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。