竖直井底部钻具动力学特性的有限元分析

在石油钻井过程中,钻柱的运动过程非常复杂,不仅存在纵向、横向、扭转振动,而且还与井壁发生随机接触碰撞和摩擦.充分考虑钻柱与井壁以及钻头与岩石的随机碰撞作用,建立了竖直井底部钻具系统(BHA)非线性动力学有限元模型,研究了工作过程中的BHA系统的纵向、横向和扭转振动,分析了钻柱在受到井壁约束下的瞬态动力响应特性,探讨了B...     

低固相聚合物钻井液在大邑地区的应用

大邑区块地质条件复杂,井壁稳定性差,裂缝发育导致漏失严重,可钻性差.研究表明,钻井液的固相含量与钻柱的振动密切相关,固相含量的提高增加了钻井液的粘度,同时增加了阻尼作用.在大邑区块使用低固相钻井液钻井时,钻具振动减少,钻具失效相对较少;而用无固相钻井液时,钻具失效严重.BHA横向振动衰减有限元分析表明,使用低固相钻井液,钻柱阻尼作用得到增强,钻柱横向振动衰减越快,承受交变复杂应力的时间越短,越不容易出现疲劳失效.     

气体钻井全井段钻柱动力学研究

采用有限元法开展气体钻井全井段钻柱的非线性动力学运动过程模拟研究。建立了某井全井段塔式钻具的三维模型和钻头与岩石以及钻柱与井筒之间的接触关系,分析了钻柱在动态钻进过程中的力学参数,得出气体钻井全井段钻柱的运动规律以及对钻柱寿命的影响。对气体钻井中钻柱力学、井斜控制等方面的深入研究具有指导意义。     

下部钻柱有限元动力学仿真研究

针对下部钻柱在钻井过程中的振动状态,分析了振动机理,并建立下部钻柱组合节点单元三维动力学模型,运用强迫频率理论和高斯列主消元法对动力学方程组进行求解,得到不同转速下的最大径向变形及弯曲应力,绘出相应的幅频响应曲线,确定相应的临界转速.研究表明,钻柱转速对钻柱振动影响较大,通常钻柱工作转速要避开钻具组合谐振频率,可减缓钻柱振动,保护钻柱.     

气体钻井井斜机理分析

随着气体钻井技术的广泛应用,气体钻井过程中的井斜问题日益受到关注,但其机理研究还有所欠缺。本文结合气体钻井井斜的特殊性,从破岩机理、温度、地层因素、井径扩大、下部钻具组合运动状态等方面分析了气体钻井的井斜机理。分析结果表明：与钻井液钻井相比,井底岩石应力状态变化导致地层各向异性指数显著增加,是气体钻井容易井斜的根本原因;井径扩大以及整体钻柱所受摩阻变化影响下部钻具的运动特性,是气体钻井易井斜的重要原因。为此,提出了几点解决气体钻井井斜问题的技术思路,供气体钻井防斜进行参考。     

气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究

全井段钻柱在井内运动过程是一个非常复杂的非线性动力学问题,不可能得到比较完美的解析解,如果采用室内试验或者现场试验研究,其成本又会很高且很难实现.因此,在弹塑性力学、岩石力学和钻柱力学的基础上,以四川某井基本钻井参数和钻具组合为依据,采用有限元法建立了塔式钻具钻至1486m井深时的全井段三维钻柱模型和相应的井筒模型,并且建立了钻头与岩石以及钻柱与井筒之间的随时间变化且有摩擦系数的接触关系和相对应的泥浆钻井模型,对比分析了钻柱在动态钻进过程中的井口参数、钻头上压力和转动速度以及全井段钻柱的弯矩扭矩变化等结果,得出气体钻井与泥浆钻井全井段钻柱的运动规律以及钻铤失效机理的差异.为认识气体钻井全井段钻柱的运动规律提供了新的研究方法,对气体钻井中钻柱力学、井斜控制和设备等方面的研究都有较好的现实意义.     

气体钻井预防钻具失效分析

气体钻井具有自身特点,气体钻井钻具受高速流体冲蚀作用,钻具磨损严重,空气锤反馈的冲击波使钻具接头螺纹容易断裂,气体钻井钻具频繁失效进而影响钻进速度,增加钻井成本。基于岩石力学和气固两项流理论,对气体钻井钻具受流体冲蚀进行分析 ,建立了环空混合物返速模型,实例计算回压对环空返速的影响。为避免钻具受高速流体冲蚀,应使环空混合物返速介于最小携岩速度和临界冲蚀速度之间。基于力学理论,提出增大井口回压的方法,推导出钻具接头螺纹在预紧力作用下的变形协调方程,应用有限元对钻具螺纹进行应力分析,找出钻具螺纹接头各螺纹牙载荷的分布规律,得出螺纹应力集中区,给出预防钻具失效提高螺纹强度的措施。     

油气深井随钻扩眼钻柱扭转振动分析

针对深井、超深井、高压油气井等钻井作业中安全高效的扩眼问题,研究随钻扩眼钻具组合在井下的实际受力情况,对随钻扩眼钻进钻柱扭转振动进行了三维有限元模拟,提出了研究扩眼器的质量偏心、钻机顶部支撑等因素对扭转振动作用的力学分析模型,并讨论了随钻扩眼钻具组合的扭转振动频率和动力学强度等力学问题.通过分析提出了在实际施工作业中减少扭转振动带来危害的技术措施,为油气深井高效随钻扩眼的钻井参数的优化和安全钻进提供了理论基础和参考依据.     

钻柱纵向振动模型的建立及求解方法

在牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,将钻头在井底作纵向往复运动的位移作为钻柱纵向振动的下端边界条件,在适当简化的条件下,利用弹性杆理论和单元法建立了钻柱在钻井过程中由于钻头与岩石互作用及钻柱的弹性变形而导致钻柱产生纵向振动的动力学模型在给定初始条件和边界条件的情况下,采用数值计算方法求解了钻柱纵振模型。为进一步弄清钻头、钻柱在钻井过程中的实际运动规律和动力学性能,改进钻头、钻柱的设计方法,预防钻头、钻柱早期失效奠定了基础。     

油气井钻柱系统非线性自激振动机理研究

油气井钻柱系统受到外部扰动容易引发非线性自激振动。以钻柱黏滑振动为例,建立了钻具与岩石间的非线性扰动扭矩模型及钻柱系统双自由度集中参数模型。首次提出了钻柱系统的等效阻尼扭矩公式和相对于平衡位置的能量公式,揭示了等效阻尼扭矩对激发钻柱黏滑振动所起的作用,探索了发生黏滑振动时钻柱系统能量的变化规律,分析了钻柱系统的非线性自激振动机理。仿真结果表明,在非线性扰动的作用下,钻柱系统出现负阻尼,等效阻尼扭矩对系统做正功,系统从外界吸收振动能量,破坏了系统平衡点的稳定性。钻具转速反馈作用调节能量输入使钻柱系统维持不衰减的持续振动,每个振动周期内系统输入的能量等于系统耗散的能量。钻具转速振幅较小时能量增加,转速振幅较大时能量减少,且钻柱系统吸收的能量主要转化为系统的势能。