起下钻钻柱纵振理论分析

钻柱振动分析是一个非常复杂的动力学问题,钻柱纵向振动严重时造成钻头损坏、钻杆磨损加剧和疲劳破坏。考虑起下钻时引起的压力波动及钻柱和钻井液的耦合作用,在对模型进行假设的基础上,对起下钻时钻柱纵向振动方程和频率方程进行了分析推导,对井下多体系统动力学的研究进行了有益探索。     

水平井钻柱悬重规律解析分析

对水平井起下钻过程中的钻柱悬重规律进行了理论研究，建立了钻柱拉力微分方程，并经过严密的数学推导得到了钻柱悬重的解析解，该解析解简便实用，可用于预测和计算水平井的起下钻悬重规律。文中采用这些公式对长庆油田塞平─１水平井所用典型钻柱结构的悬重规律进行了理论计算，计算结果与实测数据较吻合，验证了本文理论模型的合理性。     

水平井钻柱悬重视规律解析分析

对水平井起下钻过程中的钻柱悬重规律进行了理论研究了建立钻柱拉力微分方程，并经过严密的数学推导得到了钻柱悬重的解析解，该解析解简便实用，可用于预测和计算水平井的起下钻悬重规律。文中采用这些公式对长庆油田塞平－１水平井所用典型钻柱结构的悬重规律进行了理论计算，计算结果与实测数据较吻合，验证了本文理论模型的合理性。     

三维井眼全井钻柱系统动力学模型研究

依据Hamilton原理,利用有限元法建立了综合考虑钻柱纵向横向扭转耦合振动、钻柱与井壁的碰撞及摩擦、钻井液对钻柱的黏滞阻尼、钻柱内钻井液对运动钻柱的弯曲效应、环空钻井液对运动钻柱的压差效应、地层压差效应、屈曲对摩阻的增益、钻头与岩石相互作用等因素的三维井眼全井钻柱系统动力学模型。研究了具有不确定性和动态边界的大型非线性系统的求解方法,开发了钻柱系统动力学特性仿真软件。该软件可以计算任意钻井参数、钻具组合、钻井液参数及地层参数下任意钻柱单元的动力学特性参数(包括位移、速度、加速度、载荷等)。     

考虑流固耦合钻井液冲蚀引起的钻柱失效分析

基于钻柱与钻井液耦合影响因素分析,建立了钻柱失效模型,利用流固耦合和钻柱振动的基本理论对钻柱的振动频率和振动速度进行了求解,分析了钻井液密度、流速、流动应力以及钻柱的振动频率和速度对钻柱失效的影响,在此基础上利用冲蚀理论对钻柱的失效进行研究得到了钻井液对钻柱的冲蚀磨损量以及最大冲蚀角度。根据算例参数设计了对应的室内实验,并将算例分析结果与实验结果进行对比,验证了本文所建的钻柱失效模型的正确性,结果表明考虑流固耦合钻井液对钻柱的冲蚀磨损量要远大于未考虑流固耦合钻井液对钻柱的冲蚀磨损量;层流状态下钻井液引起钻柱失效所发生的最大冲蚀角与钻井液和钻柱之间是否进行流固耦合无关。工程应用实例表明,本文研究结果可以较好地指导钻井作业实践,对于减少钻柱失效和降低钻井成本具有一定的参考意义。     

海洋平台连续起下钻钻机及关键设备研究

针对当前常规海洋自升式钻井平台钻井作业采用间歇起下钻方式存在的起下钻作业时间长、井下复杂情况多等缺点，提出了一种全新概念海洋自升式钻井平台的连续起下钻钻机，完成了连续起下钻作业流程确定、立根长度确定、连续起下钻系统、排管机、集成控制系统等关键技术和设备设计。该钻机配套常规顶驱，通过采用新增连续起下钻系统设备，改进排管机和集成控制系统的方式实现连续起下钻作业，实现在高位进行钻柱提放、管具上卸扣、钻井液收集等功能，最大起下钻速度可达2 160 m/h，与现有钻机相比，能够大幅提高钻井作业效率，降低井下压力波动，技术跨度相对较小，具有较好的可应用实施性。     

井下多体钻柱系统瞬态动力学仿真分析

钻井过程中钻杆柱的高速涡动会引起钻杆柱与井壁的随机碰撞。为了有效预测与控制钻杆柱与钻头在井下的运动规律,建立了符合实际工况的井下多体钻柱系统固液耦合有限元模型,分析了钻井液对钻柱系统瞬态动力学特性仿真结果的影响。研究结果表明:钻柱在钻井液的作用下横向振动减弱、与井壁发生碰撞的次数减少。为进一步阐明钻柱运动规律、预测和控制井眼轨迹奠定了基础。     

钻井液影响下多扶正器钻柱振动的理论分析

根据动力学基本理论的分析认为,钻井液流体对多扶正器钻柱横振振型的影响主要来源于流体的科氏惯力。据此,推导了考虑钻井液流动影响的多扶正器钻柱横向振动的微分方程,并用拉普拉斯变换理论中的有理分式反演法、延迟定理、位移定理、卷积定理等求解了该微分方程,给出了考虑钻井液流动影响的多扶正器钻柱横向振动的频率方程和振型函数的精确解析式。与忽略钻井液影响的结果比较,其频率方程,振型函数要复杂得多,需要用计算机编程求解,但这一新的课题有待继续研究。     

水平井钻柱接触摩擦阻力解析分析

建立了大斜度定向井及水平井起下钻过程中钻柱摩擦阻力微分方程，并推导得到钻柱摩阻的解析解。采用计算公式对长庆油田塞平－１水平井所用典型钻柱结构的摩阻进行了理论预测，预测结果与现场实测数据较吻合，验证了理论模型的合理性。     

基于赫巴流体的偏心环空波动压力数值模拟

基于牛顿流体、幂律流体以及卡森流体建立的偏心环空稳态波动压力预测模型计算过程对计算机的硬件要求较高,在现场条件下并不适用。为此,基于钻井液赫巴流变模式,利用Fluent软件对起下钻波动压力进行了计算,并将计算结果与现场广泛应用的压力模型及室内试验数据进行了对比验证。建模时采用一阶迎风格式对动量方程的对流项进行离散,壁面设为非滑移壁面。分析结果表明,数值模拟结果与现存的同心环空计算模型及同心、偏心室内试验结果具有很高的一致性,最大误差不超过8%;流动指数、钻柱井筒直径比以及钻柱偏心度对波动压力影响较大,在窄间隙工况或具有高流动指数流体的情况下应严格控制起下钻速度。     

基于加速度传感器的钻柱振动测量方法研究

为了预防钻柱振动失效,采用加速度传感器测量钻柱的纵振、横振、扭振及耦合振动。给出了加速度传感器在钻柱上的安装位置和数量,建立了加速度传感器测试信号值与钻柱振动值的关系式。采用ANSYS数值仿真软件模拟了钻柱的4种振动工况,数值仿真得到的钻柱振动加速度值与理论计算结果误差<5%。为钻柱振动测量工具的设计提供了理论依据。     

气体钻井钻柱振动特性及控制措施

为解决气体钻井钻柱频繁失效的实际问题,综合考虑钻柱纵横扭耦合振动,根据气体钻井全井段钻柱系统动力学模型分析了气体钻井钻柱的振动特性,并从减振抑振角度提出了空气锤钻井工艺和采用减振减阻工具两种振动控制措施。以川西某实钻井气体钻进段为例,在利用美国ESSO公司现场数据验证全井段钻柱系统三向耦合振动力学模型可行性与结果可靠性的基础上,量化评价了常规气体钻井和采用振动控制措施气体钻井工艺的钻柱振动特性。对比分析表明,这两种工艺措施的减振抑振效果明显,不仅能够有效减弱气体钻井中下部钻柱的振动强度,而且使上部钻柱的动态应力也大大降低。     

分数阶PID控制对钻柱黏滑振动的抑制

钻柱黏滑振动是导致钻井设备加速磨损、钻井安全性下降以及钻井效率降低的重要原因之一。针对钻柱的扭转运动,建立了钻柱、钻杆、BHA及钻头4自由度钻柱系统扭转模型。该模型考虑了扭转自由度、钻柱阻尼以及岩石与钻头相互作用的高度非线性摩擦;通过对钻柱模型进行仿真试验,分析了钻井参数对黏滑振动的影响;为了抑制钻柱黏滑振动,设计了一种分数阶PID控制器。研究结果表明:分数阶PID控制器能够快速稳定系统,缩短调节时间,有效抑制钻柱黏滑振动,它对黏滑振动的抑制效果明显优于传统PID控制器。研究结果对抑制钻柱黏滑振动研究具有参考意义,对降低钻井工具损害、提高钻井效率以及增强作业安全性有重要的指导意义。     

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。     

水平井造斜段弯曲钻柱振动方程的建立及求解

以定向造斜井段中的弯曲钻柱为研究对象,分析其钻进过程中轴向振动和扭转振动,考虑钻井液阻尼、自重和与井壁摩擦对振动特性的耦合作用,建立系统动力学模型,推导出振动微分方程并确定约束条件。对求解方法和过程进行研究探讨,在给定初始条件和边界条件下,采用假设模态法求解钻柱振动模型,得出轴向振动和扭转振动特性的近似表达式。其建模理论、思路和对振动方程的求解讨论可推广应用于不同轨迹井段中的钻柱。     

流体作用下钻柱运动状态试验研究

考虑钻柱在井口、井底的位移边界条件和力边界条件,建立了直井内钻柱与钻井液耦合动力学试验装置,进行了不同激振频率、不同轴向激振力、不同排量条件下的杆柱振动试验和不同轴向激振力、不同转速、不同排量条件下的杆柱旋转试验。试验结果表明,激振频率、转速和循环流体是影响钻柱运动状态的主要因素。在空气介质的情况下,随着激振频率的增加,杆柱的横向位移基本保持不变,轴向激振力、轴向加速度有显著增加;在循环流体作用下会减小轴向激振力、轴向加速度的增长趋势。在空气介质的情况下,随着转速的增加,轴向激振力变化不大,而钻柱的横向位移、杆柱轴向加速度均呈现出增加的趋势;但在循环流体的作用下,轴向激振力、振幅及钻柱的加速度振幅都降低,加速度振幅也显著降低。可见,流体循环可明显改善杆柱振动。     

深井钻柱粘滑振动特性分析

粘滑振动严重影响钻柱系统的机械钻速,进而增加钻井成本,影响完井周期。为研究深井钻柱系统的粘滑振动特性,采用集中参数模型,通过钻头与岩石相互作用原则,既考虑钻头的摩擦作用,又考虑钻头的切削作用,建立钻柱系统轴向和扭转的耦合振动无量纲控制方程。基于MATLAB/Simulink软件对钻柱系统振动响应进行数值求解,分析了无量纲化控制参数,即转盘角速度、钻压以及粘性阻尼比、刀翼数对钻柱粘滑振动特性的影响。结果表明,确定的钻柱结构和系统参数存在发生粘滑振动的临界值,增大转盘转速、减小钻压、增大阻尼比到临界值时,钻头粘滑振动消失,同时增加刀翼数也会使粘滑振动得到抑制。     

钻柱振动模态分析方法及其应用

根据振动理论和有限元方法,研究了钻柱振动的模态。考虑钻柱的纵向振动、横向振动及扭转振动之间的耦合关系,建立了钻柱振动分析的综合模型。结合实例研究了钻柱振动的固有频率及其振型,分析了跳钻和蹩钻情况下钻柱的共振频率及临界转速。该分析研究对探讨钻柱的动力学特性和现场钻具防断具有一定的意义。     

反转激发的以拍形式存在的钻柱横向振动

在钻井过程中,横向振动对钻柱的影响十分显著。为了解决横向振动造成的钻柱失效问题,建立了钻柱横向振动的微分方程,获得了钻柱横向振动的基本规律。结合大庆油田升深7井,对钻柱横向振动进一步分析得到:反转是造成横向振动的主要原因,反转转速与环隙比有关,当环隙比较小时,反转转速与自转转速基本呈线性关系,当环隙比较大时,反转转速会出现偏离理论值的现象; 在研究钻柱横向振动时,钻柱横向振动固有角频率不仅与钻柱本身的性质有关,还与钻柱所受静态轴向载荷有关,钻柱振动部位距中和点的距离不同,重力与浮力对钻柱振动频率的影响也不同; 反转所激发的横向振动一般以拍的形式出现,由弯曲应力波叠加而成; 在钻柱既有反转又有自转的情况下,当弯曲应力角频率与钻柱横向振动固有角频率接近时,钻柱发生横向共振。