井眼弯曲平面倾角对钻头侧向力的影响研究

井眼轨迹的空间形状是影响钻头侧向力特别是方位力的一个主要因素。文中利用弯曲平面倾角来描述井眼轨迹的弯曲方向，并探讨了弯曲平面倾角对钻头侧向力的影响及其规律。结果表明，弯曲平面倾角和井眼曲率的有机结合可以很好地描述井眼轨迹空间形状对钻头侧向力的影响。当弯曲平面倾角为0°时，钻头上的方位力近似为零，而当弯曲平面倾角接近90°或270°时，钻头上的方位力绝对值最大。在不考虑地层因素的影响时，井眼的弯曲平面倾角及弯曲程度是产生钻头方位力的一个主要因素。在现场井眼轨迹控制过程中，应充分考虑这一特点。

弯曲井眼中管柱屈曲行为研究

给出了描述弯曲井眼中管柱屈曲及后屈曲行为的解析结果。通过求解由平衡法得到的管柱屈曲平衡方程，得到了管柱的正弦屈曲的构型和螺旋屈曲构型的解析解。解析结果与相应的数值结果有良好的一致性。在此基础上，确定了管柱的初始屈曲临界载荷、保持正弦屈曲构型的最大载荷和螺旋屈曲临界载荷。由此，进一步得到了管柱在后屈曲进程中载荷与变形受力的关系。

弯曲井眼中柔性钻柱的屈曲问题

利用能量法，研究了弯曲井眼中柔性钻柱的屈曲问题。在力学模型中，考虑了钻柱自重和井眼曲率的影响，给出了弯曲井眼中钻柱侧向屈曲临界荷载的一般形式。钻柱临界压力不仅与钻柱的长度、截面尺寸等有关，还与井眼的曲率有关，且随着曲率的增大，其临界压力随之增大。当弯曲井眼的曲率增大到一定的数值时，钻柱由稳定问题转变为强度问题，其临界压力应由钻柱的强度条件确定。

三维弯曲井眼钻柱接触非线性问题求解方法

目前研究钻柱与井壁多向接触问题普遍采用罚函数法、间隙元法、形式刚度法和放松约束法等,其计算速度慢,难以满足工程应用要求。通过建立三维弯曲井眼钻柱有限元模型和钻柱与井壁接触碰撞的定解条件,利用元胞自动机的基本理论,提出了一种基于元胞自动机的钻柱多向接触非线性有限元方程的求解方法。该方法具有编程简单、收敛速度快等优点,能够较好地解决钻柱在三维弯曲井眼中与井壁接触碰撞的复杂边界条件问题,适用于三维弯曲井眼钻柱接触非线性问题的求解。

弯曲井眼中套管抗挤强度计算

目前弯曲井眼中套管抗挤强度计算时没有考虑井眼弯曲的影响,无法确保固完井作业及生产过程中套管的安全。为此,根据弹性力学理论建立了井眼曲率和不均匀外挤力综合影响下的套管抗外挤强度公式。直接建立三维的套管模型,模型长度取10倍的套管外径,在套管的一端施加约束,另一端加弯矩来模拟井眼的弯曲。计算结果表明,在井眼曲率较大时,弯曲井眼中大尺寸厚壁套管抗外挤强度下降较为明显;理论计算的抗外挤强度通常小于模拟值,按照理论设计的套管是偏安全的,但不均匀度较大时需考虑模型计算的误差是否满足要求。

提高膨胀波纹管在弯曲井眼中应用可靠性研究

膨胀波纹管技术在弯曲井段中受井眼条件的影响,国内一直未形成配套技术;国外虽然有成功应用的案例,但存在应用规模小、成功率不高等问题。为了确定膨胀波纹管适用的井眼条件,明确了井径、井斜角变化率和方位角变化率对其膨胀性能的影响规律。为了缩短井眼准备时间,提高封隔段井眼质量,推荐了多种扩眼工具。为了提高焊缝的承压能力,研发了端头整形装置,将端头形状误差缩小至1mm以内;研制了自动焊接装置,减少了人为因素对焊接质量的影响,将焊接效率提高了8倍以上;形成了焊缝缺陷识别方法,识别精度最高可达0.01mm,确定了不同类型缺陷在不同位置的临界失效尺寸。研制了适用于小井眼的机械膨胀工具和应对井下复杂情况的磨铣膨胀一体化工具。完善了膨胀纹波管在弯曲井眼中应用的施工工艺,降低了管串提前失效和膨胀不充分等风险。研究成果在2口井中成功应用,标志着形成了膨胀波纹管封隔弯曲井眼复杂地层的配套技术,为解决全井段复杂情况提供了新技术手段。

弯曲井眼中下部钻具组合的有限元分析

定向井眼的弯曲形态,极大地影响了钻柱的受力状况,井眼轨迹控制特别要求对钻柱的最底端,即下部钻具组合进行深入的受力与变形分析。本文将有限单元法应用于下部钻具组合的三维静力分析。由于对处理方法做了一些改进,使有限单元法更适用于弯曲井眼中的钻柱受力与变形分析。针对钻柱与井壁的接触间题,文中提出了一种新的计算方法,大大缩短了这类问题的计算时间。对一些下部钻具组合进行了分析并论述了钻压、井斜角、井眼扩大、井眼三维曲率和钻头扭矩对钻头侧向力的影响。

轴向往复运动抽油杆柱在弯曲井眼内横向振动的仿真模型

抽油杆柱横向振动的研究是分析油井杆管偏磨现象的基础。该文将定向井抽油杆柱在弯曲井眼内的横向振动问题简化为具有初弯曲的纵横弯曲梁在油管约束下的横向振动问题。除考虑交变轴向载荷对抽油杆柱横向振动的激励外,首次提出弯曲井眼也是轴向往复运动抽油杆柱横向振动的主要激励。综合考虑弯曲井眼对轴向往复运动抽油杆柱横向振动的激励,以及交变轴向载荷对抽油杆柱横向振动的激励,应用弹性碰撞理论描述油管对抽油杆柱横向振动的约束,基于弹性体振动理论建立了具有初弯曲的抽油杆柱在弯曲井眼内的横向振动仿真模型。采用有限差分法与Newmark法实现了对定向井抽油杆柱横向振动的仿真计算。仿真结果表明:仿真结果与现场实际偏磨情况相符,说明在分析抽油杆柱横向振动时,轴向运动导致的弯曲井眼激励是一项不可忽略的因素;算例油井中,杆管偏磨的危险点主要出现在油井的造斜段与抽油杆柱的受压段。该文所建立定向井抽油杆柱横向振动仿真模型可用于指导抽油杆扶正器的优化配置。

超深高温弯曲井眼套管抗挤强度模型研究及应用

在定向井或水平井开发深层盐下油气资源时,套管柱在盐膏层的造斜段中受非均匀外挤载荷、井眼弯曲载荷及高温综合效应影响下易发生失效,严重影响井筒管柱完整性和生产安全。文章基于非均匀载荷下套管抗挤强度计算模型,引入井眼弯曲载荷和高温效应对套管屈服强度折减影响,建立了超深高温弯曲井眼套管抗挤强度评价模型,用以评价超深井中套管柱在盐膏层造斜段的抗挤强度可靠性。结果表明:井下套管剩余抗挤强度系数随套管外挤力非均匀系数增加呈近似抛物线型降低,随井眼曲率和井筒温度升高呈近似线性降低;套管外径和壁厚越大,井眼曲率和井筒温度对其抗挤强度折减越明显,而非均匀外挤载荷对三种规格套管抗挤强度影响相当。该研究成果在某盐膏层斜井中进行了现场应用,很好指导了该井套管的选型,并为同井型的套管实际抗挤强度评价及套管选型提供了技术支撑。

三维弯曲井眼套管动力学建模与仿真器开发

通过对井眼轨迹的模拟和计算,在充分掌握轨迹特征参数的基础上,以分段分析管柱受力和刚度模型为依托,综合考虑井斜角和方位角的变化、套管柱内外密度的不同、内外钻井液的压力以及套管自身的几何参数、物理参数等因素的影响,导出包含曲率和挠率计算的三维井眼套管上提、下放钩载计算模型。模型开发的大钩载荷分析仿真器以VB 6.0作开发平台,数字处理部分用Matlab软件编程计算。根据数据误差的来源以及实钻井眼的连续性,采用三次样条法使数据连续化。实例分析表明,实测结果和下套管模拟计算结果基本一致,模型对造斜段钩载的模拟较好;模型可在套管下入前进行大钩载荷预测,以防摩擦阻力超过大钩极限载荷而引起不必要的施工事故。

受压管杆柱在倾斜或弯曲井眼中的稳定性

以一跨受到轴向压力的管杆柱作为研究对象，建立了其弯曲变形的微分方程及边界条件，得到最大径向变形量的计算公式。经分析得到此式的使用条件，并得出临界跨度和临界轴向压力之间的关系式。计算实例表明，无论是套管、油管还是抽油杆，当其下入深度较大时都面临着失稳的问题，而且随着深度的增加．其失稳程度也增加。

弯曲井眼内潜油电泵机组连接螺钉强度分析

考虑潜油电泵机组连接螺钉的预紧力和通过弯曲井眼产生的附加轴向力,推导了弯曲井眼内机组连接螺钉强度计算公式,并采用有限元法进行了数值模拟,模拟结果与理论公式计算结果误差均小于2%,验证了理论公式的正确性,为弯曲井眼内机组连接螺钉强度分析提供了计算公式。

三维弯曲井眼中压裂套管轴向载荷分析

大规模的压裂改造会导致套管处于复杂的受力状态中,严重时会出现变形、弯曲、断裂等问题。考虑井眼轨迹、套管结构、压裂施工要求,考虑套管浮容重、管内流体压力、流体摩擦阻力以及温度载荷作用,建立套管轴向载荷力学模型。计算套管所受轴向力,分析其抗拉强度,以合理选择压裂参数,预防套管损坏。以油田某井压裂施工为例,根据建立的轴向载荷力学模型,计算得三维弯曲井眼中套管的最大轴向载荷在井口位置约为2191.648k N;井口套管抗拉强度安全系数最低,约为1.408,基本满足压裂施工要求。

存在上凸弯曲的水平井眼中钻柱的屈曲分析

在铅垂平面内水平井眼轨迹为一条上下起伏的波浪线,因此在某一段井眼轨迹会呈现上凸弯曲,受其约束位于其中的钻柱也会存在上凸初弯曲。利用能量法对水平井眼中存在上凸初弯曲钻柱的屈曲问题进行了分析研究,推导出了屈曲载荷的计算公式。公式表明,水平井眼中当钻柱存在上凸初弯曲时其屈曲载荷的大小不仅与钻柱的长度、截面尺寸、材料以及钻柱与井眼之间的间隙等有关,还与钻柱上凸初弯曲的程度有关系,不可忽略其影响。算例分析表明,水平井眼中钻柱存在的上凸初弯曲会使其屈曲载荷减小,上凸初弯曲程度越大,屈曲载荷减小的幅度越大。

弯曲井眼中钻柱的稳定性分析

用力法对弯曲井眼中钻柱的稳定性进行了分析计算,推导出了弯曲井眼中钻柱挠曲线方程的表达式。研究表明,弯曲井眼中的钻柱无论初弯曲的情况怎样微小,其承载能力总是比Euler临界载荷小,钻柱初弯曲的情况越严重,其承载能力越小。

铅垂平面型弯曲井眼的抽油机悬点载荷的计算

针对铅垂平面型弯曲井眼，阐明了垂直井段、造斜并段、稳斜井段和降斜井段中抽油杆载荷以及抽油机悬点载荷的计算方法。通过实例分析了抽油杆与油管间挤压力的分布，指出降低造斜点和井眼曲率是改善抽油杆与油管工作条件的有效途径。

计算弯曲井眼内双扶正器钟摆钻具受力的加权残数法及扶正器位置的优化设计

钟摆钻具是石油井工程中重要的组合钻具之一，本文用加权残数最小二乘法分析弯曲井眼内的多扶正器组合钻具的静力问题，推导出能适用于任何下部组合钻具的变形和受的理论公式，将其具体应用扶正器钟摆钻具，给出了双扶正器钟摆钻具的钻头侧向力，扶正器处的内弯矩和侧向力等计算公式，采用伸缩保差的优化方法计算纠斜侧向力为最大时对应的最优扶正器位置，实际算例说明此方法是可行且实用。

考虑扭矩影响的弯曲井眼内钻柱屈曲特性分析

分析了弯曲井眼内钻柱屈曲特性,推导了考虑扭矩影响下的弯曲井眼内钻柱屈曲微分方程和屈曲临界载荷计算模型。针对Φ215.9 mm井眼内的Φ127.0 mm钻杆,建立了增斜和降斜井段钻柱的有限元模型,对比分析了考虑和不考虑扭矩影响时的钻柱屈曲特性。结果表明,钻柱正弦屈曲构型与扭矩无关,而只与钻柱所受轴向载荷有关,扭矩对螺旋屈曲构型影响较大。数值模拟得到的弯曲井段不同造斜率下的钻柱屈曲临界载荷与解析解的相对误差在15%以内,证明了数值模拟的可靠性。弯曲井眼内施加扭矩后,螺旋角位移增大,正弦和螺旋屈曲临界载荷降低。钻柱正弦屈曲形态变化较小,扭矩对螺旋屈曲变形的影响更大。增斜井段钻柱从顶部开始发生正弦和螺旋屈曲,钻柱底部保持平衡状态;在降斜井段,不考虑扭矩时,初始正弦和螺旋屈曲均首先出现在钻柱下部,考虑扭矩影响时,降斜段初始正弦屈曲出现在钻柱上部,初始螺旋屈曲同时出现在钻柱上部和下部。相对于增斜段,降斜段钻柱屈曲临界轴向载荷非常小,说明增斜井段发生屈曲的可能性相对较小,降斜井段则很容易发生屈曲。结果有望为水平井、大位移井弯曲井眼内钻柱设计、屈曲控制与强度校核提供参考。

大斜度井钻杆在弯曲井眼中的受力分析

在大斜度井弯曲井眼中,钻杆受井眼约束,管柱产生大挠度,管柱的变形属于大变形;钻杆在这种工况下是一个大挠度、大变形、大位移,小应变的几何非线性问题。并对弯曲井眼中的钻杆承受轴向压力、轴向拉力进行分析。