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。     

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。     

钻井液对钻柱横向振动和稳定性的影响

作者在假设无扶正器的钻柱为均质等截面弹性管、两端为铰支座的条件下,研究了钻井液流动对钻柱横向振动和稳定性的影响,导出了振动的频率方程和失稳的临界方程。钻井液在钻柱内流动将增加钻柱横向振动惯性质量、侧向惯性作用力和诱导钻柱振动。当钻柱的轴向力一定时,钻井液流速增大,钻柱横向振动频率降低。流速大于钻柱振动基频为零的流速时,钻柱将发生失稳现象。     

钻柱在钻井液反馈影响下的横向振动

在假设钻柱为无扶正器的均质等截面弹性管，且两端为铰支的情况下，既考虑钻柱内钻井液流速和轴向力对钻柱振动的影响，又考虑振动的钻柱对钻井液的反馈影响，建立了钻井液在钻柱内流动时钻柱横向振动微分方程，推导出钻井液波动压力计算式，并给出了钻柱横向振动固有频率方程。定性分析时取频率方程前两阶进行近似计算，讨论了钻井液滚动压力对钻柱固有频率的影响。     

钻柱力学研究现状及进展

钻柱力学是井眼轨道设计和控制、钻柱设计及钻井参数优选的基础。从钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态、钻柱动力学基本方程、钻柱的拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱振动与涡动等方面分析了钻柱力学的发展状况。钻柱力学已经形成了比较完整的理论体系。钻柱静力学发展快，计算精度高。动力学发展则滞后较大，还有很多问题没有解决。结合现代钻井技术的发展趋势，对钻柱力学研究的未来走向做了初步探讨。基础理论研究、系统控制论理论与研究方法、动态特性测试及虚拟仿真技术将在钻柱力学的未来发展中扮演重要角色。     

气体钻井钻具组合瞬态动力学特性初探

钻柱转动时切向摩擦力会引起钻柱侧向位移,但采用钻井液钻井时其摩擦系数较小,因此该位移常被忽略不记。但在气体钻井时,其摩擦系数增大,该部分位移则不得不考虑。以弹性力学、材料力学为基础,考虑切向摩擦力对钻柱变形的影响,建立了转动钻柱在斜直井中三维瞬态动力学模型及力学方程,并采用龙格-库塔法求解方程数值,分析了钻井参数、滚动摩擦系数、滑动摩擦系数及井眼结构参数等对下部钻具组合变形的影响。分析结果表明:钻压增大,钻柱的变形量加大,钻柱变形节距减小,钻柱振动加剧,但对下部钻具的摩擦扭矩影响不大;井斜角增大,钻柱与井壁的接触力及摩擦扭矩增大,钻柱的变形节距减小;环空间隙减小,钻柱变形角增大,钻柱变形节距减小;钻井流体的密度越大,下部钻柱变形角越小;井斜角增大,不仅影响下部钻柱变形的大小,而且影响着变形方向。     

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。     

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。     

深井高温对钻柱横向振动固有频率影响研究

钻柱共振是引起深井钻具失效的主要原因。钻柱在深井段处在一个高温的环境下,温度的升高必然使钻柱的固有频率发生变化。为此,分析了井下高温对钻柱横向振动固有频率的影响,推导出井下任意温度时在轴向力作用下钻柱横向振动固有频率的计算公式。通过实际算例,分析了考虑轴向力因素时井下高温对钻柱横向振动固有频率的影响。计算结果表明随着温度的升高,钻柱横向振动的固有频率逐渐降低,其降低的幅度随着轴向压力的增大而增大;轴向压力较大时,温度对钻柱横向振动一阶固有频率的影响远大于对二阶固有频率的影响;轴向压力对钻柱一阶固有频率随温度变化的影响程度远大于轴向拉力的影响程度。     

油气井管柱冲击动力问题研究概况和发展趋势

钻采作业中经常遇到管柱冲击动力问题。具体工况包括：①射孔和爆炸松扣解卡时,炸药爆炸引发的管柱冲击振动;②用震击器解卡时,突然泄流和震击力引发的管柱冲击振动;③钻柱、套管柱、油管柱、抽油杆柱断脱或刹车不灵或操作失误,导致管柱沿井筒向下滑落冲击井底或泵阀,以及管柱下放时突然遇阻的情况。对文献的相关研究进展进行了评述,并介绍了油气井管柱力学三原理、油气井管柱动力学基本方程、油气井管柱的屈曲和拉力扭矩分析、钻柱动力学、直杆和薄壁管在轴向冲击作用下的应力和变形、以及有限元力学仿真的研究进展;最后,对管柱冲击动力研究的力学模型、数学模型、求解方法和预期结果等提出了建议。     

大位移井钻柱振动规律研究与应用

在大位移井钻井工程中钻柱受着各种振动，当各种振动共振时，钻柱承受着非常大的动载，很容易受损，同时，钻柱的振动影响着井壁的稳定，严重威胁着井下的作业安全。以大位移井近井底的钻柱为研究对象，分析了钻柱振动行为所遵循的规律。采用线性分析法，获得了大位移井钻柱横向振动和扭转振动的频谱方程。同时获得了钻柱各种共振频率的分布。经分析表明：大位移井钻柱的横向振动和扭转振动的共振频率与实际钻井转速非常接近，应合理选择转速以减小钻柱共振的发生。文章的分析研究为大位移井钻柱动态行为的研究提供了理论依据。     

钻柱系统纵向振动等效网络分析

忽略阻尼对钻柱振动的影响,在一维钻杆纵向振动方程的基础上,推导出单根钻杆和多根相同钻杆纵向振动的等效网络。利用等效网络级联理论,结合钻柱系统边界条件,给出了钻柱纵向振动的等效网络和机械等效阻抗表达式,并阐述了根据机械等效阻抗确定钻柱纵向振动机械共振频率的原理和方法。由等效网络分析法和ANSYS有限元法对2例钻柱纵向振动机械谐振频率的计算结果表明,利用等效网络分析法计算钻柱纵向振动的机械谐振频率,具有直观、简单易用、计算速度快的特点,其计算结果与ANSYS有限元法的数值模拟结果一致,是一种行之有效的方法。     

非连续性旋转导向钻具组合的广义纵横弯曲法

旋转导向系统底部钻具组合的三维力学分析是导向工具设计和井眼轨道控制的基础。结合有限元单元划分思想和纵横弯曲法梁理论,提出了广义纵横弯曲法。将钻柱分解为若干单元,以节点处的弯矩、转角、挠度和到钻头的曲线长度作为广义坐标,以井眼轴线作为参考构型,采用梁理论建立单元受力变形方程,同时补充节点边界条件和特殊连接边界条件,组装单元方程和边界方程得到系统方程组,选取牛顿迭代法进行数值求解。与经典算例进行了比对,计算结果相吻合;以某型非连续性旋转导向钻具组合为例研究了井斜角、造斜率和钻头侧向力的关系,分析了造斜能力并给出了最大造斜率,论证和演示了广义纵横弯曲法的正确性和实用性。     

非线性有限元在水平井中的应用

在钻探水平井尤其是大位移水平井中,事先较准确地预测出钻柱的钻进扭矩及钻头前进的方向,是取得水平井成功的关键条件之一.文中探讨了非线性有限元在预测水平井钻井中的钻柱扭矩及钻头前进方向方面的应用.利用有限元理论,着重分析了水平井实际钻进中的钻柱大变形非线性及钻柱与井壁的接触非线性问题,导出了一套非线性有限元钻柱力学模式,在此基础上编制了一套非线性力学计算程序软件,并在海洋石油南海西部石油公司一个钻井平台水平井钻井进行了5口井的实际验证,获得了一些带启迪性的结论.