新型铰接式钻具组合特性分析

对一种新型铰接式钻具组合进行有限元分析,采用自由度凝聚法缩减铰接点的转动自由度并对铰接式钻具组合进行单因素影响分析,如井斜曲率、钻头稳定器的磨损量、结构弯角、钻压、井斜角、钻头稳定器与钻头之间的距离等对钻头侧向力的影响。结果表明,为了获得较好的铰接钻具造斜率,应考虑2种途径:1)在实际操作过程中,应仔细控制稳定器的磨损量,控制井眼扩大;2)在钻具结构设计中,应优化结构弯角和钻头稳定器与钻头之间的距离这些参数。     

新型铰接式钻具组合特性分析

对一种新型铰接式钻具组合进行有限元分析,采用自由度凝聚法缩减铰接点的转动自由度并对铰接式钻具组合进行单因素影响分析,如井斜曲率、钻头稳定器的磨损量、结构弯角、钻压、井斜角、钻头稳定器与钻头之间的距离等对钻头侧向力的影响.结果表明,为了获得较好的铰接钻具造斜率,应考虑2种途径1)在实际操作过程中,应仔细控制稳定器的磨损量,控制井眼扩大;2)在钻具结构设计中,应优化结构弯角和钻头稳定器与钻头之间的距离这些参数.     

井眼间隙对下部钻具组合横向振动的影响

将下部钻具组合看成钻头处铰支的细长梁，同时考虑井眼间隙与钻压波动对下部钻具组合的作用，应用有限单元法建立下部钻具组合的动力学基本方程，采用数值模拟的方法得到下部钻具组合动态响应，并进行频谱分析。对不同井眼间隙时的下部钻具组合的横向振动数值模拟结果表明，振动幅值随稳定器与井壁之间间隙增大而增大。并且可能存在稳定器与井壁之间的间隙的临界值，当达到该临界值时，钻具组合的振动剧烈。     

弯曲井眼中下部钻具组合的有限元分析

定向井眼的弯曲形态,极大地影响了钻柱的受力状况,井眼轨迹控制特别要求对钻柱的最底端,即下部钻具组合进行深入的受力与变形分析。本文将有限单元法应用于下部钻具组合的三维静力分析。由于对处理方法做了一些改进,使有限单元法更适用于弯曲井眼中的钻柱受力与变形分析。针对钻柱与井壁的接触间题,文中提出了一种新的计算方法,大大缩短了这类问题的计算时间。对一些下部钻具组合进行了分析并论述了钻压、井斜角、井眼扩大、井眼三维曲率和钻头扭矩对钻头侧向力的影响。     

带弯接头下部钻具组合的特性分析

本文应用有限元理论,对带弯接头下部钻具组合的钻井特性进行了分析,主要有:弯接头角度大小、工具面角度的变化、井眼扩大程度、钻头与弯接头之间的距离和井下动力钻具总成的抗弯刚度等对钻头侧向力的影响。这些主要参数的分析结果,有利于现场技术人员根据实际需要优化钻具组合。     

诸因素对钻头侧向力的影响

影响钻头侧向力的主要因素,可以分为下部钻具组合、钻井操作参数和井眼几何参数三大类。本文以下部钻具组合大、小挠度权余法分析为基础,分别讨论了这些因素对钻头侧向力的影响规律,并给出了一些重要结论。     

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本文采用有限单元法对下部钻柱静态力学性能进行了分析研究，讨论了静态条件下稳定器位置，井眼变化率，钻挺刚度等对钻头侧向力及其转角的影响。为现场更好地选取钻具组合和确定钻井参数提供了理论依据，为油田的定向井实践所验证。     

下部钻具组合上切点的位置确定方法

下部钻具组合的上切点始终处于井眼底边这一假设条件,并不适用于下部钻具组合静力学分析的所有情况。基于建立的适用于下部钻具组合静力学分析的三维坐标系及其变换关系,提出了描述井壁上上切点位置的方法;根据最小势能原理,提出了一种确定上切点位置的迭代计算方法;以光钻铤钻具组合为例,讨论了井眼几何参数与钻井参数对上切点位置及钻头侧向力的影响规律。结果表明:在二维问题的力学分析中,当钻头处井斜角很小、井眼的井斜变化率很大时,下部钻具组合的上切点将有可能处于井眼的高边;与对上切段长度的影响相比,井斜方位变化率对上切点井壁方位角的影响更大;与对钻头井斜力的影响相比,井斜方位变化率对钻头方位力的影响更大;钻压和钻头扭矩对上切点位置及钻头侧向力的影响都很小。      

带可变径稳定器底部钻具组合的等效刚度及其导向能力分析

带可变径稳定器的底部钻具组合可以通过地面控制实时调整稳定器外径,快速实现不同的底部钻具组合控斜功能,大幅节省起下钻更换钻具的时间,具有广阔的应用前景。底部钻具组合的导向能力与其在井眼内的变形特征密切相关,首先针对带可变径稳定器的底部钻具组合结构特征,考虑稳定器外径变化引起的支座径向位移以及井眼曲率影响,完善底部钻具组合纵横弯曲梁三弯矩方程,实现底部钻具组合在弯曲井眼内的变形特征及其应变能的求解,形成基于应变能的底部钻具组合等效刚度计算方法;其次,利用底部钻具组合三维静力分析模型的加权余量法,计算得到带可变径稳定器底部钻具组合在不同结构时的钻头侧向力。结果表明,带可变径稳定器底部钻具组合的等效刚度系数受稳定器外径影响较大,并与钻头侧向力具有一定的相关性。     

短半径水平井铰链式井下动力钻具组合力学模型的建立与分析

铰链式井下动力钻具组合是当前短半径水平钻井中最先进的一种新型工具。本文首先建立了铰接式井下动力钻具组合在二维井身条件下的力学模型并介绍了该模型的求解方法和过程,详细分析了若干结构学数、井身几何参数和钻井工艺参数对钻头侧向力的定量影响,为铰接式井下动力钻具组合的结构设计和短半径水平井轨道控制提供了力学分析基础。     

小井眼钻柱瞬态动力学研究及应用

考虑小井眼细长钻柱沿井深和井眼圆周方向的随机接触碰撞,建立了钻柱瞬态动力学模型。运用动力间隙元不仅能合理描述钻柱与井壁的接触碰撞过程,还能考虑井壁变形和泥饼的能量吸收,并用Newmark法求解钻柱动力学平衡方程。通过钻井全尺寸模型装置上的钻柱动力学试验,对理论计算结果进行了验证,也为钻头干扰力确定提供了依据。经大庆油田14口小井眼井应用表明,由钻柱动力学分析所设计的钻柱结构没有发生井下断钻具事故,防斜性能也比较好,机械钻速得到明显提高。     

斜井眼内钻柱轴向振动的有限元分析

在斜井眼（弯曲井眼）钻进过程中．钻柱存在各种振动行为，其中跳钻是制约斜井钻进的主要因素之一．跳钻是由于钻柱轴向强烈振动引起的。严重跳钻现象表明斜井眼内钻柱的轴向振动是不能忽略的。以斜井眼的钻柱整体为研究对象．分析了钻柱整体在周期性激振力存在情况下轴向动态行为所遵循的规律。采用有限元法，对钻柱整体进行了分析，获得了钻柱整体的质量和刚度矩阵．进一步获得了动力学矩阵方程，并编制了计算程序．计算出了钻柱轴向振动的固有频率．结果表明受迫振动频率与钻柱固有频率接近时出现跳钻现象。这为深入研究斜井眼内钻柱动态行为提供了理论依据，并为进一步分析大位移井钻柱振动奠定了理论基础．具有现实的指导意义。     

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通过有限元分析方法，建立了带偏轴接头下部钻具组合的动力学方程，在处理相应的边界条件后，对带偏轴接头的下部钻具组合的钻头侧向力随时间变化的趋势和钻具任意截面的运动轨迹进行了全面的动态仿真研究，讨论了钻具的结构参数（偏轴距）、钻井参数（钻压、转速）对钻头侧向力和下部钻具在井内运动形态的影响，根据仿真结果判断带偏轴接头下部钻具组合的防斜效果，并提出为达到好的防斜效果所需的钻具结构参数和钻井参数。计算结果表明，由于偏轴接头的存在，带偏轴接头下部钻具组合的公转趋势增强，钻头无稳定的指向，这是偏轴钻柱能够防斜的重要原因。偏轴接头偏轴距的大小、转盘转速对偏轴钻柱防斜效果的影响较大，而钻压对防斜效果影响较小，因而可以通过增加钻压来提高机械钻速，达到既防斜又提高机械钻速的目的。     

偏心下部钻具组合力学性能试验研究

使用自制的钻柱模拟试验架和测试装置对偏心下部钻具组合在直井中的力学特性进行了试验研究,分析了钻压、转速、弯接头的弯曲角度和扶正器对偏心下部钻具组合运动状态、钻头侧向力、钻柱扭转角的影响。研究结果对偏心下部钻具组合的理论研究和实际钻井作业有一定的指导意义。     

预弯曲动力学防斜打快钻具组合动力学模型

建立了预弯曲动力学防斜打快钻具组合的动力学模型,对其动力学特性进行的仿真研究。结果表明,这种模型可以较好地反映出钻具组合在井下的涡动轨迹、涡动速度和涡动方向,同时能近似地计算出这种钻具组合的动态相对防斜力大小。钻具组合的涡动使得钻头对下井壁的动态侧向冲击力明显大于对上井壁的动态冲击力,从而使钻头具有较大的动态防斜力。通过合理设计结构参数和施工参数,可以有效地改善预弯曲动力学防斜打快钻具组合的涡动特征,从而使这种钻具组合具有较好的防斜效果。预弯曲动力学防斜打快技术的使用钻压比钟摆极限钻压提高50%以上,相应地提高了机械钻速。     

传统底部钻具组合上切点边界条件的正确性

传统的底部钻具组合受力分析的上切点处的边界条件表达为:1.与下井壁接触;2.转角与井眼轴线的一致;3.曲率与井眼轴线的一致。该表达方法已经采用了多年,应用效果良好。近来,有文章否定该边界条件,文中例证了传统底部钻具组合上切点边界条件的正确性。     

水力振荡器数值计算研究

目前尚未开展水力振荡器在改变特定参数和参数间在某种最优配合条件下能否得以优化的研究,制约了该工具的进一步完善。针对该问题,利用SolidWorks软件对水力振荡器的各部分结构进行三维建模,在ICEM CFD中进行网格划分,将网格导入ANSYS CFX进行数值计算与分析。研究结果表明:当流体通过水力振荡器时,旋转部件的运动使得流体动能增加,在流动过程中流体的动能重新转换为压能,使得该工具沿轴向正方向产生持续轴向力推动钻头做功;动静干涉作用和交界面速度变化所造成的流体震荡使得静止域产生剧烈的轴向和径向周期振动;大流量工况下轴向推力均值更大,轴向和径向振动也更为剧烈;在持续轴向推力和大幅度轴向振动推动下,该工具对钻柱施加周期性轴向振动和钻压并稳定推进。研究成果可为提高水力振荡器优化设计与敏感性分析水平提供相应的理论支撑。     

钻柱轴向振动仿真与井底状态监测方法探讨

在钻柱轴向振动的研究中 ,为了弥补先前的变量分离法和有限单元法存在的不足 ,提出了广义传递矩阵法。根据钻柱结构、受力和运动特性 ,建立了适合任意钻柱组合 ,且能真实反映钻柱系统的轴向振动的计算机仿真模型。引入描述钻柱轴向振动特性的广义状态向量 ,可简化复杂的工程计算问题。针对不同的测量方法 ,可仿真钻柱不同截面与不同功用的振动量。实现的两种仿真方案中 ,方案 (1)可用来优选钻头、优化设计钻具组合和优选钻井参数 ;方案 (2 )可用来随钻监测井底工况、井底岩石性质和钻头工作状态     

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过去在对底部钻具组合（BHA）进行力学分析时，全是依靠手工进行公式的推演，不但费时费力，而且容易出错。而在计算轴向力时，只是简单地用钻压值减去井底到所算跨中点的BHA轴向重量（浮重），并假设BHA轴向力与井眼轴线方向一致，没有考虑稳定器处支反力对轴向力的影响，这样处理必然给计算结果带来一定的误差。文章应用MatLab的符号运算功能对二维底部钻具组合分析权余法（MWR）的消除残值方程和边界条件方程构成的方程组进行直接求解，使得求解过程更为简单和准确；同时，假设BHA轴向力与BHA变形线轴线方向一致，并考虑稳定器处支反力对轴向力的影响，将钻压作为目标函数对BHA单跨轴向力进行迭代求解，进一步提高了计算精度。