下部钻柱性能的计算机模拟

用计算机对带扶正器的下部钻柱进行数值模拟得到了理论上和实践上有意义的结论。模拟结果可用于指导直井钻进和定向钻井。附求A给出了有限元法用于下部钻柱分析的基本公式。模拟程序用FORTRAN语言写成。采用人机问答方式把数据输入计算机。用户可选择输出列表数据或用宽行打字机绘制下部钻柱变形图。 计算机模拟结果指出仅用钻头侧向力不能反映下部钻柱性能。应采用钻头侧向力和合力角两顶指标才能综合下部钻柱性能。以合力角为基础分析了三大类钻柱组合——稳斜,造斜和降斜。用现场数据与模拟结果作了对比。模拟结果加上地层因素的分析可以预测井眼路径和指导选择合适钻柱组合和钻压。     

下部钻柱有限元动力学仿真研究

针对下部钻柱在钻井过程中的振动状态,分析了振动机理,并建立下部钻柱组合节点单元三维动力学模型,运用强迫频率理论和高斯列主消元法对动力学方程组进行求解,得到不同转速下的最大径向变形及弯曲应力,绘出相应的幅频响应曲线,确定相应的临界转速.研究表明,钻柱转速对钻柱振动影响较大,通常钻柱工作转速要避开钻具组合谐振频率,可减缓钻柱振动,保护钻柱.     

海洋钻柱运动补偿的非线性动力学分析

深海钻井作业中使用运动补偿装置对钻柱运动进行补偿,补偿后钻柱受力及运动将产生较大的变化.本文采取有限元分析方法对运动补偿后的钻柱进行非线性动力学分析.分析结果表明,运动补偿后的钻柱是安全的,而补偿装置的受力在海水的影响下发生了较大的变化.     

井筒中钻柱系统非线性螺旋屈曲稳定性分析

针对钻井过程中钻柱工作载荷或钻压超过某一临界值导致钻柱失稳现象,建立了钻柱非线性稳定性问题的分析模型,用数值分析的方法对整个钻柱系统的非线性屈曲过程进行了有限元仿真分析,解释了钻柱的失稳机理以及钻柱自重、钻压、转速、扭矩和井斜角等因素对钻柱屈曲的影响规律,研究了钻柱在井筒中发生屈曲时的位移、受力状况和各种工况下的失稳临界载荷.结果表明,在相同条件下钻柱螺旋屈曲临界载荷随井斜角增大而增大,呈非线性变化;临界载荷随扭矩的增大而减小,井斜角较大时临界载荷减小的幅度较小.对钻柱在井筒中的非线性屈曲行为研究和钻具组合设计的优化具有一定的参考价值.     

油气井钻柱系统非线性自激振动机理研究

油气井钻柱系统受到外部扰动容易引发非线性自激振动。以钻柱黏滑振动为例,建立了钻具与岩石间的非线性扰动扭矩模型及钻柱系统双自由度集中参数模型。首次提出了钻柱系统的等效阻尼扭矩公式和相对于平衡位置的能量公式,揭示了等效阻尼扭矩对激发钻柱黏滑振动所起的作用,探索了发生黏滑振动时钻柱系统能量的变化规律,分析了钻柱系统的非线性自激振动机理。仿真结果表明,在非线性扰动的作用下,钻柱系统出现负阻尼,等效阻尼扭矩对系统做正功,系统从外界吸收振动能量,破坏了系统平衡点的稳定性。钻具转速反馈作用调节能量输入使钻柱系统维持不衰减的持续振动,每个振动周期内系统输入的能量等于系统耗散的能量。钻具转速振幅较小时能量增加,转速振幅较大时能量减少,且钻柱系统吸收的能量主要转化为系统的势能。     

钻柱与井壁振动碰撞特性的有限元分析

在考虑钻柱外钻井液的影响下，建立了钻柱与井壁碰撞的横向振动方程，并提出了分析振动碰撞特性的有限元计算模型，对碰撞力采用非线性弹簧和非线性阻尼器来描述，计算结果表明，钻柱与井壁之间的间隙，对钻柱的频响特性和碰撞力的大小有影响，本文的研究结果为实钻时避免钻柱的偏磨和钻柱寿命的预测提供了依据。     

石油钻柱纵向振动的混沌问题讨论

本文在原苏联科学家Ｍ．Ｍ．Ｋｈａｓａｎｏｗ所建立的钻柱非线性振动数学模型的基础上，利用非线性科学领域的研究成果，进一步对其可能发生的混沌运动问题进行了讨论，文Ｍｅｌｎｉｋｏｖ方法求出了钻柱产生混沌运动的必要条件，为在钻井过程中适当地选择参数以避免井下复杂的产生提供了又一理论参考依据。     

直井中钻柱非线性屈曲的DQ法分析

采用微分求积法(DQ method)对直井中钻柱非线性屈曲控制微分方程进行了求解,在力学模型中考虑了钻柱重力和井壁切向摩擦的影响,摒弃了传统分析中的等螺距和小位移假设。分析表明:无摩擦时的DQ法计算结果与有限元的分析结果吻合,DQ法能对钻柱的非线性屈曲问题进行正确分析;井壁的切向摩擦能减缓钻柱的屈曲,井壁摩擦对钻柱屈曲的影响不可忽略。为直井中钻柱非线性屈曲的摩阻分析提供了一种新的算法,同时也将DQ法应用到石油机械工程领域当中。     

气体钻井全井段钻柱动力学研究

采用有限元法开展气体钻井全井段钻柱的非线性动力学运动过程模拟研究。建立了某井全井段塔式钻具的三维模型和钻头与岩石以及钻柱与井筒之间的接触关系,分析了钻柱在动态钻进过程中的力学参数,得出气体钻井全井段钻柱的运动规律以及对钻柱寿命的影响。对气体钻井中钻柱力学、井斜控制等方面的深入研究具有指导意义。     

钻柱抗弯强度分析

钻柱强度分析是钻具设计和选材的重要依据，对大中曲率水平井，抗弯强度是下部钻具强度分析中的首要问题，本文对弯曲井段内钻柱的抗弯强度进行了研究，给出了钻柱抗弯强度和极限转角的计算公式，提出了钻柱设计的极限转角准则：γｍａｘ＜ββ／ｎｓ，文中计算了塞平－１井二开和三开段内所用钻铤的极限转角，并进行了抗弯强度校核，结果表明，所选钻柱满足强度要求。     

钻柱黏滑振动特性仿真与产生机理分析

针对钻探作业中产生的钻柱黏滑振动现象,研究了仿真环境下钻柱系统的黏滑振动特性与振动产生机理。基于振动理论,建立了井下钻进系统的双自由度弹性模型,提出了一种模拟钻头-岩石摩擦力矩的算法;构造了钻进系统结构图,模拟了钻柱黏滑振动的变化规律,并通过极限环分析钻柱黏滑振动的产生机理;绘制钻井参数与振动幅值和周期的关系曲线,讨论了钻井参数对钻柱黏滑振动的影响。仿真结果表明,钻柱黏滑振动主要表现为钻头周期性地黏滞和滑动,属于一种由非线性摩擦力引起的自激振动;钻井参数的改变影响钻柱黏滑振动的剧烈程度。     

竖直井底部钻具动力学特性的有限元分析

在石油钻井过程中,钻柱的运动过程非常复杂,不仅存在纵向、横向、扭转振动,而且还与井壁发生随机接触碰撞和摩擦.充分考虑钻柱与井壁以及钻头与岩石的随机碰撞作用,建立了竖直井底部钻具系统(BHA)非线性动力学有限元模型,研究了工作过程中的BHA系统的纵向、横向和扭转振动,分析了钻柱在受到井壁约束下的瞬态动力响应特性,探讨了B...     

钻进中钻柱系统的辨识

在钻井过程中,钻柱振动系统是一个很复杂的动态系统,它不仅具有复杂的不确定的边界条件,而且具有显著的随机特征。在随机信号理论基础上,提出了一种用互相关辨识钻柱系统的新方法;结合输入信号和输出信号,利用钻柱系统的脉冲响应,讨论了钻柱的临界转速、钻柱共振、钻柱与井壁之间的相互作用、所钻地层岩性等钻井工程问题。     

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。     

转速突变对竖直井钻柱系统动力学特性的影响

钻井过程是一个非常复杂的瞬态响应过程。钻头突遇硬质岩石等突发状况使钻柱转速瞬时降低、随后经历一个加速过程恢复到正常转速。为了研究钻柱在这种情况下的动力学特性,应用有限元软件ANSYS分析了竖直井钻柱系统的恒转速和突遇硬质岩石后的加速过程,得到了两种工况的钻柱振动响应规律。结果表明,突遇硬质岩石后,由于钻头与岩石的撞击作用造成钻柱转速突变,钻柱与井壁发生碰撞,碰撞程度跟转速恢复时间有很大关系,转速恢复时间短,碰撞程度低,钻柱受力小;转速恢复的时间长,钻柱振动明显加剧,与井壁的碰撞频繁,受力增大。转速突变加剧了钻柱的振动响应。     

女MH—1水平井下部钻具组合的事后优化分析

文中应用动坐标迭代法分析环空大挠度钻柱受力与变形理论,将摩擦引入平衡计算,对大港油田女MH—1水平井下部钻具组合进行优化计算和事后分析。计算与观场施工相吻合,说明所用钻具都比较合理。     

利用伪随机信号系统辨识钻柱系统

用白噪声信号作为输入信号对钻主系统脉冲响应进行辨识。研究了伪随机信号的特征及伪同信号产生的方法,得出了用伪随机信号代替白噪声信号辨识钻柱系统脉冲响应的结论结合输入信号和输出信号,利用钻柱系统的脉冲响应,了钻柱的临界转速、钻柱共振、钻柱与井壁裼相互作用、所钻地层岩性等钻井工程问题。     

基于状态反馈和扭矩前馈钻柱黏滑振动控制系统

钻柱黏滑振动现象广泛存在于油气井的勘探开发。该振动容易造成钻柱连接松动,加快钻井部件的磨损和失效,从而降低钻井效率、威胁钻井安全。为了抑制钻柱黏滑振动,提出一种状态反馈和扭矩前馈结合的控制方案。基于建立的钻进系统双自由度集中参数模型,设计一种状态观测器,可以估计钻进系统难以测量的井下状态。并设计一种参考值优化算法,可以根据钻头与岩石间的摩擦扭矩,实时计算所有状态参考值和前馈扭矩输入量。结合状态观测器和参考值优化算法,实现了全维状态控制器的设计。仿真结果表明,在变化的非线性摩擦扭矩下,设计的控制方案对钻柱黏滑振动起到了良好的抑制效果。井场实验表明,设计的控制器可以应用于抑制钻井现场产生的钻柱黏滑振动现象。     

气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究

全井段钻柱在井内运动过程是一个非常复杂的非线性动力学问题,不可能得到比较完美的解析解,如果采用室内试验或者现场试验研究,其成本又会很高且很难实现.因此,在弹塑性力学、岩石力学和钻柱力学的基础上,以四川某井基本钻井参数和钻具组合为依据,采用有限元法建立了塔式钻具钻至1486m井深时的全井段三维钻柱模型和相应的井筒模型,并且建立了钻头与岩石以及钻柱与井筒之间的随时间变化且有摩擦系数的接触关系和相对应的泥浆钻井模型,对比分析了钻柱在动态钻进过程中的井口参数、钻头上压力和转动速度以及全井段钻柱的弯矩扭矩变化等结果,得出气体钻井与泥浆钻井全井段钻柱的运动规律以及钻铤失效机理的差异.为认识气体钻井全井段钻柱的运动规律提供了新的研究方法,对气体钻井中钻柱力学、井斜控制和设备等方面的研究都有较好的现实意义.     

关于深井钻柱设计的一些问题

在现行的钻柱设计中,一般是考虑钻柱自重产生的拉力负荷,采用一定安全系数,自下而上地组成等强度钻柱。但随着钻井深度的加大,只考虑拉伸负荷来设计钻柱就不能全面反映钻柱的实际受力条件和保证钻柱工作安全。我们知道,在起下钻时卡瓦对钻杆作用一个挤压力,此力总是大于钻柱的拉伸负荷。由于深井钻柱的拉伸负荷大,所产生的横向负荷也很大,容易引起钻柱在卡瓦处的挤毁。所以在设计深井钻柱时必须加