石油钻井底部钻具组合大挠度三维分析

精确描述了石油钻井底部钻具组合在三维弯曲井眼中的变形约束条件及边界条件，应用加权余量法，对底部钻具组合静力大挠度问题进行了三维分析研究，并编写了相应的计算机分析程序。该程序可以在普通微机上运行，能迅速模拟计算底部钻具组合任一点的挠度、转角和内力，同时求得钻头对地层的机械作用力和偏转角。通过算例分析，本文初步阐明了井眼曲率及方程中的非线性项对钻头力学特性的影响效果。     

仿射坐标系在钻柱动力学中的应用

三维井眼中转动钻柱受力分析是钻柱动力学理论研究中的难点,首先要处理三维弯曲井眼中钻柱的初始弯曲,而且在分析过程中要考虑弯曲井眼方位、井斜对钻柱接触力的影响. 引入仿射坐标系,建立三维弯曲井眼中转动钻柱力学模型,分析弯曲井眼中转动钻柱变形、接触力及摩阻扭矩,为钻柱动力学理论研究提供一种新的方法.     

长中半径水平井钻柱接触摩擦阻力分析

用整体钻柱静力模型和间隙元法,分析了长中半径水平井钻柱的接触非线性问题,算出了钻柱与井壁接触摩擦阻力的分布,为水平井井眼轨道设计和施工提供了重要参数。     

弹性拱静力屈曲的突变行为

应用数学突变理论研究弹性两铰拱的静力屈曲，分析中考虑了拱的挠度变化、轴向压缩变形的影响，得到拱面内失稳的尖点突变模型和临界条件。     

气体钻井中接触非线性问题的数值算法研究

根据动量守恒和钻柱力学的基本理论,建立了气体钻井三维弯曲井眼钻柱动力学模型和钻柱与井壁接触碰撞模型;提出了一种求解钻柱与井壁接触非线性有限元方程的元胞自动机算法。该方法具有编程简单、收敛速度快等优点,以实际工况为例进行仿真模拟,选取有代表性节点的仿真计算结果并加以分析。仿真结果表明:该方法较好地解决了三维弯曲井眼中钻柱与井壁接触碰撞的复杂边界条件问题,在解决气体钻井钻柱与井壁接触非线性问题的研究中具有良好的应用前景。     

环空钻柱三维二重非线性动力学问题的研究

通过对大挠度钻柱受力变形特点及其环空旋转状态下与井壁接触机理的分析，根据动力学原理，建立和进一步完善钻柱与井壁动态摩擦接触模型．根据有限元理论，提出了Ｗｉｌｓｏｎ－θ法与Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法相结合的模式，解决钻柱二重非线性动力学问题．计算分析结果说明，文中理论模型是可行的，不仅更完善，而且更简便；动态非线性效应分析得到了与静态分析相似的结论；钻柱与井壁各种接触形式或并存或交替都有可能；转速较高时动态影响不容忽视．     

气体钻井钻柱的静动力学特性研究

针对气体钻井钻具振动剧烈及频繁失效的实际问题,建立了全井段钻柱系统静力学模型和三向耦合振动的力学模型,研究了循环介质阻尼作用的计算公式。以川东某实钻井气体钻进段为例,利用考虑泥浆作用的振动模型与美国埃索公司现场数据和规律进行了对比,验证了全井段钻柱系统三向耦合振动力学模型的可行性与结果的可靠性;量化研究了全井钻柱的静力学特性与动力学特性,并与同工况参数下泥浆钻井钻柱的静力学特性和振动规律进行了对比。研究发现,气体钻井各钻具轴向力和轴向应力均高于泥浆钻井,且纵振、横振、扭振及涡动的幅频均强于泥浆钻井;工作过程中,气体钻井钻柱承受更大幅值的交变应力,这是导致钻具频繁失效的根源之一。     

气体钻井钻柱气固耦合横向振动的数学建模与求解

建立了考虑气体钻井液对钻柱内外耦合影响时的钻柱横向振动模型,包含了钻柱轴力、钻柱内注入压力、环空压力以及钻柱内气体对钻柱振动的影响;求解了钻柱振动方程,并分析了钻柱横向振动固有频率。研究表明注入物质的流动速度对钻柱的横向振动固有频率影响很大,流动速度达到一定程度时对钻柱的稳定性有较大影响,可能诱发钻柱弯曲失稳。     

波动钻压下阶梯钻柱系统稳定性研究

处于狭长井筒中的钻柱,其动力响应受到钻具组合、内外钻井液流动以及钻井参数等因素的影响,钻柱动力失稳导致的剧烈振动是井壁坍塌和钻具失效的重要原因.考虑到钻杆和钻铤在刚度和线密度上存在很大的差别,论文将钻柱简化为单阶梯输液管柱,钻井液沿着钻柱内部向下泵入并从环空返回地面.耦合考虑钻柱自重、随时间简谐变化的波动钻压、稳定器以及钻井液的水动力和阻尼力,建立了直井中钻柱横向振动的解析模型.利用有限单元法离散为四阶常微分方程后,采用Bolotin法得到临界频率方程确定系统的不稳定区范围,研究了钻压、钻杆长度、稳定器安装位置、钻井液的流速和密度等参数对系统稳定性影响的机理.研究表明:钻压的平均值和波动幅值都是钻柱失稳的驱动因素,而系统的稳定性对处于受拉状态的钻杆的长度变化不敏感.在论文所研究的参数范围内,降低钻井液流速和密度、下移稳定器的安装位置均有助于增强系统的稳定性.     

旋转钻柱环空动力学问题的研究

本文分析了环空状态下的工作钻柱与井壁的接触机理,建立了钻柱与井壁动态摩擦接触的一般模型,提出了解决待定边界问题及钻柱动态分析的计算方法。计算说明不同工况下,钻柱与井壁具有不同的接触形式。     

钻柱卡点预测实验

卡点预测是处理卡钻事故的关键。利用管柱扭转变形的特性,设计了无钻杆接头的单一管柱和有钻杆接头的组合管柱,并分别建立了卡点预测计算公式。利用管柱力学实验平台、四分量传感器、数据无线传输系统、HP数据采集系统和相关数据处理软件,对两种管柱进行了扭转实验。本次实验结果为:对于单一管柱,相对误差为-1.88%;对于组合管柱,当不考虑钻柱接头的影响时,相对误差为-3.8%,考虑钻柱接头的影响时,相对误差为-1.02%。实验结果表明:扭转法可用于直井中钻柱卡点预测,钻杆接头和钻柱加厚部分对卡点计算的影响较大,用带有修正系数的计算公式预测精度较高。     

求解中短半径弯螺杆钻具的纵横弯曲法

介绍了一种求解中短半径($K=1^\circ$/m$ \sim 3^\circ$/m)弯螺杆 钻具的纵横弯曲法, 以指导弯螺杆钻具的设计和使用. 采用变刚度梁柱理论, 并应用等效载荷法对具有初始结构弯角的梁柱进行等效处理, 根据钻具组合支座连续条件及 边界条件建立了中短半径水平井造斜螺杆钻具组合的力学模型, 进而求得钻头侧向力, 依此 预测弯螺杆钻具的造斜能力. 这种分析方法得到了成功应用.     

均匀受压矩形管的屈曲后板组效应研究

本文根据势能驻值原理,建立了均匀受压矩形管的大挠度弹性屈曲理论,用于分析屈曲后相邻板件间的相互约束作用,即屈曲后板组效应。该方法通过引入拉格朗日乘子,使系统总势能取驻值的同时,形函数能满足一系列基本的,但非完备的边界条件;在此基础上采用增量法将非线性方程组线性化,从而确定给定荷载下矩形管的受力状态及变形。由于系统总势能是以解析式的形式给出,且仅需取有限的级数项就可达到满意的精度,故该半解析法具有计算效率高的特点。目前许多国家的钢结构设计规范中,在计算受压板件的有效宽度时,常采用板组约束系数来考虑板组效应。由于有效宽度法本身考虑了板的屈曲后强度,而约束系数多数却是建立在小挠度弹性屈曲理论上的,故有必要分析板件的屈曲后板组效应。本文详细讨论了矩形管的屈曲后板组效应,并与小挠度理论给出的计算结果进行比较,得出了均匀受压矩形管屈曲后板组效应减弱的结论。     

Torsional vibration analysis of push-the-bit rotary steerable drilling system

Ordinary drillstring torsional vibration is a very common phenomenon that has been attracted great interesting. Through Measurement data, a series of studies and analysis of torsional vibration characteristics of the bottom hole assembly (BHA) have been developed. However, for rotary steerable system (RSS), especially push-the-bit mode, its drill torsional vibration phenomenon will demonstrate the new properties, because that the underground implementing agencies will generate cycle torque and drag to the BHA in the orientation process. This process is completely different to the previous. A set of “strap-down” measurement system was developed in this paper, and the triaxial accelerometer and triaxial fluxgate were installed near the bit. Proposed a method of solver drill bit rotation speed using real-time downhole measurement data (sampling frequency 100 Hz), and the torsional vibration mathematical model of push-the-bit RSS was established. We found that the torsional vibration phenomenon of push-the-bit RSS is more serious than the ordinary drilling system by downhole measurement data analysis, even in most cases manifested as stick-slip. The torsional vibration was divided into five different modes, which showing different statistical regularities. Corresponding analysis of the angular displacement and speed, we found that the drill bit always appears low-speed in the position of oriented. This is a strong proof of that the RSS implementing agencies pushing the BHA caused the drill bit torsional vibration more serious. This work is supplemented and development of the drill string torsional vibration studies. Contribute to the better understanding of the dynamics of the push-the-bit RSS. Put forward a new way of analysis the rotary steerable drillstring fatigue damage predicted, steering ability and the torsional vibration control.     

RIGIDITY OF A CONCAVE TEMPLATE OF RIGHT ANGLE TRAPEZOID CROSS SECTION WITH A CIRCULAR APERTURE

采用线弹性平板理论,对均匀、连续、各向同性材料制成的变横截面为直角梯形的圆孔凹模板刚度计算理论进行了研究. 首先建立力学和数学计算模型,其次,针对承受垂直冲裁力的圆形孔凹模板,建立了用挠度表示的三阶变系数常微分方程,并给出了新的边界条件,然后采用半逆解法求解,进行弯曲问题的挠度计算,进而确定刚度计算理论,最后进行实例分析.     

MODEL ESTABLISHMENT AND LOAD TRANSFER OF SEMI ARTICULATED FLEXIBLE DRILLING TOOL1)

半铰接柔性钻具的载荷传递规律直接影响超短半径水平井钻进的成功率。为此，首先推导出半铰接柔性钻杆的单元刚度方程并揭示了半铰接柔性钻杆的弯矩传递规律；然后，采用理论分析与数值模拟相结合的方法，验证了半铰接柔性钻杆有限元模型的正确性；最后，建立造斜段半铰接柔性钻具力学模型，对不同井眼曲率半径下半铰接柔性钻具的载荷传递规律进行研究。结果表明：井深位置相同时，井底扭矩值随曲率半径的增加而增大；半铰接柔性钻杆未锁死时，柔性钻杆不传递弯矩且井底扭矩波动较大，相关研究成果为柔性钻具的设计提供理论依据。     

Quantized attractors in wave models of torsion vibrations of deep-hole drill strings

We pose the problem of self-excitation of elastic wave torsional vibrations of a rotating drill string, which arise as a result of frictional interaction of the drill bit with the rock at the bottom of the deep hole. We use d’Alembert’s solution of the wave equation to construct a mathematical model of the wave torsion pendulum in the form of a nonlinear ordinary differential equation with retarded argument. We show that there exists a range of variation in the angular velocity of the drill string rotation, where, along with the unstable stationary solution characterized by the absence of vibrations, there are oscillatory solutions in the form of a stable limit cycle (attractor). The self-excitation of these vibrations is soft, and the self-oscillations themselves belong to the class of relaxation vibrations, because their period can be divided into several separated intervals corresponding to slow and fast variations in the state of the system. The velocities of the drill bit elastic motions on each of these time intervals remain constant, and the durations of all of them are the same and equal to the time interval (quantum) of the twist mode propagation from the drill bit to the drill string top and conversely.     

Method of equilibrium differential equation for analysis of strength of large deflection drill string

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＤｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇｉｓｍｏｒｅｅａｓｉｌｙｄａｍａｇｅｄｓｏｔｈａｔａｃｃｉｄｅｎｔｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｃｃｕｒｓｍｏｒｅｏｆｔｅｎｉｎｌａｔｅｒａｌｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｔｈａｎｉｎｇｅｎｅｒａｌｗｅｌｌｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇｉｓｓｍａｌｌａｎｄｔｈｅｌａｒｇｅｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｌｏａｄｓｏｎｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇａｒｉｓｅｓｂｙｔｈｅｗｅｌｌｂｏｒｅｏｆｖｅｒｙｌａｒｇｅｃｕｒｖａｔｕ…     

PROGRESS IN MEASUREMENT TECHNOLOGY FOR DRILL STRING VIBRATION

随着深井、超深井数量的快速增加, 钻柱振动导致的钻具失效问题更加突出. 针对钻柱振动的研究可分为理论与数值模拟、测量分析两种方法. 由于钻柱振动具有复杂的非线性特征, 使得理论与数值模拟研究受到了很大限制, 因此井下振动测量技术的研究显得尤为重要. 本文比较全面和系统地介绍了国内外钻柱振动测量技术研究现状和进展情况, 并对几个应用较为成熟的国外测量系统的工作原理、分析方法及应用技术进行了详细的综述. 所得结论可为我国井下振动测量技术的发展提供重要参考.     

饱和多孔弹性Timoshenko梁的大挠度分析

基于微观不可压饱和多孔介质理论和弹性梁的大挠度变形假设,考虑梁剪切变形效应,在梁轴线不可伸长和孔隙流体仅沿轴向扩散的限定下,建立了饱和多孔弹性Timoshenko梁大挠度弯曲变形的非线性数学模型.在此基础上,利用Galerkin截断法,研究了两端可渗透简支饱和多孔Timoshenko梁在突加均布横向载荷作用下的拟静态弯曲,给出了饱和多孔 Timoshenko梁弯曲变形时固相挠度、弯矩和孔隙流体压力等效力偶等随时间的响应.比较了饱和多孔Timoshenko梁非线性大挠度和线性小挠度理论以及饱和多孔 Euler-Bernoulli梁非线性大挠度理论的结果,揭示了他们间的差异,指出当无量纲载荷参数q＞l0时,应采用饱和多孔Timoshenko梁或Euler-Bernoulli梁的大挠度数学模型进行分析,特别的,当梁长细比λ＜30时,应采用饱和多孔Timoshenko梁大挠度数学模型进行分析.