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.     

两层压电换能器之间的电能传输

采用双层压电板近似模拟两个压电换能器，一层模拟发射声波的驱动换能器，另一层模拟接收声波并转换为电能的接收换能器，通过对压电板的分析，求解了两压电换能器之间的电能传输效率及其对系统参数的依赖关系，得到了输出电压、输出功率和传输效率与系统参数之间的明确关系式。最后，通过计算实例，分析了系统参数对结构功能的影响规律。     

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。     

基于LBM的壁湍流跨尺度能量传递结构统计

壁湍流不同尺度间能量传输特性存在着明显的各向异性, 了解能量不同尺度间传递的空间分布是进一步构造高保真各向异性大涡模拟亚格子模式的前提. 基于格子Boltzmann数值(lattice Boltzmann method, LBM)模拟方法对雷诺数$Re_{\tau } =180$的槽道湍流进行直接数值模拟. 结果与公开的槽道湍流数据库进行对比, 平均速度剖面、雷诺应力和脉动速度均方根均取得了较好的一致性, 验证了LBM方法模拟槽道湍流的可靠性. 对模拟后的数据采用空间滤波方法得到不同尺度间能量交换量的空间分布场, 结合结构识别捕捉方法——聚类分析法对不同尺度间能量传输结构的空间分布特性进行了分析. 结果表明尺度间能量传输结构在全流场物理空间中主要为小尺寸结构, 结构的体积概率密度呈现出$-$4/5幂律, 按结构距壁面最小距离以结构距壁面距离又可将结构划分为附着结构和分离结构, 其中附着结构以较小的数量占比达到了较高的体积占比, 表明附着结构多为大尺寸结构, 进一步的对附着结构的统计表明结构在尺寸上存在着一定的幂律关系, 表明不同尺度间能量输运结构也具有Townsend提出的附面涡的自相似性, 最后对能量正反传附着结构的成对特性研究发现, 能量正传$\!-\!$反传结构对倾向于沿展向并排排列.      

起下钻时的钻柱和液柱系统纵向振动过程分析

本文建立了钻柱、钻柱内液柱和环空液柱的系统纵向振动方程，分析了起下钻时波动压力和反压差的影响因素，阐明了井下钻柱所受载荷的变化与大钩载荷的变化具有相同规律，为井下工况的预测、井下事故原因分析及井眼轨道控制系统控制信号的确定提供理论依据。     

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.     

基于软件GPS平台的高动态数字中频信号模拟与实现

在有限的实验条件下,为验证高动态软件GPS接收机信号的捕获和跟踪模型,提出了一种基于软件GPS接收平台的高动态GPS数字中频信号模拟方法.介绍了软件GPS接收平台的基本结构框架,并根据高动态环境下伪随机码的多普勒效应及本地振荡器的频率误差对接收信号的影响,推导并建立了一种较精确的高动态GPS数字中频信号模型.为使模型适用于更加复杂的环境,通过设置接收信号的噪声幅值来调整信噪比大小,以确定所需的信号强度;在信号参数的设置过程中调整入射信号与反射信号的幅度比值及反射信号的时间延迟参数,以模拟不同程度的多路径效应对中频信号的影响.仿真结果表明了该方法的有效性.     

等曲率井中有重钻柱屈曲的非线性有限元分析

建立了等曲率井中有重钻柱屈曲的平衡方程及对应的泛函表达式,用有限元法对等曲率井 中有重钻柱屈曲过程进行了分析,给出了钻柱正弦屈曲和螺旋屈曲临界载荷的定义. 力学模 型中考虑了重力、钻柱上端井斜角和井眼轨迹曲率半径对屈曲的影响. 分析结果表明：载荷 增大时,钻柱的下端先出现局部屈曲,随后屈曲向钻柱上部扩展,导致钻柱发生整体屈曲, 屈曲位移、井壁约束力线密度和钻柱弯矩都呈周期性变化;重力对等曲率井中钻柱的屈曲有 较强的抑制作用,其影响不可忽略;井眼轨迹曲率半径越小,钻柱上端井斜角越大则对钻柱 屈曲的抑制作用越强.     

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通过对套铣筒这种特殊结构钻柱的分析,在现有钻柱力学模型研究的基础上,针对 套铣筒结构特点(大筒径、薄壁筒型钻柱),建立套铣筒与井壁接触力学模型,通过分析套铣 管柱在井下屈曲状态以及与井壁接触压力的计算,对套铣筒进行力学分析以及摩阻力计算.     

油水井取套过程中套铣筒摩擦阻力分析计算

通过对套铣筒这种特殊结构钻柱的分析,在现有钻柱力学模型研究的基础上,针对套铣筒结构特点(大筒径、薄壁筒型钻柱),建立套铣筒与井壁接触力学模型,通过分析套铣管柱在井下屈曲状态以及与井壁接触压力的计算,对套铣筒进行力学分析以及摩阻力计算.     

单轴下岩石声发射参数的分形特征

通过采集大理岩和红砂岩单轴压缩声发射信 号,引入关联分维函数,计算了不同应力水平下的声发射过程时间序列的关联维数,得 到了关联分维数与应力水平的变化关系. 结果表明,在同一应力水平下,随着$m$值的 增大, AE过程的分形特征越不明显;在不同应力水平下,关联分维数不同, AE过程参数具有不同的自相似和分形程度. 同时发现,声发射过程参数的分形特 征具有一定的尺度范围.     

Buckling of slender string in cylindrical tube under axial load: Experiments and theoretical analysis

Buckling of drill and tubing strings in drill or casing holes will affect the life of the string and cause difficulties in drilling and in oil production. A number of theoretical models have been developed to study the buckling load and the post-buckling configuration of the strings under some idealized conditions. However, verification of these theories in practice or in laboratory has not been extensively reported.In this paper work on laboratory buckling tests of strings is presented and the results are compared with theoretical formulas. The results indicate that the process of string buckling can be divided into two stages, namely plane buckling and spatial buckling. In the spatial buckling the string-buckling configuration can roughly be represented by a helix. The relation between the buckling force and the helical pitch, obtained from the laboratory tests, is similar to that predicted by helical buckling theories. The friction between the string and the wall of the confining tube causes a nonuniform buckling shape and prohibits further buckling at some critical loads. The buckling theories do not cover these effects and may thus induce significant errors in predicting the string-post-buckling configuration. An approximate formula for estimating the friction force is proposed, which provides more accurate results. Further studies of the friction effect are suggested.     

挡土结构物随机地震响应分析及动力可靠度研究

本文提供了一种简单的确定性数值方法,来分析在平稳随机地震荷载作用下的结构随机地震响应及动力可靠度。该方法基于有限元动力分析软件,以单位加速度脉冲函数作为地震荷载的输入,当计算出结构的脉冲响应函数后,再运用傅立叶变换得到随机激励和结构响应之间的传递函数,由此来计算结构的均方根响应和峰值响应。基于此方法,分析了挡土结构物在平稳随机地震荷载作用下的位移、弯矩、基底水平合力、基底竖向合力以及沿墙高的土压力极值的随机地震响应及动力可靠度。从分析结果可以看出:用Kanai谱模型的计算值比欧进萍谱模型的计算值更趋保守,而把响应过程当作马尔可夫过程似比泊松过程更精确。     

Dynamics of rotating conveying mud drill string subjected to torque and longitudinal thrust

In the view of fluid-structure interactions and rotor dynamics, this paper models the lateral vibration of a vertical downward rotating elastic drill string conveying mud subjected to supporting stabilizers, bit torque and longitudinal thrust. The dynamic model involves the rotational inertia of the drill string tube cross section, the gyroscopic effect caused by rotation, the damping due to friction with the surrounding fluid, the gravity force and mud buoyancy. Damped natural frequency, stability and resonance of the drill string system are determined by quadratic eigenvalue problem and investigated at influences of the stabilizer, rotational angular speed, mud flowing velocity, bit torque and thrust. As a result, the drill string can lose stability both at simultaneous and separate influences of the mud conveying, bit torque and thrust, whereas the rotation, stabilizer and gravity of the drill string can improve system stability; the rotational angular speed causing system resonance decreases with the increase of the mud flowing velocity, bit torque and thrust.     

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

ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＤｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇｉｓｍｏｒｅｅａｓｉｌｙｄａｍａｇｅｄｓｏｔｈａｔａｃｃｉｄｅｎｔｉｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｃｃｕｒｓｍｏｒｅｏｆｔｅｎｉｎｌａｔｅｒａｌｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｗｅｌｌｔｈａｎｉｎｇｅｎｅｒａｌｗｅｌｌｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｄｉａｍｅｔｅｒｏｆｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇｉｓｓｍａｌｌａｎｄｔｈｅｌａｒｇｅｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｌｏａｄｓｏｎｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇａｒｉｓｅｓｂｙｔｈｅｗｅｌｌｂｏｒｅｏｆｖｅｒｙｌａｒｇｅｃｕｒｖａｔｕ…     

Critical states of drill strings in the channels of inclined boreholes

The problem of determining the critical states and the postbuckling deformation of drill strings in the cavities of curvilinear boreholes is posed. The process of elastic bending of the drill string is associated with the motion of its axial line along the corresponding channel surface. On the basis of the theory of flexible curvilinear rods, a specially chosen moving system of axes is used to construct nonlinear ordinary differential equations describing the contact interaction between the drill string tube and the borehole wall. Themoving reference system allows us to separate the desired variables and decrease the order of the resolving equations. As an example, we solve the problem of stability of drill strings lying at the bottom of a cylindrical cavity in a rectilinear inclined borehole. The critical values of the axial forces are determined and the buckling modes are constructed. It is also shown that they have the form of edge effects typical of singularly perturbed equations. The developedmethods can be used in design of a curvilinear borehole and its possible driving conditions to determine the admissible values of the axial force and the torque at the point of the drill string suspension so as to prevent its bifurcation buckling.     

Three-Dimensional Nonlinear Analysis of Drill String Structurein Annulus

ＴＨＲＥＥ－ＤＩＭＥＮＳＩＯＮＡＬＮＯＮＬＩＮＥＡＲＡＮＡＬＹＳＩＳＯＦＤＲＩＬＬＳＴＲＩＮＧＳＴＲＵＣＴＵＲＥＩＮＡＮＮＵＩＵＳＬｉｕＹａｎ－ｑｉａｎｇ（刘延强）ＬｕＹｉｎｇ－ｍｉｎ（吕英民）（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｍｅｃｈ...     

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。