基于格林函数的多跨钻柱系统的振动特性分析

随着油气勘探开发向着深层、深水及非常规等复杂领域的不断扩展,钻井面临的井况与约束条件更加苛刻,钻柱的动力学特性更加复杂,失效问题频发。该文应用格林函数理论对多跨旋转钻柱双向耦合动力学特性进行了定量分析和研究。考虑多稳定器及不同约束条件,以钻柱整体为研究对象,基于Euler-Bernoulli梁模型和Hamilton原理建立了具有广义边界约束条件及多稳定器的旋转钻柱双向耦合动力学方程。采用分离变量法、Laplace变换及Laplace逆变换求解所获得的振动微分方程,得到了旋转钻柱系统横向振动的格林函数解以及以格林函数为基础的多跨旋转钻柱系统的闭合形式的模态函数及隐式的频率方程。定量地分析了稳定器位置、弹簧刚度系数与稳定器个数对钻柱系统振动特性的影响。数值结果表明:稳定器位置与固有频率的关系曲线中有相应阶次数目的峰值;随着等效弹簧的刚度系数的增大,系统的固有频率随之增大,但当刚度增加到一定值时,系统的一阶和二阶频率将趋于稳定。研究结果有助于深化对多跨旋转钻柱的动力学特性规律的认识,为提高钻速、减少钻柱失效及钻柱钻井技术的应用提供了新的研究方法和理论依据。     

考虑附加质量的旋转柔性梁的随机动力学分析EI北大核心CSCD

研究了带有附加质量的旋转柔性梁系统在参数具有随机性时的动力响应问题。基于假设模态法和Lagrange方程建立了带有附加质量的柔性悬臂梁系统的一次近似耦合随机动力学方程,利用混沌多项式结合高效回归法将其转化为完全隐式纯微分方程,求解方程得到柔性悬臂梁变形响应的数字特征。最后,通过数值仿真对物理参数和几何参数具有随机性的系统进行动力特性研究。仿真结果表明:利用随机参数的动力学模型能客观地反映出系统的动力学行为;部分随机参数的分散性对柔性体动力响应的影响不可忽视。     

无网格法在中心刚体-旋转柔性梁系统动力学分析中的应用EI北大核心CSCD

将无网格点插值法、径向基点插值法、光滑节点插值法用于中心刚体-旋转柔性梁的动力学分析。基于浮动坐标系方法,考虑梁的纵向拉伸变形和横向弯曲变形,并计入横向弯曲变形引起的纵向缩短,即非线性耦合项,运用第二类Lagrange方程推导得到作大范围运动的中心刚体-旋转柔性梁系统的动力学方程。将无网格法的仿真结果与有限元法和假设模态法进行比较分析,表明其作为一种柔性体离散方法在中心刚体-旋转柔性梁的刚柔耦合多体系统动力学的研究中具有可推广性。     

钻井过程中钻柱的横-扭耦合振动分析

钻井过程中,钻柱的横-扭耦合振动是钻井作业工程中无法避免的一种运动形态,也是产生钻柱故障和系统噪声的原因之一。针对实际钻井过程中,钻柱在井下的受力情况复杂,提出采用了一种简化假设方法,对局部坐标系中空间钻柱单元与间隙元进行分析,推导出钻柱横-扭耦合振动的动力学矩阵和钻井过程中钻柱的横-扭耦合振动规律,从而取得了钻井过程中钻柱的横-扭耦合振动特性,对于钻井过程中振动和噪声的控制与故障排除也提供了有价值的参考。     

改进EFG法用于旋转梁的刚柔耦合动力学研究

采用全域插值广义移动最小二乘(IGMLS)的改进无网格伽辽金(EFG)法,对旋转中心刚体-柔性梁系统的刚柔耦合动力学特性进行研究。利用考虑了柔性梁横向变形引起的非线性耦合项的一次近似耦合模型,根据Hamilton原理和EFG离散方法得到刚柔耦合系统的无网格动力学离散方程。在大范围运动未知的情况下,采用数值方法对刚柔耦合系统进行动力响应的仿真计算,并对EFG法的主要影响因素进行了讨论分析。通过与有限元法的数值计算结果对比,验证EFG法用于刚柔耦合系统动力学研究的有效性及可行性,并为无网格法用于更复杂的柔性多体动力学的研究提供了理论依据。     

三维柔性多体梁系统非线性动力响应分析

研究了三维柔性多体梁系统的非线性动力响应问题。将空间柔性梁的变形分解为轴向变形以及在x-y平面的弯曲变形和在x-z平面的弯曲变形，引用各自的精确振动模态描述变形场，利用拉格朗日乘子法建立起柔性多体梁系统约束非线性动力学方程。结合Newmark直接积分法和Newton-Raphson迭代法，导出了求解该非线性代数一微分方程组的数值方法。仿真算例证明了该方法的正确性和有效性。     

计及变形耦合项的平面柔性梁动力学建模及频率分析

考虑了变形产生的几何非线性效应对作大范围运动的平面柔性梁的影响，在其纵向、横向的变形位移中均考虑了变形的二次耦合变量，从非线性应变-变形位移的原理出发，说明增加耦合变量后。使得剪应变近似为零，由此得出的变形模式更符合工程实际和简化需要。考虑两个方向的变形耦合后，采用有限元离散，通过Lagrange方程导出系统的动力学方程。最后对一作旋转运动的平面柔性梁进行仿真计算，并对其固有频率进行分析研究。将本文模型所得的结论。与一次耦合动力学模型、零次近似模型进行比较，说明了三种模型的差异。得到了作旋转运动的平面柔性梁的一些新特点。     

水平井钻柱和底部钻具组合受力计算与分析

在水平井钻井过程中，钻柱摩阻的存在直接影响了钻压传导，境地钻压往往低于预定施加钻压，严重影响了钻井效率。因此，科学地进行钻压传导分析，准确地计算井底实际钻压是保证水平井快速钻井的关键。考虑钻井液对钻柱轴向力的计算方法。该方法可根据井口大钩载荷计算井底实际钻压，对于分析水平井钻压传导，指导水平井钻井施工，提高钻井效率具有重要的实际意义。     

垂直井中受压段旋转钻柱的分岔研究

主要目的是研究钻柱的转动效应对铅垂井段钻柱屈曲行为的影响。通过考虑垂直井中受压段钻柱在旋转时引起的惯性力,建立了在分布浮重作用下旋转钻柱的分岔微分方程。通过对方程的数值求解,得到了旋转钻柱发生屈曲时的前四阶分岔值曲线及相应的屈曲构形。计算结果表明,随着钻柱转速的提高,发生各阶屈曲的临界钻压将明显降低。通过对工程实例的分析得知,转动效应对受压段钻柱的屈曲行为有不可忽视的影响。     

含间隙强非线性扭振系统的分岔行为研究

建立了含间隙旋转机械强非线性扭振系统的动力学方程。应用MLP法求解谐波激励下强非线性系统的解析近似解,并运用MLP法与多尺度法结合的方法得到该系统的分岔响应方程。采用奇异性理论研究了系统在非自治情形下的分岔特性,得到不同参数下系统的分岔形态。最后通过具体算例,利用数值模拟的方法得到系统在强非线性项参数变化下的分岔行为,发现随着系统参数变化系统发生周期运动、倍周期运动以及混沌等多种运动形态的复杂动力学行为。研究结果为分析间隙引起的旋转机械传动系统扭振特性提供一定的理论指导和参考。     

Research on Buckling Behavior and Analysis of Sensitive Factors in Horizontal Well Drilling

Buckling behavior of the drill string in the wellbore is one of the key issues in the oil and gas well engineering, which has been investigated by many theoretical and experimental studies in recent years. In order to study the buckling characteristics of drill string in the horizontal well, the factors of gravity, friction, and boundary conditions were taken into account, and a numerical simulation model of horizontal drill string was built up. The buckling critical load of numerical simulation was proven to be in good agreement with the experimental results; that is to say the simulation result is reliable. The key factors of friction coefficient, length of horizontal well section, and radial clearance between drill string and wellbore annular which affect buckling critical load of drill string were discussed. The results show that the angular displacement of horizontal drill string changes in the form of sine when sinusoidal buckling occurs. The pipe string buckling critical load increases with the increasing of friction coefficient. Under the same condition, the buckling critical load of horizontal drill string decreases approximately linear with the raise of horizontal well length, and declines in exponential trend with the increasing of the annular clearance. The research can provide theoretical reference for the optimal design of horizontal well string and practical drilling operation.     

岩屑床破坏器在水平井斜井段的清洁效果研究

针对水平井斜井段岩屑堆积成床易造成钻柱摩阻、扭矩增大及卡钻等问题，对斜井段中岩屑床破坏器的影响规律和清洁效果进行评估分析。首先，基于CFD （computational fluid dynamics，计算流体动力学）技术，对岩屑床破坏器的清洁机理进行研究，并通过对比分析得到岩屑床破坏器的清洁效果。然后，分析了不同井斜角、钻井液排量和钻柱转速下岩屑床破坏器对水平井斜井段岩屑床的影响规律，并对岩屑床破坏器的工况参数进行优选，以更好地发挥其清洁作用。最后，通过岩屑床破坏器的现场应用来验证其清洁效果。结果表明，岩屑床破坏器对水平井斜井段井眼的清洁效果非常明显，使用后可减小钻柱的摩阻和扭矩，有效防止钻进过程中卡钻事故的发生。研究结果可为岩屑床破坏器的使用提供指导。     

φ139.7 mm×10.54 mm G105钻杆刺穿失效分析

采用宏观分析、化学成分分析、力学性能试验、金相检验、扫描电镜断口分析及能谱分析等手段对某规格为φ139.7 mm×10.54 mm的G105钻杆的刺穿原因进行了分析。结果表明:钻杆刺穿的实质是早期疲劳失效;蹩钻、跳钻等钻柱振动引起钻杆上产生的严重交变应力是导致钻杆失效的主要原因;钻井液中的溶解氧对钻杆外表面造成氧腐蚀并形成腐蚀坑,促进了疲劳裂纹的萌生;钻铤直接过渡到钻杆,截面变化突然,使应力集中加剧,也是导致钻杆发生疲劳失效的原因之一。建议在钻井液中添加除氧剂和缓蚀剂,并适当降低钻压,调整钻井参数,避免钻柱剧烈振动。     

牙轮钻头纵向横向扭转振动动力学仿真研究

随着石油资源钻探难度的不断加大，有效地预测和控制井下钻头的运动规律，改善钻柱动力学性能，以提高钻头和钻柱的强度，实现对井眼轨迹的精确控制是目前钻井工业中亟待解决的关键技术难题。本文根据牙轮钻头的实际振动状态，分析了钻头产生各种振动的机理，讨论了钻头-岩石互作用力学模型，用能量法建立了考虑牙轮钻头纵向、横向和扭转振动耦合非线性系统动力学分析模型，编制了系统动力学仿真程序，并结合实例对牙轮钻头系统进行了动态仿真。     

新型钻杆的携岩原理研究与数值仿真分析

随着川渝地区的钻井深度不断增大,管柱在下入过程中易受到井内岩屑的影响,进而出现卡钻现象,甚至发生钻具断裂等重大事故。为了提高川渝地区页岩气水平井内的岩屑运移能力,设计了2种新型钻杆——悬浮式铝合金钻杆和新型脉冲射流钻杆,并与普通钻杆进行对比分析。首先,对3种钻杆的结构与携岩原理进行理论分析。然后,在ANSYS软件中建立3种钻杆的携岩仿真模型,通过采用不同的网格划分方法来验证各仿真模型的网格无关性与收敛性,并利用搭建的室内岩屑运移装置验证了仿真模型的准确性。最后,在岩屑粒径、钻井液入口排量和井斜角等因素改变的情况下,对3种钻杆的携岩能力进行了仿真分析。结果表明,悬浮式铝合金钻杆和新型脉冲射流钻杆的携岩能力相比普通钻杆有所提高。研究结果对提高水平井内的岩屑运移速度、改善井眼清洁度和减少岩屑床生成具有重要意义。     

钻杆扭矩法预测冲击地压的研究

钻杆扭矩法是通过测试钻孔过程中钻机对钻杆输出扭矩的大小来判断煤矿冲击地压危险性的方法,具备许多传统方法不可替代的优点,是一种很有发展的预测预报方法。该文建立了钻屑过程中钻杆的力学模型,得出钻杆扭矩与煤体应力、煤体性质及钻进速度的关系,分析表明:钻屑过程中,煤体应力增大时,钻杆扭矩增大,钻屑推进力减小;钻屑推进速度增加时,钻杆扭矩增加,钻屑推进力增大;煤体强度增大时,钻杆扭矩增加,钻屑推进力增大。利用钻杆扭矩测试装置,测试了不同煤体应力条件下钻屑扭矩的变化规律。理论和实验结果均表明:使用相同的钻机及钻具,按照指定速度对同一性质的煤层打钻时,钻杆扭矩随着煤体应力的增大而增大,钻杆扭矩变化规律与煤体应力及钻屑量具有较好的一致性,通过测试钻杆扭矩的变化规律,得出钻孔处煤体应力场的分布化规律,进而预测煤层冲击危险性。研究结果为煤矿动力灾害预测预报提供一定的理论与实验基础。     

Multi-axial fatigue life prediction of drill collar thread in gas drilling

With its advantages of lost circulation prevention, drilling speed improvement and reservoir protection, gas drilling technology has been widely applied in _Sichuan and _Xinjiang oilfields in _China. However, drill collar failures have often occurred under high weight on bit (WOB) during gas drilling. These incidents have not only caused serious economic loss but hampered the development and application of gas drilling. Finite element analysis is used to determine the drill collar thread stress distribution and, using simulation of drill string dynamics, multi-axial fatigue life theory is used to calculate the life of a standard API drill collar connection. The computed results reveal the early drill collar fatigue failures in gas drilling. Then, the multi-axial fatigue life of drill collar with double shoulder thread is analyzed under the same loads. Analysis shows that the fatigue life of a double shoulder thread is some thirty times that of the API thread. So drill collar with double shoulder thread could be an efficient way to solve the fatigue failure problems of drill collar in gas drilling. The work presented in this paper can provide theoretical foundations for safe and efficient drilling with gas.     

Computer simulation of resistance forces acting upon curvilinear drill strings

On the basis of the statement and solution of direct and inverse problems of statics of flexible curvilinear rods, we study the stress-strain state of drill strings for deep drilling in a curvilinear well with given geometric parameters. We deduce the resolving equations aimed at the evaluation of the internal forces and moments in a drill string, the forces of contact interaction, and the friction forces between the wall of the well and the drill string in the processes of its lifting, lowering, and rotation. A procedure for the solution of these equations is proposed. An example is presented for a drill string of curvilinear shape. __________ Translated from Problemy Prochnosti, No. 5, pp. 55–67, September–October, 2007.