井下钻柱横向振动冲击力计算模型研究

分析井内中性点以下钻柱特征,可将小段钻柱简化成一端固定,一端滑动支座铰支的简支梁,钻柱在轴向动态激振力的作用下失稳,挠曲后中段撞击井壁。在失稳至撞击过程中,轴向动载荷和因钻柱旋转引起的离心力对钻柱做功,能量转化为钻柱的动能,随后钻柱撞击井壁的过程是钻柱动能和动量传递的过程。首先分析了钻柱简支梁模型的要素,然后利用动力学方程和能量守恒定律建立了单次失稳过程中通过轴向动载荷及钻柱转动参数计算钻柱动能的数学模型;最后通过动量定律,推导出单次撞击过程冲击力大小与钻柱动能的计算公式;从而构成了估算中性点附近钻柱横向振动冲击力完整的数学模型,得到了钻柱公转速度、横向振幅以及轴向动态激振力与冲击力大小的函数关系,为计算井下受压段钻柱横向振动冲击力提供了依据。文中给出了上述数学模型的实际算例。     

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。     

利用有限元进行BHA瞬态动力学失效分析

钻柱由于轴向力的作用,在一定条件下发生屈曲,诱发横向振动,使钻柱的一些部位与井壁碰撞,加剧套管磨损。根据钻柱的实际工作情况,建立钻柱韵动力学模型;通过ANSYS软件,用Newmark方法进行分析,提取钻柱上的危险点。结果表明,钻柱的实际断点一般都接近危险点,且断点处交变应力的变化幅度比较大,说明分析方法是有效的,同时,也为钻柱的失效提供了理论依据。     

深海天然气水合物钻探取心钻柱振动模态分析

作为深海天然气水合物钻探取心系统必不可少的关键部件,钻柱在深海复杂环境钻探取心过程中承受着非常复杂的外力,不可避免地会产生横向振动、纵向振动、扭转振动及其耦合振动。钻柱的共振会引起钻柱本身甚至整个钻探取心系统的严重失效,进而导致无法成功获取深海天然气水合物岩心。为此,根据国内外相关振动理论的研究成果,结合深海天然气水合物钻探取心的特点,利用ANSYS有限元方法对钻柱转动过程中的横向振动、纵向振动及扭转振动进行了模态分析,确定出钻柱的固有频率和临界转速,为避免钻柱的共振提供了理论依据,同时还得出以下结论：①当外力的激振频率和钻柱的固有频率相同时,钻柱内的交变应力和振幅相当大,此时会引起钻柱的共振,整个钻柱的振动加强;②横向振动引起共振的可能性比较小,纵向振动和扭转振动引起共振的可能性较大。     

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。     

钻柱瞬态动力学失效分析

目前钻柱瞬态动力学的研究大部分处于理论阶段,计算工作量大,而且针对钻柱的动态失效分析还比较少。为此,考虑钻柱轴向力的作用,在一定条件下发生屈曲,诱发横向振动,使钻柱的一些部位与井壁碰撞,建立钻柱的动力学模型;通过ANSYS软件,用Newmark方法,分析钻柱承受任意随时间变化的钻压的动力响应,提取钻柱上的危险点。实例计算和分析结果表明,钻柱的实际断点一般都接近危险点,且断点处交变应力的变化幅度比较大,从而为钻柱的失效和断裂提供了理论依据。     

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。     

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。     

空气钻井条件下钻柱振动特性研究

空气钻井过程中钻柱损坏问题严重,直接影响到了钻井成本并威胁钻井安全,共振是引起钻柱失效的主要原因之一,故需要对其振动特性进行分析和研究。为此,在理论分析的基础上,建立了钻柱振动有限元模型,利用ANSYS软件对空气钻井钻柱振动特性进行了数值模拟。研究结果表明：扭转和纵向振动固有频率数值较大,共振区域窄;横向振动固有频率很小且各阶频率间隔小,共振区域宽;钻柱扭转、纵向振动和横向振动特性受钻柱长度影响很大;空气钻井中钻柱纵向振动和横向振动的固有频率比常规钻井中钻柱振动的固有频率要高很多。谐响应分析结果表明：钻井液的存在使钻柱低频共振响应显著加强,而高频共振减弱;钻井液对钻柱安全有着积极的影响。在进行空气钻井时,需要根据不同的钻柱长度和钻柱组合,动态选择合理的转盘转速。该研究成果对空气钻井转速优选具有一定的指导意义。     

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。     

下部钻具组合横向振动固有频率的计算

根据下部钻具组合的动力学方程，推导出下部钻具组合横向振动固有频率的计算公式，该公式可适应不同形式的下部钻具组合。指出下部钻具组合横向振动频率取决于下部钻具组合的结构型式，并且受钻压、转速和钻井液密度等操作参数的影响。     

底部钻具组合三维静力分析

考虑钻井液和钻头的工作扭矩对钻柱横向变形的影响，分析了扶正器与井壁间的作用，用传递矩阵方法建立了定向并中底部钻具组合的三维力学模型，研制了相应的计算机程序，能有效地计算钻柱对钻头的横向作用力和确定钻头轴线的方向。     

钻柱力学研究中几个值得探讨的问题

钻柱力学主要研究钻柱的强度和井眼轨迹控制问题。近年来，在钻柱稳定性研究和下部钻具静动态力学分析方面，有些研究人员采用的钻柱在钻头处不受弯矩的边界条件、几何非线性分析方法、斜井段钻柱的稳定性分析方法和下部钻具组合动力分析的定解条件值得探讨。通过分析，指出了某些不确切的提法及症结所在。确切的提法应是：（１）钻柱在运动开始之前处于静力变形状态；（２）钻柱在井底钻头处为铰支座约束。     

双作用钻具减振器的工作原理及工作受力分析

双作用钻具减振器由于其独特的结构而具有减缓或消除钻具纵向振动和扭转振动的双重功能。本文阐述了这种减振器的工作原理、二况受力分析及主要结构设计依据,可为使用这种减振器的钻井工程技术人员提供技术参考。     

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。     

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。     

底部钻具组合性能分析的传递矩阵方法

在介绍传递矩阵方法处理问题的基本原理后，用传递矩阵方法分析弯曲井眼内多扶正器底部钻具组合的力学性能，并建立了能适合于任何底部钻具组合变形和受力计算的模型，推导出计算钻头侧向力、扶正器约束反力和扶正器处内弯矩等计算公式。研究表明，用传递矩阵方法处理底部钻具组合的力学问题，具有简捷、准确和使用规律性强、程序设计简单等特点。     

ZJ45J钻机起升系统动力学的试验研究

分析和研究了ZJ45J钻机起升动力学试验所获得的示波图及数据,推荐了可用于实际生产的参数。此外,还着重对钻机吊升机构和起升系统的起升动力学问题开展了研究,确立了多自由度的力学模型,建立了运动微分方程。运用斯.铁摩辛柯等人的理论求得了方程组的解析解及动载系数。最后利用电子计算机求得了运动方程的数值解及动载系数值。     

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。