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.     

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。     

钻柱力学中接触力计算方法研究

钻柱在井底的接触力计算是一个复杂的非线性问题. 选取较为精确的三维钻柱力学模型（简称ABIS）作为研究对象,力图从复杂的求解过程中探索出更直观的方法. 从钻柱某个节点的接触力与位移关系,推广到该节点接触力与钻柱其他所有节点的位移均存在同样的关系,进而建立了整根钻柱位移与作用在钻柱上的所有接触力的更直观的柔度关系式. 据此提出新的接触力计算方法,算例结果表明该方法显著提高迭代速度.     

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。     

变截面(变刚度)纵横弯曲梁

分析了受纵横弯曲载荷联合作用的变截面（变刚度）梁柱问题,并在钻柱力学分析中得到应用．     

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.     

间隙元在钻柱瞬态动力学分析中的应用

为了描述钻柱与井壁的随机碰撞接触状态，本文构造了动力间隙元，并推导了动力间隙元的相对压缩量和迭代求解格式。把动力间隙元与梁单元相结合，采用Newmark直接积分法和冲量定理，进行了钻柱碰撞接触非线性瞬态动力学分析。经工程应用表明，构造的动力间隙元能够描述钻柱的碰撞接触状态，所设计的偏心防斜钻具已在大庆油田得到应用，取得了明显的经济和社会效益。     

环空大挠度钻柱力学分析的动坐标迭代法及其简化应用

应用动坐标迭代法分析环空钻柱的边界待定问题与几何非线性受力变形问题。将摩擦引入平衡计算中，导出了三维分析模型。计算说明该方法和模型简便可靠，实际应用可以简化计算。     

水平井钻柱接触问题的间隙元法

长中半径水平井钻柱与井壁的接触问题是大面积接触的几何非线性问题。本文通过构造“多向接触间隙元”把钻柱与井壁结合起来研究,能方便正确地反映这种接触状态的变化规律,也能解决一般有限元法会遇到的总刚奇异性问题。运用本文方法,可以对整体钻柱或下部钻柱进行接触有限元分析。采用欧拉-修正的牛顿迭代法进行运算,给出钻头受力变形值,为井眼轨道控制提供了重要依据。 现场实验证明,在井眼轨道跟踪预测和钻具组合性能评价方面,本文计算结果与实测结果符合很好,对提高钻进速度,保证钻井质量有较大的实用意义。     

井下钻柱纵向横向耦合振动模型建立与数值分析

针对井下钻柱运动的复杂性,基于动力学理论,建立了井下钻柱纵向和横向耦合振动的数学模型,并进行数值求解及分析.根据井下钻柱的实际工况,以整个井下钻柱为研究对象,提出了钻柱纵向和横向耦合振动的动力方程,并利用解析法和无量纲法分别求解出其动刚度和动阻尼的表达式,以及钻柱前两阶振动的固有频率.分析结果表明:当井下钻柱振动频率增大时,其动刚度呈幅值衰减的周期性变化,而其动阻尼呈幅值增强的周期性变化;井下钻柱长度和横截面面积越大,其动刚度和动阻尼的幅值越小;井下钻柱的Poisson(泊松)比对其振动的动刚度、动阻尼和前两阶固有频率没有影响;同时,井下钻柱的第二阶固有频率始终大于第一阶固有频率.该文的研究方法和模型为井下钻柱钻具分析和结果优化提供了理论参考和实际意义.