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...     

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。     

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。     

冲击回转钻具的能量传递和参数选择

冲击回转钻井技术是钻进硬岩层的有效方法，冲击锤将冲击载荷作用于钻头和钻柱上，以促进对岩石的破碎作用．从冲击作用的基本理论出发，对冲击器对钻头和钻柱的作用过程进行了分析，建立其动力学模型，找出了影响冲击器性能的主要参数并推导出相应的计算公式．     

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。     

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.     

钻柱动力学有限元分析及室内轴向试验结果对比

在石油钻井过程中,钻柱的受力运动过程相当复杂,而且还与井壁发生随机接触碰撞,使得人们对钻柱运动状态准确地理论上描述变得十分困难。运用结构动力学有限元和间隙元的方法研究了井底钻柱的运动状态,并将钻柱轴向运动计算和室内轴向振动的测量结果进行了分析。由于目前技术条件的限制在国内能做室内尺寸钻柱的轴向振动试验。     

相关技术在随钻地震中的应用

随钻地震技术采用钻井期间钻头产生的振动作为井下震源,使钻头产生的连续信号记录于安装在钻柱顶部的参考传感器和布置在井轴附近已选好位置的检波器上。通过参考信号和检波器信号进行互相关实现了两个目的：１）建立了互相关函数—钻头振动通过地层传播到地面检波器的旅行时间减去钻头振动向上经钻柱到参考传感器的旅行时间的一种量度,即使钻头振动是连续的,在互相关函数中它们仍被压缩成脉冲信号;２）互相关过程加强了弱反射钻头能量。互相关既可计算钻头波传播的时间;也可减弱不相干噪声。     

新型扭转振动工具动力学模型与降黏特性

在油气开采过程中，随着钻井深度的增加，岩石硬度加大，井下摩擦阻力较大，钻柱系统易发生粘滑振动，这将导致部件过早发生故障，钻井作业效率低下，因此对于粘滑控制技术的研究具有重要意义。结合钻井过程中的实际工况，提出了一种新型扭转振动工具，建立了基于该工具的钻柱系统扭转振动模型以及非线性动力学模型，分别进行了算例分析与实验测试以研究工具的降粘效果。算例分析时采用控制变量法，首先在给定转盘转速、钻压的情况下，对比分析了有/无工具时的钻柱系统各部件角速度，然后在相同钻压、不同转盘转速和相同转盘转速、不同钻压的情况下，分别对钻柱系统中有/无工具时的钻头角速度进行了求解；在实验过程中，对同一口井进行了有/无工具的测试，并结合未使用该工具的相邻井录井数据，分析了该工具的降粘效果。研究结果表明：在相同工况条件下，使用该扭转振动工具，可明显消除或抑制粘滑振动，同时，适当增大转盘转速，适当降低钻压可在一定程度上抑制钻柱的粘滑振动；在误差允许范围内，理论计算结果与测试结果相符合，验证了理论模型、求解方法以及算例分析的正确性。所提出的新型扭转振动工具、建立的动力学模型与研究结果对于减少粘滑振动、提高破岩效率具有重要参考意义。     

盘式钻头与岩石互作用计算机仿真

盘式钻头是一种具有新型齿面结构的牙轮钻头。从盘式钻头破岩机理出发,应用现代牙轮钻头几何学和计算机仿真技术,建立起了盘式钻头齿面结构的空间模型,牙齿离散模型,牙齿与岩石互作用模型,根据这些模型编制了相应的仿真软件。通过该软件可以在计算机上进行盘式钻头钻井仿真实验,可得到牙齿载荷、破岩体积、任意时刻的井底模式及机械钻速。这些结果同盘式钻头单齿圈台架试验结果比较吻合,因此该仿真软件对钻头设计者有重要的指导意义。     

牙轮钻头牙齿与岩石垂向互作用仿真模型

建立钻头牙齿与岩石的互作用仿真模型是实现钻头与岩石互作用仿真研究的核心问题之一。本文以岩石破碎力学为基础，从钻头牙齿与岩石的工作用特点出发，突破通常的力／侵深曲线描述方法，推导出了钻头牙齿与岩石垂向互作用仿真模型。并在该模型中用岩石硬度、塑性系数和弹性系数来反映岩石的力学性质，从而使模型具有较宽的应用范围。     

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。     

气体钻井钻柱损伤疲劳寿命预测模型研究

针对气体钻井钻柱频繁断裂失效问题,以现代损伤力学研究为基础,分析钻柱损伤演化过程,建立气体钻井钻柱损伤疲劳寿命预测模型。由钻柱损伤疲劳寿命模型得出损伤度是影响钻柱疲劳寿命的主要因素,引入损伤梯度并进一步通过算例研究钻柱所受轴向载荷、损伤度及应变之间的关系。根据理论与算例分析可得,随着轴向载荷增大,损伤度与应变逐步由空间周期关系转变为类周期关系,出现损伤局部化,导致钻柱的疲劳失效。     

三牙轮钻头的计算机仿真模型

本文将牙轮钻头上各牙齿置于易于描述的坐标系下，通过坐标变换方法，实现了各牙齿的空间位置变换。在钻头几何学和运动学的基础上，建立了随钻运动的牙轮钻头的计算机仿真模型。     

钻头瞬时三维力方向岩石可钻性的确定

由于地层的各向异性，在钻定向井时，沿钻头瞬时作用力方向的岩石可钻性是变化的。为了确定沿钻头瞬时作用力方向的岩石可钻性，作者将钻头的瞬时合力分解成钻压、变井斜力和变方位力３个分力。通过地层与钻头三维力的空间几何关系，推导出了任意井斜角和方位角时钻压、变井斜力和变方位力方向与地层内法线的夹角公式。在假设均匀层状地层内岩石可钻性级值呈椭球型分布的基础上，通过求解岩石可钻性级值椭球方程与三维力方向之一的直     

牙轮钻头侧切试验研究

在定向井、水平井的造斜和扭方位作业中,钻头的保径侧切功能是影响钻井速度和井身质量的重要因素之一。模拟三牙轮钻头保径侧切齿形刮切破碎井壁岩石形成过渡带的运动,建立了试验装置;选择典型岩石,组合不同齿形、不同布齿结构、不同试验参数,进行了牙齿破岩及受力分析。研究结果对研究开发保径侧切功能强的造斜扭方位专用钻头具有实用价值,为合理确定保径侧切齿的齿形及布齿结构提供了技术依据。该项成果已在国内开发的第一种造斜扭方位专用钻头的设计中应用,并获得了成功。     

考虑接头的钻柱摩阻扭矩分析

钻柱接头的直径大于管体直径,在通常情况下钻柱与井壁间的接触发生在接头上.建立考虑接头钻柱的力学模型,并用迭代法进行求解,成功地分析了考虑接头钻柱在钻进、起钻、下钻、空转及倒划眼时与井壁的接触力、摩阻扭矩,并能预测各接头处接触力的大小、方向.通过与现场试验数据相比较,对钩载的预测误差小于5%,对扭矩的预测误差小于7%.该模型为预测钻柱摩阻扭矩提供了一个快捷准确的方法.     

斜直井内多扶正器钻柱的空间弯曲变形

本文提出了斜直井内多扶正器钴柱空间弯曲变形的计算模型。通过Laplace变换,获得该问题的解答。利用本文提出的计算方法,对于确定的井身设计,根据相应的地层情况,在满足文中所叙述的条件下,可得到钻具组合以及钴井参数的选择原则。