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。     

稳定器对下部钻具组合的动力学影响规律研究

深部钻探现已成为油气资源开发的主力,跳钻和屈曲问题限制了深井钻井效率.采用稳定器则能够缓解下部钻具的振动和变形问题,是提高钻井效率的有效手段之一.为了定量描述稳定器安装数量和间距对下部钻具组合的影响,基于Hamilton原理建立全井钻柱动力学模型并采用HHT-α法对模型求解,分析了稳定器对下部钻具组合屈曲、振动和跳钻的...     

空气锤钻具组合稳定性动力学因素分析及优化

空气锤钻井过程中由于活塞轴向冲击锤头进行破岩工作,钻柱会产生轴向振动,其中下部钻铤振动常发生以钻铤螺纹断裂为主的失效故障。文章以某井空气锤钻井钻具组合及钻井参数为例,通过有限元法,建立了空气锤钻井全井段钻柱动力学模型,从动力学出发研究下部钻具组合动力学特性,优化空气锤气体钻井钻具组合。研究结果表明：空气锤钻井主要影响下部300 m钻柱,在冲击振动弯扭共同作用下,钻铤螺纹容易产生疲劳失效,模拟结果与现场失效　情况相符。优化方案为KQC275空气锤钻井过程中上部接Ø279. 4 mm 钻铤,此时钻柱系统轴向振动最小,全井段钻柱动态钻进稳定性好,对现场空气锤钻井钻具组合方案进行了优化,预防了钻柱失效。该研究对空气锤钻井钻柱动力学行为有了明确认知以及提供了钻柱振动失效预防措施     

钻具振动对FEWD井下仪器的影响及预防措施

在水平井地质导向钻井过程中，井下钻具振动易导致井下FEWD测量仪器损坏，造成巨大经济损失。分析认为，钻井参数、井斜角、钻具组合和钻头是导致井下钻具振动的主要原因，防止FEWD测量仪器因井下钻具振动而损坏的一种最有效的方法就是通过井下传感器DDs监测井下钻具的振动。结合振动传感器DDS的工作特点，分析了DDS测量值与钻具振动的关系，给出了几种典型钻具振动（包括钻头弹跳、扭转振动、钻头涡动、钻具涡动、横向振动和振动耦合）出现时的DDS测量值变化情况，提出了相应的预防和控制井下钻具振动的技术措施。以桩12-平3井为例，介绍了井下钻具振动的判断与控制措施的实施情况。准确判断井下钻具振动并采取相应的技术措施对于有效保护FEWD测量仪器、提高钻井综合效益具有重要意义。     

铰接式钻具组合的动力学分析

应用有限单元法对铰接式钻具组合进行了动态分析,推导了铰接点单元的刚度矩阵和载荷列阵,同时考虑钻头的轴向激振和钻柱与井壁的相互作用,用Newmark法在时域里分析了一种铰接式钻具组合的横向振动,并在频域里进行了讨论。分析表明,轴向扰动激起铰接钻具组合多阶谐波分量,钻头侧向力动态分量的幅值与井斜曲率成正比。数值结果表明,井眼扩大是钻具组合动态响应的一个重要影响因素,如果井眼扩大较小,钻具组合的振动表现有周期性,而当井眼扩大较大时,振动不再是周期性,且钻头侧向力动态分量的幅值增加。     

深井中钻柱动力学机理研究

为合理设计深井中的钻柱结构，提高钻具寿命，防止井下断钻具事故，讨论了钻柱的纵向振动、横向振动、扭转振动及进动之间的相互耦合关系，并指出了钻柱振动的危害和减少振动的现场措施。介绍了两种研究钻柱振动动力学的方法──有限元法和机械阻抗法。经举例说明深井中大井眼小钻铤的危害性，认为大井眼小钻铤的环空较大，钻铤的刚度较弱，在轴向力作用下易屈曲，激发横向振动，且钻铤的横向变形较大，因振动引起的交变应力也较大；纵向振动易出现动力失稳而诱发横向振动，横向振动又易诱发扭转振动。建议使用大井眼大钻铤设计方案。     

深井钻柱振动规律的分析及应

钻柱振动是在当前钻井工程中的普遍现象，对钻井的影响很大，钻柱共振是钻柱失效的主要原因。文章研究深井钻柱的振动问题，以深井钻柱为研究对象，分析研究了钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动。首先，建立了深井钻柱各种振动的力学模型，获得了钻柱振动所遵循的物理规律，得到了钻柱的各种共振频率。然后，结合实际对振动规律进行了应用，该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据。     

旋转导向钻井偏心稳定器横向振动研究

旋转导向钻井偏心稳定器横向振动研究是国家863“可控(闭环)三维轨迹钻井技术”课题研究的部分内容。选取偏心稳定器的心轴作为研究对象,以偏心稳定器心轴连续梁系统的横向振动模型受力分析为基础,根据课题研究中所设计的心轴结构形式,建立了与实际情况较为接近的三铰支点的连续梁系统横向振动方程;并分析了偏心稳定器横向振动对钻井工具和钻具系统的影响,为合理进行心轴设计以及偏心稳定器样机在现场的正确使用和钻井参数的合理选择,提供了科学的理论依据和实用的计算方法。计算实例表明,当钻压范围选择在80~250kN时,215.9mm井眼钻进中的确存在19~20、61~63、162~163r/min前三阶横向共振转速区间,因此在选择钻井参数时应通过钻压与转速的配合,尽可能避开横向共振转速,以保证下部钻具组合系统及作业安全。     

钻柱-钻头-岩石系统动力学特性研究

钻头、钻柱和岩石系统作为一个整体,其动力学特性相互耦合,相互影响,而现有文献的研究中大都忽略了整个系统这种动力学耦合。鉴于此,考虑下部钻具纵横扭动力耦合、钻头与岩石非线性接触,建立了钻柱-钻头-岩石系统动力学模型。采用有限元法模拟了三牙轮钻头破岩钻进的动态过程。研究结果表明:在三牙轮钻头破岩钻进过程中,钻头与岩石互作用以及由此引起下部钻具振动均具有明显的非线性和随机性;由于牙轮钻头破岩方式以纵向冲击为主,钻具纵向振动强于横向,动钻压平均振幅达到静钻压的40%以上;扭转振动可能引起负扭矩现象。研究结果为牙轮钻头破岩机理及井下钻具非线性动力学特性的研究提供了新思路。     

钻具振动的三种基本形式

安全优化钻井是提高钻井时效和保护油气层的先决条件，而实现安全优化钻井必须研究如何监测以及消除或减轻钻井过程中钻具振动方面的问题。该阐述了钻具振动的三种形式分别为扭转振动、轴向振动和横向振动；分析了三种振动的成因、特征、危害、相互关系以及消除和减轻的措施。有关这方面内容的阐述，对钻、录井过程中更好地应用好已开发的钻具振动监测系统，进而推动这一系统的进一步完善具有重要的指导意义。     

深井钻柱的横向振动浅论

全面探讨了钻柱底部横向振动的产生、传播和消失过程。分析表明,横向振动只发生并存在于钻柱底部;底部钻具的屈曲、动力失稳和钻柱与井壁的碰撞是引起横向振动的直接原因;由钻头与地层相互作用引起的振动能,很大部分被螺旋屈曲段钻柱消耗;涡动和碰撞引起的中性点及中性支以上的振动,在向上传播过程中被钻井液阻尼抑制;钻柱轴向力影响振动频率和波的传播;中性点是危险点,但不是能量陷落点。     

水平井变刚度下部钻具组合的弹性稳定性

针对目前水平井及大斜度井中常采用变刚度钻具组合的特点，从现场实际情况出发，应用弹性变形能量法，建立了变刚度管柱的三角级数挠曲变形方程。同时，还根据水平井及大斜度井旋转钻进和滑动钻进的特点，考虑了与实际操作有关的钻头扭矩、钻压、转速、钻柱的几何尺寸、自重以及井斜角等主要参数的影响，研究了变刚度钻具组合的弹性稳定性问题及临界钻压的计算方法。最后进行了两口井的现场应用实例计算及分析。     

在役钻柱的纵向振动模型的分析与研究

钻柱振动分析是一个非常复杂的动力学问题,也是国内外钻井界正在深入研究的问题。实际钻井中的钻柱振动可能是纵向振动、横向振动或扭转振动以及它们相互祸合的振动,钻柱的疲劳破坏、粘扣现象和大部分刺扣泄漏事故也都与钻柱振动有直接关系,特别是与钻柱的纵向振动有关,为减少纵向振动在钻井过程中的危害,优化钻具组合避免纵向共振,建立了钻柱的纵向振动模型并给出了相应的边界条件、初始条件和振动方程,为进一步研究钻柱的振动问题打下基础。     

对钻柱在反转情况下横向振动规律的研究

目前对钻柱横向振动的研究基本上忽略了横向振动的激发来源和轴向力的存在。文章针对钻井工程中钻柱横向振动的实际情况,建立力学模型。从理论上分析了轴向载荷存在的情况下钻柱横向自由振动的规律,获得了钻柱横向振动固有频率。提出了钻柱反转自激横向振动,分析了钻柱的横向最大弯曲挠度、弯曲应力与钻柱的横向固有频率的关系。为进二步解决钻柱的横向振动问题奠定了基础。     

水平井及大斜度井下部钻具组合的弹性稳定性

应用能量法研究了水平井及大斜度井钻柱的弹性稳定性。在研究压杆弹性稳定性的能量方程过程中，根据现场作业情况，分析了钻柱转速、钻头扭矩、井斜角以及钻柱的几何尺寸、钻柱自重引起的横向均布载荷等参数对下部钻柱弹性稳定性的影响，并由此导出了在水平井及大斜度井中下部钻具组合临界钻压的计算公式。这对指导水平并及大斜度井的现场施工、正确选择钻井参数和选配钻具组合、确保井下钻具安全有着十分重大的意义。     

钻柱轴向与横向耦合振动的有限元分析

钻柱在钻井施工过程中的受力状况十分复杂,钻柱轴向与横向振动的耦合影响着整个钻进过程。以定向井钻柱为研究对象,利用有限元法建立了对整体钻柱进行受力分析的数学模型。在对钻柱单元进行线性分析的基础上,考虑钻柱横向振动对轴向变形的影响,建立了钻柱耦合振动的动力学方程,编制了计算程序,计算出了钻柱发生轴向与横向非线性耦合振动的共振频率。     

水平井侧钻过程中钻柱横向振动规律的研究

在水平井的侧钻过程中,钻柱很容易发生横向振动,引发钻柱失效、井眼扩径等严重事故。鉴于此,全面地分析了侧钻水平井钻柱的横向振动,以近井底长钻柱单元为研究对象建立了这种振动的力学模型,研究了横向振动的动力学规律,获知了钻柱横向振动的共振频率的分布规律。振动规律的实际应用反映了钻柱横向振动规律理论分析的正确性。侧钻水平井钻柱横向振动规律的研究对水平井在侧钻过程中保持井壁稳定、减少钻柱失效、提高钻速和降低钻井成本具有重要的理论价值和实际意义。     

深水钻井隔水管三维涡激振动理论模型

隔水管作为深水钻井的关键设备,国内外均对其涡激振动开展了大量的理论与实验研究,但都主要针对隔水管在横向的涡激振动,并没有考虑隔水管同时受到横向以及流向的耦合作用。为此,利用旋涡动力学理论,建立了同时考虑流向静态变形以及流向与横向耦合作用下的深水钻井隔水管三维涡激振动理论模型,采用有限单元法结合Newmark-β法对模型进行求解,并在深水试验池开展了相似实验对模型进行验证,编制了计算分析程序,模拟了不同海流流速下隔水管涡激振动模态以及三维空间形态,探索了三维空间下隔水管涡激振动响应机理。模拟结果表明:①随着表面流速的增大隔水管横向以及流向的振动模态分别增大,且流向振动模态阶次大于横向振动模态阶次,横向振动幅值远大于流向振动幅值;②隔水管流向的静态变形远大于流向涡激振动变形,流向的变形形态主要受静态变形的影响;③隔水管在横向以及流向涡激振动耦合作用下,空间形态变得扭曲,在进行隔水管组合配置设计时应该同时考虑来自横向和流向的影响。     

自升式钻井平台横向振动特性研究

将自升式钻井平台(简称钻井平台)桩腿简化为悬臂梁力学模型,研究了钻井平台横向振动特性,建立了较为简便的钻井平台横向振动周期、频率及振幅计算方法;利用得到的钻井平台横向振动特性计算式,对海洋石油钻井作业所用三桩腿、四桩腿钻井平台进行了横向振动特性值计算,并对振动周期、频率计算结果进行了分析;研究了钻井平台横向振动影响因素,并且提出了相应的改进思路及措施,这对指导海上钻井平台操船作业具有重要意义。     

海洋钻井隔水管固有频率的简化计算

海洋钻井隔水管是连接海底井口与钻井船的重要设备,当其固有频率与海流经过时产生的旋涡释放频率接近时,隔水管将发生涡激振动而使其疲劳寿命显著降低,因此精确计算隔水管固有频率对于预测其涡激响应和疲劳寿命是非常重要的。假定隔水管为小变形状态下承受一致张力的梁模型,基于能量守恒定律推导了隔水管固有频率的简化计算公式。实例分析结果表明,采用本文提出的简化公式得到的计算结果与有关文献给出公式的计算结果相吻合。