全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型的建立与算例分析

基于绝对节点坐标法建立全井钻柱系统的多体动力学模型,研究系统的耦合振动现象;将大长细比柔性钻柱离散为绝对节点坐标梁单元,讨论梁单元格式,并研究井口、钻头处边界及钻柱与井壁的接触/摩擦模型,给出包含绝对节点坐标梁单元的钻柱系统运动方程;采用向后差分法求解微分-代数方程组,开发多体动力学求解器及相应的前、后处理器。通过直井、定向井算例分析了全井钻柱系统的轴向、扭转、横向耦合振动特性,结果表明本文提出的力学建模和数值分析方法可实时捕捉到钻柱系统的耦合振动现象,能够在钻柱系统动力学研究和工程应用中发挥作用。     

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)。     

牙轮钻头动力学特性仿真研究

研究了钻井过程中钻柱、钻头、岩石相互作用下的牙轮钻头动力学特性.根据汉弥尔顿原理和有限单元法,建立了全井钻柱纵向、横向扭转耦合振动动力学模型.在大量单元实验的基础上,建立了牙轮钻头与岩石相互作用力学模型.从系统动力学的角度出发,建立了基于钻柱、岩石相互作用下的牙轮钻头动力学模型.研究了牙轮钻头非线性系统模型的数值求解方法,编制了钻头动力学特性仿真分析软件,在不同钻井操作参数、钻具(钻柱、钻头)几何参数、地层性质条件下,对牙轮钻头动力学特性进行了仿真.明确了钻井过程中井下钻柱及钻头的运动规律、动力学特性、失效机理,为科学合理地预测和控制井眼轨迹提供了理论依据和技术手段.     

水平井钻柱动力学研究进展

水平井钻柱动力学是水平钻井工程的重要理论基础.通过水平井钻柱动力学分析可以很好地了解水平井钻柱的运动状态,科学地预测和控制井眼轨迹,揭示钻柱失效的动力学机理.就目前国内外水平井钻柱动力学研究现状进行了分析研究.综合研究表明,目前水平井钻柱动力学理论研究较欠缺,已滞后于实际工程应用,研究的内容也侧重钻柱动力学的某一方面.指出了今后水平井钻柱动力学研究的方向,提出了用全井钻柱系统动力学模型来研究水平井钻柱动力学.     

斜直井眼中钻柱的动力学特性分析

为研究和控制钻柱动力学特性,分析斜直井眼中全井钻柱的受力变形特点,建立了钻柱动力学模型,利用节点迭代法解决了利用整体有限元法计算钻柱动力学特性较困难的问题,并应用节点迭代有限元法研究了钻柱的涡动轨迹和涡动速度等动力学特性。在转盘转速为120 r/min时,在给定的钻柱结构下,井深5256 m处的涡动速度达252 r/min,井深261~732 m处的钻柱应力波动幅值约为15 MPa。结果表明,钻柱内的这种应力波动或涡动特征是导致钻柱失效的重要因素,控制钻柱内的动态应力水平对钻柱失效事故的降低十分重要。     

水平井钻柱-井壁摩擦诱导黏滑振动机理研究

水平井钻柱系统黏滑振动严重威胁井下钻柱及工具的安全性.为了揭示水平井钻柱系统与井壁非线性摩擦诱导钻柱系统黏滑振动机理,基于质量-弹簧-阻尼离散方法及Stribeck摩擦理论,建立了水平井全井钻柱系统非线性动力学模型.对无钻压加载条件下的水平井钻柱系统在不同井段和不同钻井工况参数下的动力学响应进行了分析.分析结果表明:钻...     

钻柱动力学研究回顾及新思路的提出

全井钻柱非线性系统动力学是钻井工程中不可回避的研究课题,是评估和推行新的钻井工艺、钻井技术、钻井工具的基础理论和方法之一。在总结前人研究的基础上,回顾了钻柱力学的发展进程,提出了“全井钻柱非线性系统动力学”的研究命题,论述了其研究必要性、紧迫性及可行性,给出了命题的研究思路和主要内容。     

气体钻井钻柱动态应力特征

气体钻井的循环介质为气体,黏滞效应远小于泥浆,因此气体钻井钻柱的失效情况比较严重。针对具有超细长比特征的全井钻柱,加入钻柱与井壁的碰撞模型,运用有限元节点迭代法,通过对碰撞冲击应力条件下气体钻井与泥浆钻井的动力学特性分析对比,探讨了气体钻井钻具的失效机理。分析表明,气体钻井的涡动频率和涡动速度明显高于泥浆钻井,气体钻井时钻柱与井壁的碰撞更为频繁且冲击应力比泥浆钻井更大,成为导致其钻柱失效的主要因素之一。     

基于全井钻柱动力学的轴向减振器安放位置确定

钻柱减振器是减小钻柱轴向振动的专用工具,能够部分吸收钻进过程中所产生的轴向振动,从而起到保护钻头以及其他井下重要工具的作用。然而,对减振器效果的评价却是观点不一,技术人员对使用减振器的态度也是褒贬各有。现有的大部分方法都是将钻柱系统简化为质量—弹簧体系进行减振器作用效果分析,不但无法考虑超细长钻柱的双重非线性特征的影响,而且还无法考虑横向和扭转振动的耦合作用。特别是,目前关于定向井下部井段减振器的安放鲜见报道。文章基于定向井井眼轨迹和全井钻柱动力学特性的有限元模型,使用有限元节点迭代的方法对具体工况下的整体钻柱的动力学特性进行求解,通过对比下部稳斜段减振器前后的振动状态、有无减振器时的结果来分析减振器的作用效果。在此基础上,研究了减振器刚度和安放位置对减振效果的影响。结果表明,减振器能有效起到减振作用,减振效果随减振器刚度减小而增强,对于不同的钻柱结构,减振器的最佳安放位置不同。     

可调弯螺杆钻具振动特性研究

超深井钻井作业过程中,螺杆钻具失效事故时有发生,究其原因,除了其本身质量外,钻柱振动也是诱发钻具失效的主要原因.针对这一问题,考虑真实井眼轨迹、钻具组合、钻头与地层的相互作用及井壁的摩擦属性,利用多体动力学软件,建立了螺杆钻具全井钻柱动力学特性仿真模型,模拟了不同弯角螺杆钻具的轴向力、扭矩、弯矩及水平面运动轨迹随井深的...     

深井、超深井和复杂结构井垂直钻井技术

垂直钻井是当今世界性钻井难题之一，它具有减少套管层次和套管尺寸、提高机械钻速、减少钻柱事故的优点。常用的塔式钻具、钟摆钻具、满眼钻具、偏轴钻具、压不弯钻铤、铰接钻具和旋冲钻具等均属于被动防斜技术，不能满足深井、超深井和复杂结构井直井段垂直钻井的要求，尤其不能满足在高陡构造与大倾角等易斜地层和自然造斜能力强的条件下钻垂直井的要求。近10年来发展的旋转导向钻井技术及工具，在一定程度上解决了垂直钻井所遇到的问题，也是当前解决垂直钻井这一世界性难题最有效的技术方案。重点介绍了以PowerV为代表的旋转导向自动闭环钻井系统的结构及现场应用情况。     

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。     

下部钻柱反向涡动机理研究

钻井过程中，下部钻柱通常处于反向涡动状态，易造成钻具和钻头的损坏。因此，分析研究下部钻柱的涡动机理十分必要。考虑下部钻柱与井壁之间的碰摩作用，应用转子动力学理论建立了下部钻柱的反向涡动机理分析模型，探讨了下部钻柱反向涡动的原因和形成备件，以及下部钻枉反向涡动频率与自转频率的关系等，并利用室内模拟试验验证了下部钻柱反向涡动的机理及规律。     

建立在钻柱受力变形分析基础之上的钻柱摩阻分析

在定向井和水平井中,钻柱的摩阻负荷分析是一个不容忽视的问题。本文把钻柱整体看成是一弹性梁,按钻柱与井壁的接触情况计算摩阻负荷,而没有采用以前的"软模型"。它能够考虑钻柱刚度、钻柱与井壁的间隙、下部钻具组合扶正器的安置等因素,从模型上进一步接近了钻柱的实际工作状况,提高了摩阻分析的准确性。并对一口水平井增斜段的钻柱上提和下放时的摩阻负荷进行了分析计算,能看出钻柱在上提和下放时的受力及变形状况,为钻柱的摩阻负荷分析提供了一种新的计算方法。     

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石油钻柱的失效80％以上都为疲劳破坏，这与钻柱在弯曲和扭转组合下的交变应力有关。文章结合钻柱疲劳破坏的基本特征和有关实验数据，得到了钻柱在钻井液腐蚀条件下的持久极限应力近似计算公式。利用复合交变应力强度计算理论，考虑钻柱涡动及轴向载荷的影响，建立了钻柱复合交变应力下的动态强度条件，并给出了计算实例。结果表明，静态条件下安全系数满足设计要求的钻柱，一旦动态条件下的疲劳强度不够，就会发生失效。文中所建模型对于钻柱设计时的强度校核、在役钻柱的安全评估以及失效钻柱的事故分析具有实际的指导意义。     

大斜度井中钻柱的有限元分析

井眼的弯曲特性和钻柱与井壁的接触是大斜度并中钻柱的受力与变形分析的难点。根据钻柱的变形特点，提出了将钻柱的弯曲特性和接触问题分开计算的方法，构造了一个结点坐标系描述钻柱在井眼中的变形，在接触问题的求解算法中，考虑了钻柱在空间两弯曲平面内的变形耦合。实例计算了一口大斜度井眼中钻柱上提和下放时的受力与变形，表明本文提出的方法是可靠的。     

钻柱—钻头—岩石系统动态行为仿真

利用单齿压入与刮切岩石实验建立了钻头与岩石互作用力学模型,实现了对钻头在钻井过程中工作行为的仿真计算;建立了基于研究钻柱—钻头—岩石系统动态行为的动力学模型,可以对钻井过程中钻压、扭矩、转速等参数的动态变化过程进行计算机仿真研究。从仿真结果可以看出,钻头在钻井过程中由于牙齿在井底的交替吃入以及井底本身的凹凸不平造成钻头在井底的纵向振动,其钻压的振幅一般为平均钻压的30%左右;同时,由于钻头在井底的刮切作用造成了钻头转速以及扭矩的变化,转速的变化相对来说较为平缓。该动力学模型能较好的描述钻柱—钻头—岩石系统的动态行为,对于新型钻头的设计以及钻井力学研究都有着较好的指导意义。     

铅垂井段钻柱的动力分岔研究

基于弹性大变形理论,考虑到轴力沿钻柱轴线的变化及其对钻柱弯曲变形的影响等因素,将受自重作用的铅垂井段钻柱在波动钻压激励下的振动转化为一个参数激励系统,用Galerkin方法首次得到了描述此系统的Mathieu方程,并通过将方程的解展成富里叶级数的方法,得到了该振动系统的动力分岔值曲线及其所包围的动力不稳定区。当钻井作业参数落在动力不稳定区时,钻柱将发生破坏性振动。根据钻柱的物理与几何性质及钻柱的工作状态,首次推导出了参数激励系统分岔参数的计算公式,并据此开发了相应的程序模块。该模块可以根据钻井现场的实际情况,提供合理的转速和钻压等作业参数,以避开动力不稳定区,改善钻柱的工作状态,延长其工作寿命。