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。     

底部钻具组合的涡动特征分析

编制了井底钻具组合动力学特性的模拟程序,模拟结果与文献中的结果对比表明,所编模拟程序的模拟结果正确。利用井底钻具组合动力学特性的模拟程序模拟了钻铤形心的径向速度、径向加速度、涡动加速度、涡动速度功率谱以及相图,较全面地反映了井底钻具组合的动力学特性。结果表明:井底钻具组合在特定的情况下可以做规则涡动,更多的是做非规则涡动,没有运动周期;做规则涡动时,钻铤形心的涡动速度较小,其径向速度、径向加速度和涡动加速度均为0。在文中条件下,钻铤形心的涡动速度高达568.73 r/min,远大于规则向后涡动速度(79.41 r/min),该种状态的出现对钻具组合的导向能力及安全性将造成很大的的影响,值得进一步探讨。     

考虑非牛顿流体螺旋流动的钻井井筒温度场研究

准确了解钻井过程中井筒温度及其变化规律对于安全、高效钻井具有重要的意义。根据热力学第一定律及传热理论,建立了完整的钻井循环过程中温度场数学模型,分析了井筒中非牛顿流体螺旋流动的传热机理以及水力学能量和机械能量对井筒温度场的影响规律,对高温高压循环当量密度计算和井筒温度控制方法进行了初步探讨。模型计算结果与现场试验数据吻合较好。由数值模拟结果得出:在井深2 000.00 m处,钻柱转速从0 r/min升至200 r/min时该处温度升高4.5 ℃;在井深5 000.00 m处,钻柱转速从0 r/min升至200 r/min时该处温度升高7.8 ℃。研究结果表明,井底温度随钻柱转速的增加呈指数增长,随着井深的增加,钻柱旋转对井底温度的影响更加明显。建立的温度场模型可为高温高压地层钻井水力学设计和现场作业过程中的温度控制提供理论参考。      

钻柱涡动对环空压耗影响的数值模拟

本文利用Gambit建模并且通过Fluent软件对钻柱涡动对环空压耗的影响进行数值模拟,研究探讨了钻柱涡动时环空流场的速度场和压力场与无涡动时的环空流场特性和压耗的区别,研究得知钻柱的涡动会增加环空内的压力损耗。     

全井钻柱系统多体动力学模型

采用绝对节点坐标法建立了三维井眼全井钻柱系统多体动力学模型,将大长细比全井钻柱离散为绝对节点坐标梁单元,讨论了梁单元格式,并研究了井口、钻头处边界以及钻柱与井壁的接触/摩擦模型,给出了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,全面计算分析了全井钻柱系统的受力变形、摩阻扭矩、耦合振动、涡动、动力屈曲等力学特性,可在钻柱动力学研究和工程应用中发挥作用。     

涡动条件下钻柱的屈曲分析

建立了涡动条件下钻柱屈曲的平衡方程。在弯曲挠度为小变形和钻柱中轴向力为0的条件下,采用理论方法分析了钻柱的弯曲挠度、屈曲应力随转盘转速变化的情况。当涡动速度增加导致钻柱的弯曲挠度增加和钻柱中存在轴向力时,钻柱的弯曲挠度以及交变应力的大小就需要通过非线性有限元来进行分析。使用非线性有限元方法求解了不同轴向拉力条件下钻柱的弯曲挠度、最大应力、最小应力和应力幅度。计算结果表明,不考虑轴向力时,理论分析结果与非线性有限元分析结果精度较高且具有一致性;当钻柱中轴向拉力大于200 kN时,由涡动引起的交变应力对钻柱的影响可以忽略;适当增大钻铤长度可以减轻钻柱的疲劳失效。     

涡动钻柱内赫巴流体的流动特性研究

为了揭示钻井液在钻柱内的流动特性,采用数值模拟方法建立了涡动钻柱内赫巴流体的流动模型,结合流体力学相关理论,对比分析了速度剖面与表观黏度剖面,研究了钻柱自转速度、公转速度、轴向流速及流体密度等参数的变化对钻柱内流场的影响,得到了各参数对涡动钻柱内摩阻压耗的影响规律。研究表明,公转速度正向增大或反向减小时摩阻压耗都有减小的趋势,自转速度增大时摩阻压耗有增大的趋势。由此可见,考虑钻柱涡动的摩阻压耗变化规律,可使涡动钻柱内钻井液的描述更接近于实际钻井工况,有助于钻井液循环系统的优化。      

深井钻柱疲劳强度计算与分析

钻柱疲劳失效的机理分析表明,钻柱在振动和进动工况下,受到拉、压、弯、扭等组合交变应力作用,发生疲劳破坏是其失效的主要形式。通过钻柱受力分析,给出钻柱轴向应力、弯曲应力、扭转应力、径向和周向应力,以及附加剪应力的计算公式。根据疲劳强度理论,建立了钻柱在不对称循环应力状态下的疲劳强度条件。结合实际算例分析,找出钻柱危险点处疲劳安全系数随井深、转盘转速和钻压的变化规律,有助于钻井参数的调整。     

BA6S井钻杆失效机理

针对东海平湖油田BA6S井钻杆严重刺漏问题,通过研究加厚过渡带理化性能、拉弯扭复合作用下过渡带应力分布、内流道流场特征、基于实际井眼轨迹的钻柱动力学特性及钻杆疲劳特征,详细分析了钻杆失效的机理。研究表明:失效钻杆样品涂层的个别部位严重偏薄,管材中含有较高指标的氮化物,易降低钻杆的冲击韧性;复合载荷作用下过渡段具有较高的应力水平,增加了失效风险;钻杆过渡带附近有较为显著的涡动,内部流场对钻杆产生的总压力较大;较大的井眼狗腿度增大了钻柱动态疲劳系数,导致钻柱更易发生疲劳失效。     

超深井上部大尺寸井眼稳定器接头母扣失效机制

顺北区块超深井?444.5?mm大尺寸井眼井段长达5000?m,不但需要面对提速、控斜难题,而且存在稳定器母扣频繁失效问题.为此,从钟摆钻具组合(BHA)动力学分析着手,探讨了大尺寸井段稳定器母扣失效机制.基于钻柱动力学有限元方程,研究了大尺寸井眼中BHA稳定器处的复杂动力学特征,确定了稳定器母扣附近的动态弯矩和涡动特...     

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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。     

带旋转导向工具底部钻具组合的动力学特性分析及参数优化

带旋转导向的底部钻具组合（RSBHA）在钻井过程中发挥着极其重要的作用,现场更多关注的是其导向能力,对它的工作状态平稳性没有严格要求。为防止RSBHA的剧烈振动和失效事故,建立了RSBHA的动力学模型,运用有限元法分别计算分析了不同结构、不同转速、不同钻压条件下的底部钻具组合的动力学特性,求得了动态位移和动态弯曲应力。结果显示:合理安放稳定器能够有效地减弱RSBHA的横向振动,降低其动态弯曲应力;转速对RSBHA的动态弯曲应力影响很大,当转速为100 r/min时应力水平最低,180 r/min时应力水平最高;带旋转导向的钻具组合结构合理时,增大钻压时,其横向位移变化较小,动态弯曲应力分布比较合理。该结果为进一步研究RSBHA提供了理论依据。     

气体钻井中钻柱失效试验研究

为了研究气体钻井中钻柱在冲蚀和振动工况下的力学性能,通过使用新研制的能模拟气体钻井钻柱同时受到振动及冲蚀情况的试验装置,进行了不同钻具组合情况下钻柱力学性能试验和钻柱冲蚀试验。试验结果表明,气体钻井过程中,钻柱所受交变应力波在由底部钻柱向上传播时有一定的衰减,但衰减程度不大,所以下段钻柱的应力值对上段钻柱的受力有较大影响;钻柱绕井简反转将增大钻柱所受的交变应力,且转速越高交变应力变化越大,从而加深钻柱损伤程度;钻柱冲蚀量随着注气量的增大而增大,但其增大是非线性的。     

钻压波动导致的钻柱参激振动分析

研究和探讨了钻柱轴向压力随时间变化时所激发的钻柱振动问题，建立了变参数的钻柱横向振动方程，然后利用多尺度方法对这一钻柱参激振动响应及动力失稳进行了分析和计算。     

铝合金钻杆的动态特性及磨损机理分析

根据塔里木油田某井铝合金钻杆材料特点和实际磨损情况,运用有限元法分析了铝合金钻杆在地面旋转驱动时的涡动轨迹、涡动速度、轴向速度和加速度。将其与钢钻杆的动力学特性进行的比较结果表明,铝合金钻杆在接近井壁区域内大部分时间作向前涡动,且涡动速度较大,使得铝合金钻杆易产生划痕、压痕等损伤。这也解释了俄罗斯在使用铝合金钻杆中要求尽可能采用井下动力驱动的力学机制的原因。与钢质钻杆相比,铝合金钻杆的轴向加速度较大,但其轴向力及波动幅度较小。     

下部钻柱与井壁接触对钻柱失效的影响

在石油钻井中，下部钻柱与井壁之间存在十分强烈的碰摩作用，影响下部钻柱的横向运动状态，还可能诱发或加剧下部钻柱失效。应用下部钻柱运动状态分析模型，模拟研究了下部钻柱与井壁接触对钻柱失效的影响机理及规律。研究表明，下部钻柱与井壁的碰摩作用使下部钻柱反向涡动，产生高频的交变弯曲应力，会加速下部钻柱疲劳破坏；下部钻柱与井壁接触点处存在较大的高频冲击力，并且接触区域靠近钻铤螺纹联结处，更容易诱发螺纹联结处失效，该研究成果可为预防钻柱失效提供理论依据。     

钻柱涡动特性分析

钻柱绕自身轴线旋转时,绕井眼轴线的转动叫涡动。介绍了钻柱涡动的概念、成因及状态描述,然后通过计算钻柱在不同涡动角速度时摩擦力所消耗的能量,分析了形成不同涡动形式的可能性和主要影响因素。认为钻柱在形成涡动过程中要消耗较多能量,涡动形成后就变成相对稳定的运动状态。认为,减小环隙不会引起钻柱内应力循环频率无限增大。根据钻柱涡动解释了钻铤偏磨和井底多凸图案的成因,并分析了涡动对并斜的影响。