钻柱力学
钻柱运动与变形
钻柱振动形式与对策
钻柱变形
钻柱变形基本形式
轴向变形
扭转变形
横向变形
弯曲
屈曲
平面屈曲
蛇形屈曲
螺旋屈曲
直井与斜井钻柱变形对比
直井
斜井
弯曲井段钻柱变形特点
水平井段钻柱变形特点
结束
谢谢！
横向振动：下部受压 段易发生横向振动， 并导致钻柱破坏。地 面观察不明显。 上部受拉段，钻柱绕 自身轴线旋转。 下部受压段，钻柱 绕自身轴线旋转、 反向涡动。
钻柱若存在弯角则 正向向公转。
斜直井钻柱运动分析
由于钻柱靠重力作用躺在井壁下侧并与井 壁产生滑动摩擦，导致： • 纵向振动减轻 • 横向振动减轻 • 扭转振动减轻 • 反向涡动减轻或消失 所以在斜井中，钻柱振动导致的疲劳破坏 较少。
钻柱的运动与变形
钻柱运动基本形式
运动形式
自转
公转
滑动
振动
自转与公转侧视图
钻柱旋转状态俯视图
反向公转
反向公转
涡动
进动
涡动、进动：自转物体既绕自转轴又绕著另一轴旋 转的现象
钻井钻柱运动状态分析
纵向振动：全井都有 可能发生纵向振动， 并导致钻柱破坏。地 面观察明显。 扭转振动：全井都有可 能发生扭转振动，并导 致钻柱破坏。地面观察 较明显。
钻柱系统非线性振动机理分析及控制方法
针对不同类型和工况的钻证和对 比分析。
研究不足与展望
虽然本文对钻柱系统非线性振动的机理进行了较深 入的研究，但仍存在一些未考虑到的因素和边界条
件，需要进一步拓展和完善。
01
钻柱系统非线性振动的现象和特征
分析钻柱系统非线性振动的现象和特征，如跳跃、混沌等。
02
钻柱系统非线性振动的产生机理
从力学角度分析钻柱系统非线性振动的产生机理，如材料非线性、几
何非线性等。
03
钻柱系统非线性振动的控制方法
根据非线性振动的特性和产生机理，提出相应的控制方法，如改变材
料属性、优化结构设计等。
钻柱系统非线性振动机理分 析及控制方法
2023-11-07
目 录
• 引言 • 钻柱系统动力学模型 • 钻柱系统非线性振动的机理分析 • 钻柱系统非线性振动的控制方法 • 数值模拟与实验验证 • 结论与展望
01
引言
研究背景和意义
钻柱系统在石油、天然气等资源开采中发挥着关键作用，其振动特性对钻井效率 和钻柱的完整性都有重要影响。
发展趋势主要体现在以 下几个方面
考虑到钻柱系统的复杂 性和时变性，研究更加 精确的非线性模型和分 析方法；
结合多学科知识，研究 多种因素（如温度、压 力、转速等）对钻柱系 统非线性振动的影响；
探索有效的控制方法和 技术，以降低非线性振 动对钻井作业的影响， 提高钻井效率和安全性 。
02
钻柱系统动力学模型
基于隔振技术的控制方法
利用隔振技术对钻柱系统的振动进行被动控制，通过隔离外部激励对系统的影响，降低系统的振动响 应。
钻柱动力学研究进展及发展趋势
石油科学通报 2024年4月第9卷第2期：224-239钻柱动力学研究进展及发展趋势狄勤丰，杨赫源，王文昌*，骆大坤，张鹤，陈锋上海大学力学与工程科学学院，上海 200072*通信作者,************************收稿日期: 2024-02-20国家自然科学基金面上项目“考虑隔水管耦合作用的超深水超深曲井钻柱动力学研究”(编号：52174003)和国家自然科学基金石油化工联合基金重点项目“超深井钻柱非线性动力学及动态安全性基础理论研究”(编号：U1663205)联合资助摘要钻柱动力学是安全、高效钻井的基础，许多研究人员对此进行了深入研究，成果累累。
然而，钻柱具有超大长细比，工作环境恶劣，非线性特征显著，使得钻柱的安全性面临严峻挑战，这在超万米特深井中尤为突出。
因此，把握钻柱动力学研究历程，提炼钻柱动力学核心关键问题十分必要。
本文在简要回顾3种基本钻柱振动形式的研究进展基础上，重点阐述了这3种基本振动的耦合振动的研究进展，详细讨论了粘滑和涡动这2种复杂振动的危害、形成机制、研究方法、测量技术和控制方法，并对近十年来备受关注的高频扭转振动(HFTO)的研究进展进行了归纳。
现有研究成果表明，涡动是井下钻柱最易出现的一种复杂振动形式，包括向前、向后规则涡动和不规则涡动形式，且大都体现为不规则涡动。
其中，反向涡动对钻柱的危害很大，不但会加剧钻具的疲劳破坏，而且会降低钻头的机械钻速。
粘滑振动是另一种危害极大的复杂振动形式，其形成机制在于钻头与岩石之间的相互作用，并可用速度弱化效应进行很好描述；粘滑振动与涡动密切相关，粘滑振动中的滑脱阶段的最大转速可能达到地面转速的3倍以上，并伴随着剧烈的涡动。
而振动频率远高于涡动和粘滑振动的高频扭转振动的危害不容忽视，但相关机理远未探明，迫切需要攻关研究。
关键词钻柱动力学；复杂振动；测量技术；实验方法；仿真技术中图分类号：TE21；O341Research advances and development trend of drill string dynamicsDI Qinfeng, YANG Heyuan, WANG Wenchang, LUO Dakun, ZHANG He, CHEN FengSchool of Mechanics and Engineering Science, Shanghai University, Shanghai 200072, ChinaAbstract Drillstring dynamics is the basis of safe and efficient drilling, and many researchers have made in-depth research on it with fruitful results. However, the safety of drill string is faced with severe challenges due to its extremely large slenderness ratio, harsh working environment and significant nonlinear characteristics, especially in extra-deep wells exceeding 10,000 meters. Therefore, it is essential to grasp the research process of drill string dynamics and extract the core key issues. Based on a brief review of the research progress of the three basic drill string vibration forms, this paper focused on the research progress of the coupled vibration of these three basic vibration forms, and discussed in detail the harm, formation mechanism, research methods, measurement techniques and control methods of two complex vibrations: stick-slip and whirl. In particular, the research©2016—2024 中国石油大学(北京) 清华大学出版社有限公司/sykxtb钻柱动力学研究进展及发展趋势225 of high frequency torsional oscillation (HFTO), which has attracted much attention in recent ten years, was summarized. Finally, preliminary conclusions and prospects were provided, aiming to offer useful references for the innovative development of drill string dynamics mechanisms and control methods. The existing research results showed that the whirl is the most complex vibra-tion form of downhole drill string, including forward and backward regular whirl and irregular whirl motion, and most of them are irregular whirl motion. Among all the whirl modes, backward regular whirl is more harmful to the drill string, which will not only increase the fatigue damage of the drill tool, but also reduce the mechanical penetration rate of the bit. Stick-slip vibration is another highly harmful and complex form of vibration, which is induced by the interaction between the drill bit and the rock and can be well described by the velocity weakening effect. Stick-slip vibration is closely related to whirl motion. The maximum rotational speed in the slip stage of stick-slip vibration may reach 6-8 times of the ground rotational speed, accompanied with violent whirl motion. The high frequency torsional oscillation, whose vibration frequency is much higher than that of eddy and stick-slip vibration, is even more harmful, and the related mechanism is far from clear and is urgent to explore.Keywords drillstring dynamics; complex vibrations; measurement techniques; experimental methods; simulation techniques doi: 10.3969/j.issn.2096-1693.2024.02.017石油、天然气、地热资源的勘探开发离不开钻井工程。
2第4章钻柱弯曲-屈曲理论
m3
EI qm
钻杆断面轴惯性 矩，m4
钻柱在泥ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ中每 米重力，N/m
钻柱的纵弯（屈曲）
讲
Lubinski 的垂直井眼内钻柱弯曲 微分方程的建立
建立微分方程的目的：
• 研究钻柱在自重作用下去失稳屈曲的弯 曲形状时什么样？ • 用数学方程表示弯曲形状； • 受压长度与弯曲形状的关系，受压长度 对弯曲形状的影响；
r b tg (1.02 ) m r 1 b tg (1.5 ) m
1
b tg 1 (0.44
• 二次弯曲时的钻头倾角， 显然小于一次弯曲的倾角。 于是有人想将此原理用于 打直井。 • 60年代初到80年代中期， 此理论曾充斥我国钻井现 场
r ) m
实际情况不可能出现二次弯曲： 1. 钻铤上多带有扶正器； 2. 井眼不可能绝对垂直； 3. 钻柱是不断旋转的； 实际将出现螺旋弯曲。
钻柱的纵弯 （屈曲）
Lubinski 的垂直井眼内钻柱弯曲微分方 程的建立
W2 F2 W Qs Fs 0
分离体处在静力平衡状态下，所有力的合 力（矢量合）等于零。
将所有力投影到MN所在的断面上，则在 MN方向上，所有力的合力也应该等于零。
W2 sin F2 cos W sin Qs 0 Qs (W2 W ) sin F2 cos （1）
1
Dh—井眼直径； Dc—钻柱直径；
钻柱的纵弯（屈曲）
讲
Lubinski 的垂直井眼 内钻柱弯曲微分方程的 建立
弯曲状态 一次临界弯曲 二次弯曲出现 前的瞬间 二次临界弯曲
水平井钻柱摩阻
水平井钻柱摩阻、摩扭分析张宗仁一、文献调研与综述在水平井中，由于重力的作用，钻具总是靠着井壁（或套管）的，其接触面积就比直井大很多所产生的摩擦力和扭矩将会大大的增加。
对管柱的的摩擦阻力和轴向拉力研究计算，保证钻井管柱（钻柱或则套管，油管）的顺利上提和下放。
如今，国内外已经有很多关于磨阻计算的力学模型，主要分为两大类：一类为柔杆模型，另一类为柔杆加刚性模型。
1．1约翰西克柔杆模型：约翰西克(Johansick)在1983年首次对全井钻柱受力进行了研究，为了研究的方便，在研究过程中.他作了以下几点假设: (1)钻柱与井眼中心线一致； (2)钻柱与井壁连续接触:(3)假设钻柱为一条只有重量而无刚性的柔索； (4)忽略钻柱中剪力的存在:(5)除考虑钻井液的浮力外忽略其他与钻井液有关的因素。
在此假设条件下，建立了微单元力学模型，根据单元的力学平衡，推导出如下的拉力、扭矩计算公式:1222cos [(sin )(sin )]t T W NM NrN T T W αμμθααα∆=±∆==∆+∆+式中：T:钻柱单元下端的轴向拉力，N ； Mt:钻柱扭矩，N.m ；N:钻柱与井壁的接触正压力，N ； W:钻柱在钻井液中的重量，N ； u:钻柱与井壁的摩擦系数； r:钻柱单元半径；a,△a,△θ:平均井斜角，井斜角增量，方位角增量;起钻时取“+”，下钻时取“-”。
1．2二维模型:Maida 等人对拉力、扭矩进行了平面和空间的分析，建立了应用于现场的二维和三维的数学模型。
他建立的二维模型和三维模型如下:111211111**[(1)(sin sin )2(cos cos )]1exp[()](exp[()](Ai Ai B i i B i i BB i i B i i i i i qRF A F C a A a C a A a A a a A a a l l a a μμμμμ-------=+--+-+=-=---i 起钻)下钻)R=式中B μ为摩擦系数，li 计算点井深，FAi 为计算点轴向载荷，C1、C2为符号变量，其取值由表1-1给出：1111()()()()()*()()*()()*()arccos[cos()*sin *sin cos *cos ]24()()(1)1Au B s N N u b p i i i i i i i i s F q l C l q l dlq l q l q l q l q b l q l q p l l l R a a a a C l l μμθθγππ----=±====-=-+=-+式中u(l) , b(1) , p(1)分别为计算单元井段切线、副法线和主法线方向向量。
钻柱力学中的有限单元法
浙江大学博士学位论文钻柱力学中的有限单元法姓名：刘巨保申请学位级别：博士专业：固体力学指导教师：丁皓张学鸿2000.10.1 中文摘要摘要｜ｆ石油钻井工程的高风险和高投入，使得钻柱力学特性研究倍受关注，从５０年代至今，色取得大量硒坑成果，但随着钻井技术发展，这些成果已不能完全ｉｌㄗ阕昃 こ痰男枰 Ｎ 耍 疚募坛星叭说墓ぷ鳎 岷舷有钻井技术和工程经验，Ｊ对钻柱非线性静力学、振动模态和非线性瞬态动力学的有限单元法进行了研究。
经专家评定认为：本文所建立的钻柱力学模型和用有限单元法开展的工程应用技术达国内领先水平，已在大庆油田等单位得到应用。
ｒ本文根据钻柱工作状态，把钻柱与井壁边界处理成多向接触摩擦，并考虑钻具自重和钻压引起的纵向弯曲，首次建立了整体钻柱双重非线性静力学模型。
，在此基础上，通过考虑下部钻具上端假想截面处的力和位移协调边界，又建立了下部钻具双重非线性静力学模型。
这两种模型都不同于以往的曲屈或纵横弯曲模型，把钻柱力学归结为几何和接触非线性问题，增加了求解难度。
本文通过非线性梁单元的采用、间隙元理论的完善，首次建立了钻柱双重非线性静力学的有限单元法。
所构造的间隙元可以位于梁单元内任一位置，使梁单元最大横向位移首先与井壁产生多向接触得以描述。
经研究得出：在１．５。
／ｍ井眼曲率条件内，梁单元的大位移刚度矩阵引起的非线性可以忽略，但几何刚度矩阵引起的非线性必须考虑，明确了非线性梁单元在钻柱力学分析中的应用条件。
通过曲管道元的刚度矩阵、等效节点力推导，对曲管道元在钻柱力学分析中的实用性进行了研究。
经分析得出：常规井眼曲率条件下，若不考虑钻柱的接触非线性，２０ｍ长的曲管道元与７ｍ长的梁单元计算精度相同，曲管道元具有单元少、计算精度高的优点，反之，由于钻柱接触非线性作用，曲率井段内钻柱离散单元不宜过长，从实用性来看采用梁单元就可以。
根据上述理论，自行开发了钻柱非线性静力学有限元分析软件ＤＳ－ＮＳＡ，并将其应用到直井防斜钻具设计、斜井钻具设计和井眼轨道控制、水平井钻柱设计和摩阻模拟，所优选组配的钻柱结构和钻井参数，已在大庆油田等单位得到应用，能够满足井眼轨道控制需要，提高了钻井效率。
第二章 2-钻柱
MPa lb/in2
MPa lb/in2
MPa lb/in2
表2-13 钻杆钢级
D 379.21 55000 586.05 85000 655.00 95000
E 517.11 75000 723.95 105000 689.48 100000
钻杆钢
95（X） 655.00 95000 861.85 125000 723.95 105000
Lc
钻井液浮力减轻系数表示：
K 1 d
式中： K—称为“浮力减轻系数”； d —钻井液密度，g/cm3 ；
—钻柱钢材密度，g/cm3。
考虑钻井液浮力和静液压力的横向挤压作用后，钻柱任一
截面处的轴向拉力可按下式计算：
Fm K qp Lp qc Lc KF0
Fm —悬挂在钻井液中的钻柱任一截面上的轴向拉力，kN。 它等于该截面以下钻柱在钻井液中的重力。
钻柱在钻井液的重力称为浮重（Buoyant Weight）。
这种计算钻柱轴向力的方法，称为“浮力系数法” （Buoyancy Fact Method）。
（2）正常钻进时 正常钻进时，把部分钻柱的重力
（钻铤）加到钻头上作为钻压。下部钻 柱受压缩应力的作用。
钻柱任一截面上的轴向拉力为：
Fw K q p Lp qc Lc W
表2-17所列的几种NC型接头与旧API标准接头有相同的 节圆直径、锥度、螺距和螺纹长度，可以互换使用。
数字型接 头
旧 API 接 头
表2-17 可以互换使用的接头
NC26
NC31
NC38
NC40
NC46
238 IF
27 8 IF
312 IF
4IF
4FH
钻柱分析——精选推荐
钻柱分析钻柱⼀、钻柱的作⽤与组成⼆、钻柱的⼯作状态与受⼒分析三、钻柱设计⼀、钻柱的组成与功⽤（⼀）钻柱的组成钻柱(Drilling String)是钻头以上，⽔龙头以下部分的钢管柱的总称.它包括⽅钻杆(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻挺(Drill Collar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下⼯具。
（⼆）钻柱的功⽤(1)提供钻井液流动通道；(2)给钻头提供钻压；(3)传递扭矩；(4)起下钻头；(5)计量井深。
(6)观察和了解井下情况（钻头⼯作情况、井眼状况、地层情况）；(7)进⾏其它特殊作业（取芯、挤⽔泥、打捞等）；(8)钻杆测试 ( Drill-Stem Testing),⼜称中途测试。
1. 钻杆（1）作⽤：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。
（2）结构：管体+接头（3）规范：壁厚：9 ～ 11mm外径：长度：根据美国⽯油学会(American Petroleum Institute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类：第⼀类 5.486～ 6.706⽶(18～22英尺)；第⼆类 8.230～ 9.144⽶(27～30英尺);第三类 11.582～13.716⽶(38～45英尺)。
常⽤钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12丝扣连接条件：尺⼨相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。
钻杆接头特点：壁厚较⼤，外径较⼤，强度较⾼。
钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）； NC系列内平式：主要⽤于外加厚钻杆。
特点是钻杆通体内径相同，钻井液流动阻⼒⼩；但外径较⼤，容易磨损。
贯眼式：主要⽤于内加厚钻杆。
其特点是钻杆有两个内径，钻井液流动阻⼒⼤于内平式，但其外径⼩于内平式。
正规式：主要⽤于内加厚钻杆及钻头、打捞⼯具。
其特点是接头内径<加厚处内径<管体内径，钻井液流动阻⼒⼤，但外径最⼩，强度较⼤。
三种类型接头均采⽤V型螺纹，但扣型、扣距、锥度及尺⼨等都有很⼤的差别。
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钻柱力学是指应用数学、力学等基础理论和方法,结合实验以及井场资料等数据综合研究受井眼约束的钻柱的力学行为的工程科学。
开展钻柱力学研究, 对钻柱进行系统、全面、准确的力学分析,在井眼轨道设计与控制、钻柱强度校核、钻柱结构和钻井参数优化等都具有重要意义。
钻柱力学研究已经有五十多年的发展历史, 许多研究成果已经应用到生产实践并产生了巨大的经济效益, 但由于钻柱在充满流体的狭长井筒内处于十分复的受力、变形和运动状态,直到今天仍然无法做到对钻柱力学特性的准确描述和和精确的定计算。
近年来, 着欠平衡井、深井、超深井、水平井、大斜度井和大位移井在油气勘探开发中所占的比重越来越大, 井眼轨道控制、钻具疲劳失效、钻井成本等问题逐年突出,对钻柱力研究提出了更高的要求。
与现代钻井技术发展相适应,钻柱力学必然朝着更贴近井眼。
实际工况、控制和计算精度更高的方向快速发展。
文中首先介绍钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态和钻柱动力学基本方程。
然后将钻柱力学分为钻柱力学和动力学2个部分;介绍钻柱拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱与涡动等几个主要方面,并对未来发展趋势做出初步的预测。
在20世纪20- 30年代, 人们就发现了井斜,同时发现井斜与钻柱的力学问题有Lubinski是钻柱力学的创始人。
1950年,他从定量分析直井中钻柱的屈曲问题入手, 开创了钻柱力学研究的新局面,该研究成果得到了公认。
(1)钻柱的运动状态; (2)钻柱的应力、应变和强度; (3)钻柱与井底、井壁和钻井液相互作用及效果。
这是钻柱力学研究的3个主要方面, 互相联系、互相影响、不可分开。
在钻柱力学长期发展中,经过不断的优化和比较,形成了几种比较典型的研究方法,即经典微分方程法、能量法、有限差分法、纵横弯曲连续梁法、有限元法和加权余量法。
经典微分方程法是钻柱力学中应用最早的研究方法。
该方法要求在满足经典材料力学的基本假设的前提下,建立钻柱线弹性的经典微分方程并求解。
这种方法在考虑因素较多时,建立分方程很复杂,用经典微分方程法求解比较困难。
能量法是一种求解简单的弹性力学问题的方法。
它要求势能函数不仅要满足弹性力学的控制方程,而且要满足边界条件, 通过解的形式设及有关参数的确定, 可得到问题的解答。
由于满足以上2个条件是一件非常困难的事情。
因此, 这一方法的应用受到了限制。
有限差分法是一种近似方法。
是通过对钻柱进行力学分析得到钻柱微分方程式, 再通过适当的差分转换将位移控制方程转化为差分的形式求解。
由于差分方程的系数是可变的,因此可以很容易考虑非线性的影响;同时,由于差分区间可以减小, 可以比较容易考虑井眼的约束。
但是要得到精确的解。
答, 差分区间必须取得很小, 这样就使矩阵的维数增加, 降低了计算速度。
对于钻柱力学来说,有限差分法是一种有效的近似计算方法。
纵横弯曲连续梁法是一种精确解法, 这种方法是将钻柱视为相互联系的纵横弯曲的连续梁, 应用材料力学中的三弯矩方程建立一组非线性代数方程, 该方程物理概念清楚, 计简单, 且速度较快。
由于这种方法是将三维空间问题分解成2个独立的二维问题求解,力学型简化得太多,忽略了扭矩及可能的力和变形的耦合问题。
这种方法在国内得到了推广和应用。
有限元法也是一种近似数值计算方法,这种方法是通过将钻柱分解为有限的离散梁单元, 再通过适当的合成方法将这些单元组合成一个整体, 用以代表原来的钻柱状态,并最终得到组以节点位移为未知量的代数方程组。
有限元法的物理概念清楚、简单, 实用性强。
不限制柱的材料和几何形状, 且对单元尺寸也无严格的要求;又可以较容易地考虑非线性的影响。
目前发展的接触有限元法, 考虑了钻柱、稳定器与井壁之间的初始接触摩擦力,力学模型比较准确,考虑因素较多, 解题的速度虽然是这几种方法中最慢的,但也可满足需要。
加权余量法是一个求解微分方程定解问题的强有力的数值方法, 具有简便、准确、工作量小、残差可知等优点,已成功地用于下部钻具组合的大小挠度力学分析中;当然,要进一步提高度就得增加试函数项数,也会增加一些运算量。
油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩意义拉力和扭矩模型, 尤其在地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测可达到如下目的:(1) 优选井眼轨迹, 使整个杆管柱的摩擦阻力和扭矩损失最小;(2) 选择和校核地面设备, 优化杆管柱设计;(3) 监测井下问题;(4) 指导下套管作业;(5) 确定杆管柱与井壁的接触压力, 估计套管的磨损程度和键槽是否存在;(6) 决定是否改变钻井液性能。
21研究现状以油气井杆管柱动力学基本方程为基础, 虑钻柱的运动状态、钻井液的结构力、粘滞力, 建立了油气井杆管柱稳态拉力2扭矩模型, 开发了实用的计算机软件, 较成功地应用于定向水平井钻柱和套管柱设计中。
计算机软件可以应用于确定钻柱与井壁的摩擦系数、预测和计算钻柱的受力状态、优选井眼剖面、校核钻柱和监测井下岩屑床的严重程度等。
油气井杆管柱稳定性意义石油工程中的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆在井筒中工作时, 在某些井段经常处于压扭状, 发生正弦屈曲或螺旋屈曲。
屈曲后, 杆管柱内应力急剧增加, 与井壁的摩擦阻力增加, 会发生锁现象, 严重时可发生强度破坏。
研究现状油气井杆管柱存在稳定、正弦屈曲和螺旋屈曲种状态。
①基本上仅限于静态; ②部分非线性;③稳定性状态判别; 螺旋屈曲形状、内部应力近似算。
发展方向(1) 动态稳定性根据旋转陀螺高速稳定、钻液动力润滑原理推断, 钻柱自转速度越高, 钻柱稳定性应该越好。
应开展理论与实验研究, 确定断方法。
(2) 非线性连续油管应用日趋普遍, 由于连续油管的直径比井径小得多, 非线性屈曲更普遍。
有杆泵抽油系统参数诊断和优选意义计算抽油杆柱内的应力, 校核强度; 了解抽油泵的工作状况; 优选抽油系统设备组成和工作参数。
研究现状从油气井杆管柱动力学基本方程出发, 考虑井眼轨道、抽油杆柱构成、油杆与油管的滑动摩擦力及油液的内摩擦力, 建立了定向水平井抽油杆柱纵向振动的微分方程。
在此基础上, 分别建立了定向水平井有杆泵抽油系统井下动态参数诊断和的数学模型。
(1) 有杆泵抽油系统动态参数诊断技术———利用电子示功仪测得的光杆示功图, 可以诊断出直井和定向井抽油杆和抽油泵的工作状况, 并给出扶正器的合理分布。
(2) 有杆泵抽油系统动态参数预测技术———目前直井有杆泵抽油系统动态参数预测技术理论上已经取得成功, 并编制出计算软件; 定向井有杆泵油系统动态参数预测技术学模型虽已建立钻柱的运动包含轴向运动和振动、横向振动、自转和扭转振动、公转(涡动)。
应油田开发的迫切需要, 自20世纪50年代以来针对油气井杆管柱的某些特殊问题已进行了泛深入的研究, 发表了数以百计的学术论文。
特别是/七五0和/八五0期间国家组织的对定向井和水平井的科技攻关, 使油气井杆管柱力学研究水平大大提高。
但所有的研究工作都是基于某项特殊要而进行的, 未形成统一的理论, 对某些问题如动力问题和几何非线性问题研究较少,为此需要对杆管柱动力学问题进行系统的研究, 建立统一的理论。
直井防斜打直技术一直是钻井界研究的重点问题。
近年来在国内, 动力学防斜打直技术获得了较广泛的应用。
以动力学为基础的防斜钻具主要有3类: 1偏轴接头(或偏心)钻具组合; o预弯曲结构钻具组合; >>偏心刚柔钻具组合。
这些钻具组合在多数情况下取得了防斜和纠斜效果, 有时也会增斜。
这些钻具都具有一个共同的特点: 钻具横向振动严重、钻具寿命短、极易断裂。
狄勤丰对公转钻具的静动力学行为进行了探讨。
李子丰等认为公转钻具的防斜和增斜机理源于钻头处井壁岩石的非线性破碎。
由于岩石侧向破碎体积是侧向钻压的幂函数, 且幂指数大于1, 在原有的侧向钻压上叠加一个正弦侧向钻压后,静力状态具有降斜作用的钻具降斜能力增加, 静力状态具有增斜作用的钻具增斜能力增加; 与现场实践比较吻合。
在文献力图对偏轴接头进行改进, 其缺陷明显、实用性还值得进一步探讨。
钻柱静力学是钻柱力学的重要分支, 是在忽略动力效应的前提下, 对钻柱进行受力和变形分析。
20世纪80年代以前, 钻柱力学研究基本是围绕着钻柱静力学展开的。
钻柱静力学主要包括钻柱拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力等方面的内容。
钻柱拉力扭矩的分布规律是钻柱力学研究的重要课题之一。
由于实际井眼为三维的空间曲线,在钻柱轴向拉力和自重分力的作用下, 钻柱与井壁之间存在着正压力和摩擦力, 这些力对钻柱的强度和磨损起着关键作用。
钻柱拉力扭矩研究是从定向井开始的。
1983年Johancsik考虑了定向井钻柱拉力、重力和井眼轨迹,首先建立了定向井钻柱拉力扭矩软钻型。
该模型将钻柱假设成没有刚度的绳索, 在弯曲井段钻柱两端受拉时钻柱紧贴上井壁,并假设滑动摩擦是扭矩和摩擦阻力的全部原因。
模型主要存在的问题是假设条件与实际不完全相符;在正压力计算中只考虑了重力和井眼曲率2个因素,计算存在着一定误差。
其后的研究中, Sheppard等人考虑了钻柱内外压差和钻井液黏度的影响,对Johancsik的软钻柱模型进行了修正,在扭矩损失的计算中引入转动摩擦系数。
但其计算型与Jo2hancsik的计算结果基本接近。
钻柱拉力扭矩软钻柱模型虽可以满足一般的工程需要,但由于没有考虑钻柱的刚度,使模型在深井和大位移井等复杂结构井拉力扭矩计算中存在较大误差。
1987年, 美国NL公司何华山博士提出了硬钻柱拉力扭矩模型,克服了软柱模型的缺点,使该[ 14]研究有了新的突破。
在国内,井眼轨迹控制理论的研究起步较晚, 20世纪80年代初的水平还相当低。
理论研究工作是从唐俊才等人修正/霍奇公式0开始, 接着便是以白家祉为代表的一批专家和学者为井眼轨迹控制理论的发展做出了重要贡献。
1982年以来, 白家祉和苏义脑应用三弯矩方程分析下部钻具组合的受力和变形, 指导钻井实践, 并用理论分析结果指导井下定向控制工具的研制工作。
1988年以来, 高德利应用加权余量法完成了下部钻具组合的三维小挠度力学分析, 并对二、三维大挠度问题进行了探讨。
该方法是国内学者独立提出的第2种BHA 分析方法。
他提出了一个钻头与地层相互作用的三维钻速方程。
1992年以来, 李子丰分别建立了下部钻具三维小挠度、大挠度静力分析模型,选用加权余量法、加权目标函数和最优化方法确定了钻柱与井壁的切点位置, 解决了多元非线性微分方程组的求解问题; 建立了三维钻速方程及其反演模型;以预测点的侧向钻速为0,建立了井眼轨道预测方程。
指出了对钻头处和切点处边界条件的错误认识。
不倒翁式偏心防斜钻具在井下没有应价值。
钻柱动力学主要研究钻柱在各种动载作用下的运动、受力和变形规律。
由于钻头破碎岩石的不均匀性、钻柱的弯曲、转速达到钻柱共振频率等众多因素的影响,实际的钻井过程往往存在着纵向振动、横向振动、扭转振动、涡动以及耦合振动等多种振动形式。