考虑运动状态时全井段钻柱疲劳裂纹扩展寿命计算研究

旋转钻进中钻柱既自转又反转,当其通过弯曲段或大间歇环空段时,偏心反转引起较大的弯曲应力,在复合载荷作用下常造成钻柱疲劳损伤。因此,钻柱疲劳寿命预测对钻柱的合理使用及损伤评估有重要价值。本文以全井段钻柱为研究对象,考虑了其进动与反进动状态,通过摩阻/扭矩分析确定了其轴向载荷及扭矩,并运用动力学观点分析了钻柱在不同井眼环空下的弯曲应力,由此计算出了全井段钻柱的合成应力,并结合Paris公式得出了钻柱疲劳寿命的计算方法。最后,编写了计算全井段钻柱受力和疲劳裂纹扩展寿命的计算机软件。算例表明,该方法能客观地反映井身结构、钻具组合及钻柱运动状态对钻柱疲劳裂纹扩展寿命的影响。     

180 t钻柱升沉补偿装置补偿功能试验研究

为了验证180 t主被动联合式钻柱升沉补偿装置的补偿性能是否满足设计要求,研制了采用逆向试验方法的补偿功能试验台。该试验台针对180 t钻柱升沉补偿装置的结构和功能特点,并对比正向和逆向试验方案对试验设备的需求以及对补偿精度测量的影响设计而成。反向模拟钻柱升沉补偿装置的使用工况,实现了180 t钻柱升沉补偿装置的补偿功能试验。该试验方案具有能耗低、结构简单和易于操作的特点,同时可用于开展具有主动补偿功能的天车型和游车型钻柱升沉补偿系统的补偿功能试验研究。试验数据与结果可为钻柱升沉补偿装置的现场应用提供参考。     

钻柱摩阻扭矩测试试验装置设计

现有的钻柱摩阻扭矩理论模型假设较多,导致计算值与真实值有较大差异,这严重制约了钻柱力学行为研究和钻井参数的优化。鉴于此,基于相似理论,考虑井斜角和方位角的变化,设计了可模拟不同井身结构的钻柱摩阻扭矩测试试验装置。该装置可有效测量不同钻井参数对钻柱摩阻扭矩的影响,可对任意角度的井斜角、方位角的井身结构的整体钻柱进行模拟。结合运动学和强度分析,验证了试验装置设计合理、安全可行。钻柱摩阻扭矩测试试验装置可用于竖直井、大位移井和水平井钻柱的摩阻扭矩分析、运动学和动力学等方面的研究,也可用于自动化钻井和页岩气开采等相关的科研及教学。     

钻柱与井壁振动碰撞特性的有限元分析

在考虑钻柱外钻井液的影响下，建立了钻柱与井壁碰撞的横向振动方程，并提出了分析振动碰撞特性的有限元计算模型，对碰撞力采用非线性弹簧和非线性阻尼器来描述，计算结果表明，钻柱与井壁之间的间隙，对钻柱的频响特性和碰撞力的大小有影响，本文的研究结果为实钻时避免钻柱的偏磨和钻柱寿命的预测提供了依据。     

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多年以来钻具过早失效问题一直困扰着钻井界。在钻具失效案例中,连接累纹疲劳失效占很大的比例。钻具连接螺纹疲劳失效是由于交变弯曲应力引起的,这些交变应力集中在连接螺纹消失处附近。减少连接螺纹弯曲应力延长钻具连接 螺纹的疲劳寿命。文章提出并研究了一种新的钻具连接螺纹减应力区,它是通过区的轮廓线为连续的光滑的二次曲线,圆弧线,抛物线和椭圆线。这可以避免在减应力区出现应力集中和出现“细脖子”现象。并且这些曲线在机械加工上是可行的。用有限元技术优化了减应力区的几何形状,并分析了减应区的开口位置、开口深度和开口宽度等几何参对应力释放效果的影响。并对减应力区的强度进行了分析。     

全井中钻柱的有限元模型及应用

运用定向井或水平井眼中钻柱的有限元分析模型,将钻柱的总量变形分为钻柱相对于井眼轴线的变形和弯曲井眼迫使钻柱产生的初始变形,使复杂的钻柱非线性问题得以简化。通过一口水平井在其增斜段钻柱全氏的受力与变形的计算,可以看出不同载荷条件下,钻柱和井壁的接触状况,以及大钩载荷。用该模型对下部钻具组合进行了非线性分析,将非线性分析结果和线性结果做了比较。对钻柱的摩阻负荷进行了计算,提高了准确性。算例表明结果是合理的,为钻柱及下部钻具组合的力学分析提供了一个新的计算方法。该方法同样适用于套管柱的力学分析。     

油气井杆管柱动力学基本方程及应用

随着油气田开发的需要,自本世纪50年代以来,针对油气井杆管柱力学的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究,但所有的研究工作都是基于某项特殊需要而进行的,未形成统一的理论。文中通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析,建立了用于对油气井杆管柱进行各种力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程,介绍了在油气井杆管柱的拉力和扭矩计算、下部钻具力学分析、油气井杆管柱的稳定性、有杆泵抽油系统井下工况诊断与预测、钻柱振动和热采井管柱力学分析中的应用。     

复杂变时滞作用下的钻头纵扭耦合非线性振动

油气探采中的钻柱是一个纵扭耦合的超大柔性转子系统,该系统在钻头-岩层切削界面的时滞、非光滑效应作用下极易产生破坏性的黏滑振动失稳并造成钻柱失效.研究围绕钻柱纵-扭耦合动力学及时滞稳定性问题展开,考虑钻柱内部结构阻尼、外部阻尼、重力、钻井液浮力以及更一般的顶部边界,建立了钻柱4自由度缩减模型.同时,基于井底钻头存在跳钻与扭振的实际工况,在钻头-岩层界面引入了多重再生切削效应,建立了复杂变时滞作用下的钻柱纵扭耦合非线性动力学模型.随后,基于半离散法,得到了该系统的线性派生时滞系统的稳定性判据,并在转速-钻压参数平面得到了稳定钻进的参数包络线.通过参数研究,分析了顶部边界条件、岩层强度等因素对钻柱参数空间稳定性包络线的影响.同时,通过对系统的时域非线性仿真,验证了稳定性分析的正确性并重现了井底钻头的黏滑运动、跳钻、钻头反转等多种强非线性运动.最后,对时滞引起的钻柱自激振动,通过优化的顶部柔顺边界实现了振动抑制,为钻柱纵扭耦合振动的抑制提供一种简单有效的思路.     

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作者利用有限元方法开发了一种计算机程序,模拟滑动钻井时井眼钻柱的弯曲形状,以钻柱的“准螺旋”理论来判断钻井液在这一井段携砂的 难易程度。并结合流体力学方法,预测严重沉砂井段及一般沉砂井段的位置。这种预测方法可以作为钻井时防止井下事故的辅助手段之一。程序在海上油田进行了验证,获得了较满意的结果。此程序的编制算法已申报了国家发明专利。     

钻柱纵向振动分析与应用

利用钻柱纵向振动数学模型,分析了钻柱轴向应力振幅分布曲线和钻柱中最大轴向应力幅频曲线的特征以及钻井液粘度、激励位移、减振器位置对钻杆中最大轴向应力振幅的影响。分析表明：钻柱中轴向应力振幅沿纵向呈波状分布,其最大值在钻柱底部或钻杆中;钻杆中的最大轴向应力振幅随转速的变化曲线呈凹坑形,为了保护钻柱,应该选择凹坑中间的转速带;钻杆中的最大轴向应力振幅和钻柱底部的轴向应力振幅随转速的变化趋势并不完全一致,以后者作为判断钻柱是否共振和优选转速的指标不够准确,而应以前者作为该指标;钻杆中的最大轴向应力振幅与激励位移大致成正比;钻井液粘度越高,钻杆中的最大轴向应力振幅越小;减振器位置可以改变钻柱纵振系统的固有频率,从保护钻柱角度考虑,低转速时,减振器应紧靠钻头安装,高转速时,减振器应与钻头保持一定距离;通过优选钻具组合和转速,防止钻柱共振是预防钻具失效的有效措施