平状态下钻柱稳定计算的特征方程,求出了水平钻柱的临界压力。计算表明,在水平状态下构成钻柱的钻杆的长度对钻柱的屈曲载荷有很大影响。     

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根据水平井造斜段长、造斜率大、并底有一段较长的水平并段等特点，文章论述了水平并钻柱应具有的特点以及设计水平井钻柱的原则和方法。指出在设计水平并钻柱时，应把钻铤安装在垂直井段或井斜角不大的井段，而在大斜度井段和水平井段使用加重钻杆或普通钻杆。钻柱设计的顺序为：首先根据井眼轨迹及钻压等工作要求，以不失德为条件设计钻柱，最后对设计出的钻柱进行强度校核。     

扶正器作用下的钻柱横向振动分析

以往对钻往横向振动的研究大都是将钻柱假设为两端铰支的简文梁，而没有考虑扶正器的作用。基于此，采用连续梁钻柱模型，推导出扶正器作用下的钻柱横向振动的频率方程和振型函数的精确解析式。所得公式对轴向受压钻柱、轴向受拉钻柱、无轴向力钻柱和有任意个扶正器及考虑钻柱自重等各种情况都适用。比较了连续梁钻柱模型和简支梁钻柱模型在固有频率和振型等方面的不同。通过实例分析，说明了扶正器数目越多，轴向压力对固有频率的影响越小，钻柱失稳临界压力就越大，即稳定性就越好。     

考虑初弯曲时水平井眼中杆柱的稳定性

利用能量法研究了水平并眼中杆柱的稳定性，推导出水平并眼中具有初弯曲的杆柱稳定性轴向临界压力的计算公式，讨论了失稳变形曲线正弦半波数的确定方法，分析了初弯曲对轴向临界压力的影响。计算实例分析表明，轴向临界压力从r随初弯曲最大挠度a0的增大而减小，当a0较小时，Pcr减小幅度不大；当a0较大时，Pcr的减小较大。认为在分析杆柱的稳定性时，若初弯曲较大，就不能把杆柱当作直梁来处理，必须考虑初弯曲的影响。     

钻井液对钻柱横向振动和稳定性的影响

作者在假设无扶正器的钻柱为均质等截面弹性管、两端为铰支座的条件下,研究了钻井液流动对钻柱横向振动和稳定性的影响,导出了振动的频率方程和失稳的临界方程。钻井液在钻柱内流动将增加钻柱横向振动惯性质量、侧向惯性作用力和诱导钻柱振动。当钻柱的轴向力一定时,钻井液流速增大,钻柱横向振动频率降低。流速大于钻柱振动基频为零的流速时,钻柱将发生失稳现象。     

侧钻水平井钻柱摩阻力分析

建立了考虑井壁弹性及钻柱接头影响的侧钻水平井钻柱摩阻力模型,给出了受弹性井壁约束钻柱的三弯矩方程及其数值解法;数值计算表明钻压、井身曲率、地基弹性、钻柱刚度、长度、钻柱与井壁间摩擦系数等因素都影响摩阻力的大小及分布,对于侧钻水平井而言,井身曲率的影响更为显著;该方法可适用中短半径水平井的摩阻力分析,供实际钻井作业参考。     

水平井钻柱摩擦力的计算

本文介绍了不同工况下水平井钻柱摩擦力的计算方法。计算结果表明,起钻和井底动力钻具钻进两种工况,钻柱与井壁间有较大的摩擦力。并指出降低摩擦力的有效措施是将造斜率较大的井段放在井眼下部,采用油基钻井液及轻质材料钻杆。     

长水平段水平井钻进摩阻控制

长水平段水平井能够增加钻遇油层的长度和数量,提高单井油气开采量,在薄油层开发、海油陆采方面具有明显的技术优势。但由于水平段过长,钻进过程中面临着严重的摩阻问题。以胜利油田某长水平段水平井为例,采用有限元方法,从井身剖面结构参数优化、钻井作业参数优选等方面,分析其对摩阻的影响规律及其内在影响机理。研究结果表明,案例井造斜段曲率半径对长水平段水平井摩阻影响较为明显,应综合考虑地层特点、造斜率控制难度以及后期送钻能力进行合理选取;起钻过快会导致钻柱与造斜段上井壁摩擦严重,下钻时应平衡下入效率、钻柱变形和摩阻的关系,防止遇阻;复合钻进时低速区的转盘转速不会引起摩阻的明显变化。