特深井钻柱动力学特性模拟与分析

随着钻井深度不断增加,钻柱运动所涉及的力学问题变得更加复杂,钻柱动力学特性模拟及分析可为安全优质高效钻井提供支撑。为了探求特深井钻柱的运动特性,将钻柱运动的控制方程采用Newmark法对时间离散后,运用SOR节点迭代法,对每一时间步的钻柱整体构形进行求解,实现了总长超9000 m的钻柱动力学特性模拟,不仅给出了钻柱4个典型位置的涡动轨迹、涡动速度和横向加速度,还分析了钻柱的粘滑特性。分析结果表明,上部钻柱的涡动及粘滑现象不明显;随着位置下移,出现不规则涡动及不充分粘滑现象;近钻头位置的钻柱会出现较剧烈涡动,也会出现粘滑振动;中性点位置处钻柱的涡动最为剧烈、碰摩严重,可能给钻柱带来安全隐患。研究结果为特深井安全钻井提供了理论依据。

钻柱动力学研究进展及发展趋势

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。

基于PSO-SVR算法的预弯BHA钻头合导向力预测方法

预弯底部钻具组合(bottom hole assembly,BHA)钻头合导向力对于井眼轨迹控制十分重要,但是传统的计算方法耗时耗力.提出了一种基于粒子群算法优化支持向量回归的快速预测预弯BHA钻头合导向力的方法.首先使用加权余量法求解BHA的三维小挠度力学模型,得到钻头合导向力,形成支持向量回归的样本空间;然后,使用粒子群算法优化支持向量回归参数,得到惩罚因子、核函数参数和不敏感系数的最优值;最后,结合实例,使用粒子群算法调参支持向量回归预测钻头合导向力,并对预测结果精度进行分析评价.研究结果表明,预弯BHA钻头合导向力预测精度较高,决定系数R^(2)达0.9568.