水平井眼中受压钻柱的临界载荷计算

对水平井眼中钻柱所能承受的临界载荷进行了分析计算，推导出了水平井眼中钻柱临界压力的计算公式。研究表明，水平井眼中钻柱所能承受的临界载荷和所使用钻杆的单根长度有密切关系。钻杆的单根长度越长，钻柱所能承受的临界载荷越小。     

水平钻柱的稳定性分析

在目前的水平钻柱稳定性研究中，都没有考虑构成水平钻柱的单根钻杆长度对钻柱稳定性的影响。普遍认为这一因素对水平钻柱的稳定性没有影响，但现场钻井资料表明构成水平钻柱的单根钻杆长度对水平钻柱的承压能力影响很大。在考虑这一因素的情况下对水平井眼中钻柱所能承受的临界载荷进行了分析计算，提出了水平钻柱临界压力的一种新的计算方法。研究表明水平钻柱所能承受的临界载荷和所使用的单根钻杆长度有密切的关系，单根钻杆的长度越短，其临界压力越大。     

扭矩和边界约束对水平井钻柱静力分岔的影响

分析了轴向力和扭矩对钻柱弯曲变形的影响,推导出在井孔约束下水平井段钻柱的非线性静力分岔微分方程。采用Galerkin方法对其简化形式的研究表明,在钻井工程中,水平井段钻柱的静力分岔主要取决于钻压和井孔尺寸,扭矩产生的影响可以忽略。在不计扭矩情况下,用解析法求得的两端铰支模型钻柱的临界钻压与用能量法得到的结果相同。对铰-固模型钻柱静力分岔的研究表明,当钻柱屈曲后形成的半波数达到4以上时,两种模型计算的临界钻压差别很小。因此,对水平井段较长的钻柱可用比较简单的两端铰支模型计算其临界钻压。     

斜直井眼中钻柱屈曲的可能性

本文应用虚位移原理,在充分考虑钻柱所处的特殊环境的基础上,考察了斜直井眼中钻柱屈曲的可能性。研究表明,在斜直井眼中钻柱的屈曲失稳与以前的模型大不相同,即在大多数情况下,斜直井眼中的钻柱并不会由于静轴向压力而失稳。由于有侧向分布力的作用,不是杆柱越长临界载荷越小。本模型更适合计算从垂直井到水平井的屈曲。文中对一些典型的钻柱进行计算.给出了在特定钻压下出现屈曲的临界井斜角。     

在水平井眼中存在下凹初弯曲钻柱的屈曲分析

分析了水平井眼中存在下凹初弯曲钻柱屈曲的性质和可能的屈曲形式,认为钻柱在初弯曲所在平面内不会发生屈曲,而只能在垂直初弯曲所在的平面方向发生屈曲。在此基础上利用能量法对其稳定性予以研究,推导出下凹初弯曲钻柱临界压力的计算公式。研究表明:在水平井眼中,当钻柱存在下凹初弯曲时不但不会减少钻柱的临界载荷,反而会增加其临界载荷,而且初弯曲程度越大,临界载荷增加的幅度越大;在水平井眼钻进中完全可以采用钻杆构成钻柱来传递压力,即使由于井眼弯曲造成钻柱发生下凹初弯曲时也不会影响钻柱的稳定性。     

水平井中钻柱的临界载荷

对水平井来说,应考虑水平段钻柱的屈曲问题。本文将水平段钻柱视为弹性基础梁,把钻柱与地层看作一个弹性系统,把钻柱所受的轴向压力(钻压)作为此系统的外载荷,应用能量法确定水平段钻柱的临界载荷,提出工程计算方法,并对两个实例进行了讨论。     

存在上凸弯曲的水平井眼中钻柱的屈曲分析

在铅垂平面内水平井眼轨迹为一条上下起伏的波浪线，因此在某一段井眼轨迹会呈现上凸弯曲，受其约束位于其中的钻柱也会存在上凸初弯曲。利用能量法对水平井眼中存在上凸初弯曲钻柱的屈曲问题进行了分析研究，推导出了屈曲载荷的计算公式。公式表明，水平井眼中当钻柱存在上凸初弯曲时其屈曲载荷的大小不仅与钻柱的长度、截面尺寸、材料以及钻柱与井眼之间的间隙等有关，还与钻柱上凸初弯曲的程度有关系，不可忽略其影响。算例分析表明，水平井眼中钻柱存在的上凸初弯曲会使其屈曲载荷减小，上凸初弯曲程度越大，屈曲载荷减小的幅度越大。     

水平井钻柱系统动力学特性分析模型的建立

相较于直井及斜直井,水平井应用较广,但目前关于水平井整体钻柱动力学特性的研究不够深入。为探究其动力学特性,基于有限单元法以及钻柱动力学方程,综合考虑弯曲井眼轨道、钻柱与井壁非线性碰撞接触等因素,建立水平井钻柱系统钻进仿真模型,将仿真模型结果与Johancsik模型对比,验证了仿真模型的准确性。通过模拟钻进全程来剖析稳定器、大钩载荷以及卡钻情况对钻柱系统整体动力学特性的影响。研究结果表明：三维模拟分析钻柱与井壁接触力及钻柱振动验证了稳定器可减少钻柱与井壁的碰撞;当卡钻情况发生时,水平段和竖直段钻柱屈曲特性逐渐从螺旋屈曲转变为正弦屈曲;较之于未施加大钩载荷的情况,施加大钩载荷后降低了钻柱的钻进速度,缓解了钻柱的振动,验证了实际作业中施加大钩载荷的必要性;经模拟分析确定临界大钩载荷,当在钻柱端施加的大钩载荷大于临界值时,钻柱在钻进过程中会发生卡钻的情况;当其小于临界值时,大钩载荷的值越大钻柱轴向进给及横向振动越稳定,钻柱与井壁的接触力越小,在实际钻井作业中可依据井况调整大钩载荷的值。研究成果可为钻柱研究设计及结构优化提供参考。     

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。     

气体钻水平井的钻柱振动分析

在水平井的钻井过程中,钻柱处于复杂的运动状态,振动是一种常见的现象,钻柱的共振是引发钻柱失效的主要原因之一。气体钻井过程中钻柱的动态响应很大,容易失效。以气体钻水平井的钻柱为研究对象,利用ANSYS软件分析了钻柱的轴向振动、横向振动、扭转振动及耦合振动,建立了钻柱各种振动的模型;通过实例分析获得了钻柱振动的规律,得到了水平井钻井过程中钻柱各种共振频率。该项研究为减少水平井钻具受损、优化钻井参数、避免钻柱共振提供了可靠的理论依据。     

考虑初弯曲时水平井眼中杆柱的稳定性

利用能量法研究了水平并眼中杆柱的稳定性，推导出水平并眼中具有初弯曲的杆柱稳定性轴向临界压力的计算公式，讨论了失稳变形曲线正弦半波数的确定方法，分析了初弯曲对轴向临界压力的影响。计算实例分析表明，轴向临界压力从r随初弯曲最大挠度a0的增大而减小，当a0较小时，Pcr减小幅度不大；当a0较大时，Pcr的减小较大。认为在分析杆柱的稳定性时，若初弯曲较大，就不能把杆柱当作直梁来处理，必须考虑初弯曲的影响。     

扶正器作用下的钻柱横向振动分析

以往对钻往横向振动的研究大都是将钻柱假设为两端铰支的简文梁，而没有考虑扶正器的作用。基于此，采用连续梁钻柱模型，推导出扶正器作用下的钻柱横向振动的频率方程和振型函数的精确解析式。所得公式对轴向受压钻柱、轴向受拉钻柱、无轴向力钻柱和有任意个扶正器及考虑钻柱自重等各种情况都适用。比较了连续梁钻柱模型和简支梁钻柱模型在固有频率和振型等方面的不同。通过实例分析，说明了扶正器数目越多，轴向压力对固有频率的影响越小，钻柱失稳临界压力就越大，即稳定性就越好。     

水平状态下钻柱的屈曲分析

在现有的水平状态下钻柱屈曲研究中,一般把钻柱看作均匀的等直径杆,认为钻柱在其自重的作用下,紧贴下井壁,因而通常把水平状态下的钻柱简化为在整个长度上受到井壁均匀支承的轴向受压的简支梁。而实际上处于水平状态的钻柱是由一些钻杆连接而成,每根钻杆都有两个接头。由于钻杆接头的直径较钻杆本体部分直径要大,并且为了抗磨,在钻杆接头附近装有抗磨衬节,因此只有在钻杆接头这一段才会和井壁接触,受到井壁支承,而钻杆本体并不受井壁支承。因此文中将整个水平钻柱看作是一个两端简支轴向受压的连续梁,而将钻杆接头这一段简化为连续梁的中间支座。在此基础上利用矩阵传递法对处于水平状态钻柱的屈曲进行了分析研 究,推导出了水平状态下钻柱稳定计算的特征方程,求出了水平钻柱的临界压力。计算表明,在水平状态下构成钻柱的钻杆的长度对钻柱的屈曲载荷有很大影响。     

初弯曲对钻柱横向非线性振动的影响

应用摄动法对具有一定初弯曲的钻柱横向非线性自由振动进行了研究。推导出了钻柱横向非线性振动的基频和一阶主振动的一次摄动解公式 ;讨论了初弯曲对钻柱横向非线性振动的影响。结果表明 ,初弯曲对钻柱横向线性振动没有影响 ;钻柱横向非线性振动的基频随着初弯曲最大挠度的增大而减小 ,初弯曲对钻柱横向非线性振动基频的影响随钻柱长度的增大而增大 ,随轴向压力的影响而增加。建议对于具有较大初弯曲且受有较大轴向压力的长钻柱的横向非线性振动应当考虑初弯曲的影响。     

钻柱横向非线性振动分析

以往的钻柱横向振动研究大都忽略了非线性因素, 为此应用摄动法分析了钻柱横向非线性振动, 推导出钻柱横向非线性振动的频率和主振动的一次摄动解公式。分析公式表明, 钻柱横向线性振动仅是钻柱横向非线性振动的一种特殊情况; 非线性因素提高了钻柱横向振动的频率, 改变了主振动的性态, 使其不再成为简谐运动; 非线性因素对频率的影响程度随着振幅、轴向压力和钻柱长度的增大而增加。对于受较大轴向压力作用长钻柱的横向振动, 应当考虑非线性因素的影响。     

水平井钻柱摩擦力的计算

本文介绍了不同工况下水平井钻柱摩擦力的计算方法。计算结果表明,起钻和井底动力钻具钻进两种工况,钻柱与井壁间有较大的摩擦力。并指出降低摩擦力的有效措施是将造斜率较大的井段放在井眼下部,采用油基钻井液及轻质材料钻杆。     

侧钻水平井钻柱动力学分析及应用

以侧钻水平井中的整体钻柱为研究对象,建立了侧钻水平井钻柱三维动力学分析模型。采用三维动力有限元理论,建立了描述空间内的钻柱振动的动力学方程。用PASCAL语言编制了 1套侧钻水平井钻柱振动分析及疲劳极限应力分析的软件,通过对大庆所钻的第 1口侧钻水平井高 16 0 -侧平 38井设计井身和实测井身数据对应的疲劳强度及响应内力的计算结果表明,该分析具有工程实用价值,对大庆及其它油田的侧钻井技术的开展具有一定的指导意义。     

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。