初弯曲纵横弯曲梁的等效载荷法及其应用

介绍一种求解初弯曲纵横弯曲梁的方法——等效载荷法,以及该方法在解决实际工程问题中的成功应用,为井下控制工具的研制和井眼轨道控制提供了理论依据.

基于纵横弯曲梁理论的水平井管柱摩阻扭矩分析方法

在非常规油气藏水平井钻进过程中,井壁稳定性差导致井眼不规则,钻柱受力复杂,摩阻扭矩计算误差较大。根据纵横弯曲连续梁理论,在井斜平面、方位平面内对钻具组合进行管柱受力及变形分析,从而建立了一种含有虚拟接触点的改进纵横弯曲梁模型分析钻井管柱摩阻扭矩。优点在于指定接触点时不用考虑是否为真实接触点,由此可将接头或接箍、扶正器等直径较大的部位指定为接触点。对于非真实接触点可以按虚拟接触点考虑,从而使模型的应用和求解更加方便、可行。实例分析结果表明,套管下入、旋转钻进、滑动钻进、复合钻进状态下管柱摩阻扭矩理论计算值与实测平均值基本相同,且变化趋势一致,验证了计算模型的准确性。

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．

等截面纵横弯曲梁的分布传递函数法

建立了等截面纵横弯曲梁的分布传递函数求解模型。这种模型可以适应复杂的边界条件和外力情况,表达公式形式简单规范,便于计算机编程处理。对于复杂系统,根据外力和约束的情况,将其分成多个子系统,并依照分布传递函数方法分别对每个子系统进行处理,借助有限元方法,建立整个系统的平衡方程,最后得出问题的解。

用传递函数方法求解变截面纵横弯曲梁

提出了变截面纵横弯曲梁的传递函数解法,引入状态变量,将微分控制方程及边界条件方程改写成状态空间形式,然后求解,最后的算例显示了此方法的优越性,以推广该方法。

纵横弯曲中轴力对最大正应力的影响

弯曲问题的强度条件是最大正应力不大于材料的许用应力,即σ_(max)[σ].纵横弯曲梁的轴力对截面最大正应力σ_(max)有重要影响,某些情况下适度的轴力可以降低最大正应力,从而提高梁的安全裕度.本文给出了这种特定情况应满足的条件及其适度轴力上限的计算方法.

钻柱正弦屈曲对裂纹疲劳寿命的影响

针对钻进过程中由于屈曲段旋转产生的离心力导致的附加弯曲应力对该段的裂纹扩展与管柱寿命产生的影响,计算了屈曲段以ω角速度旋转时所产生的离心力,利用纵横弯曲梁理论求得了在该离心力作用下屈曲段所产生的最大附加弯矩和最大附加弯曲应力,并结合裂纹扩展理论,建立了考虑管柱旋转状态下屈曲对裂纹扩展寿命影响的模型,得出了以ω旋转的临界屈曲段裂纹扩展速率的解析表达式。算例表明,在钻进中由于发生正弦屈曲而产生的附加弯曲应力对该管柱上的裂纹扩展速率及其疲劳寿命有显著影响,在评价裂纹疲劳寿命时,不能忽视屈曲对裂纹寿命的影响。

水平井摩阻扭矩的分段计算方法

本文根据水平井的轨道设计、管柱与井壁接触和受力特点,利用分段计算方法,建立水平井管柱摩阻扭矩计算模型。根据水平井的轨道,采用三维纵横弯曲梁模型,计算处于增斜段管柱的摩阻扭矩;采用修正软模型,求解处于直井段、稳斜段、水平段管柱的摩阻扭矩;并考虑管柱屈曲的影响,建立适合水平井的摩阻扭矩三维分段计算模型。利用该模型,对现场实际问题进行计算,结果表明,该模型计算精度较高,可为现场实践应用提供技术参考。

绳索取心满眼管柱的力学模型优化与应用

为了解决常规绳索取心钻具结构防斜能力低、钻孔轨迹控制差的问题,本文基于经典管柱力学的纵横弯曲连续梁理论,优化了孔底钻具的力学模型:将取心钻头与下扩孔器间视为钻头整体,而不作为第一跨;将稳定器间距小于切点跨距的管柱视为刚体。在此基础上提出了提高钻具防斜和钻孔轨迹控制的管柱结构模型,并通过钻探施工验证得出,管柱结构模型的理论防斜效果和实际钻孔轨迹变化情况相吻合,这为提高绳索取心钻孔质量提供了有效的理论指导。

连续造斜绳索取心钻具造斜机构的设计与试验

根据钻杆抗弯强度的限制，确定连续造斜绳索取心钻具的造斜能力在0．2°-0．5°／m。为满足绳索取心的要求，设计造斜机构采用偏心轴承结构。分别利用几何分析法与极限曲率法对造斜结构的造斜能力进行理论计算。实验结果表明，该造斜机构能够达到设计造斜能力，用纵横弯曲梁法的计算造斜率与实钻造斜率较为吻合。

水平井管柱摩阻扭矩的计算模型

根据水平井的轨道设计、管柱与井壁接触和受力特点,利用分段计算方法,建立水平井管柱摩阻扭矩计算模型。根据水平井的轨道,采用三维纵横弯曲梁模型,计算处于增斜段管柱的摩阻扭矩;采用修正软模型,求解处于直井段、稳斜段、水平段管柱的摩阻扭矩;并考虑管柱屈曲的影响,建立适合水平井的摩阻扭矩三维分段计算模型。利用该模型,对现场实际问题进行计算,结果表明,该模型计算精度较高,可为现场实践应用提供技术参考。

改进的静态推靠式旋转导向钻具组合力学模型

为了提高井眼轨迹调控精度和效率,基于该旋转导向钻井系统的结构及工作原理,应用纵横弯曲梁理论重建下部钻具组合力学模型。其中,考虑导向翼肋与井壁的接触作用,给出导向翼肋等效处理新方法——将导向翼肋等效成偏心距未知、支座反力已知的偏心稳定器,将导向力等于支座反力设为补充求解条件。理论分析与实钻数据表明,给出的导向翼肋等效处理方法更合理,基于该等效方法建立的下部钻具组合力学模型有助于提高井眼轨迹参数预测精度,能够满足钻井要求。

煤矿近水平定向钻进钻头侧向力计算与分析

运用纵横弯曲梁理论建立了近水平定向钻进竖直剖面上钻头侧向力的计算模型,找出了侧向力的影响因素,运用二分法对计算模型进行求解,并对求解结果进行分析,获得了各影响因素与侧向力的关系曲线,为合理选择钻孔参数,综合控制竖直剖面钻孔轨迹提供了理论基础。

偏轴钟摆钻具组合力学特性分析

运用纵横弯曲连续梁理论和达朗伯原理 ,建立了偏轴钟摆钻具组合动力学分析模型。该模型能够用于求解钻头处的侧向力和转角以及偏轴接头处的侧向力 ,以评价钻具组合的防斜 (纠斜 )能力和偏轴接头附近的偏磨程度。计算结果表明 ,适当降低钻压或提高转速 ,有利于纠斜 ;增加偏轴接头偏心距或将偏轴接头位置上移 ,有利于纠斜 ,但不利于控制钻铤 (或接头 )偏磨 ;扶正器位置上移基本上不利于纠斜 ,也不利于控制钻铤 (或接头 )偏磨 ;偏轴接头处存在较大的接触力时 。

煤矿井下定向钻进螺杆钻具力学分析

单弯螺杆钻具是实现煤矿井下近水平定向钻进的重要工具之一。文章采用纵横弯曲法对煤矿井下单弯螺杆钻具进行受力和变形分析,阐述了变斜力和变方位力与钻压、第一跨梁长度、钻孔曲率、结构弯角及工具面向角等因素的关系。此外,通过对螺杆钻具的扭矩、轴向荷载和离心力的分析,有助于全面了解螺杆钻具的工作状况,对正确使用和维护钻具、保证定向钻进施工的顺利进行具有重要意义。

水平井套管下入载荷计算及扶正器减阻分析

页岩油水平井由于深度深、水平段长,使得套管下入过程中摩阻过大,导致套管难以顺利下入,根据水平段的井斜角大小分为勺型井和大斜度井,不同井型套管下入摩阻不同,因此需要选择较为准确的摩阻预测模型。现场通过安放扶正器来减小套管下入摩阻,不同扶正器组合对勺型井、大斜度井的减阻效果又是不同的,因此需要对比出减摩效果最好的扶正器组合。采用纵横弯曲梁与软杆模型拟合了勺型井和大斜度井有无扶正器时套管下入大钩的载荷,并与实际值进行了对比;结合纵横弯曲梁模型分析了不同扶正器组合对套管下入的减阻效果。结果表明:考虑扶正器的纵横弯曲梁模型计算出的摩阻、钩载更符合实际,勺型井与大斜度井采用弹性/刚性扶正器组合时减阻效果最好,勺型井套管下入摩阻最大降低了79%,平均减阻70.3%,大斜度井套管下入摩阻最大降低了35.5%,平均减阻20.6%,由此可见勺型水平井比大斜度水平井更需要对扶正器组合进行优选。

“璇玑”系统钻头选型研究

“璇玑”系统是中海油服自研旋转导向及随钻测井系统,目前已经完成1000口井的作业。为了使“璇玑”系统保持竞争力并得到进一步推广,“璇玑”系统配接的钻头选型至关重要。基于“璇玑”系统导向工具的结构特征和导向机理,阐述钻头选型的原则和方法,从“璇玑”系统应用角度提出适合该系统应用的钻头选型方法,并通过实钻实验分析得到钻头选型的特征参数,从而总结出“璇玑”系统在钻头选型方面的原则,可为“璇玑”系统推广应用提供技术参考和理论依据。

煤矿井下定向钻孔轨迹预测方法研究

针对传统钻孔轨迹预测方法中三点定圆法未考虑钻具受力变形、纵横弯曲梁法相关参数难以获取的问题,提出了一种运用纵横弯曲梁理论对三点定圆法进行改进的煤矿定向钻孔轨迹预测新方法。该方法根据纵横弯曲梁理论对单弯螺杆钻具组合进行受力分析,导出三弯矩方程,求取钻具组合弯曲变形后形成的第二跨跨长L_2,代入三点定圆法中,计算得出钻具组合在不同受力条件下的预测造斜率,实现煤矿近水平千米定向钻孔的轨迹预测。运用晋煤赵庄矿千米钻机钻孔轨迹数据对模型进行了验证,验证结果表明,该方法的预测精度达到施工要求并高于传统的纵横弯曲梁法。

荆州油区瘦身井螺杆钻具造斜能力影响因素研究

为保障荆州油区稳产,实现荆州油区剩余油有效动用,开展油区瘦身井钻井试验,在造斜段钻进过程中出现瘦身井单弯螺杆工具造斜率不足的问题。基于纵横弯曲连续梁理论,考虑井径扩大率的影响,建立瘦身井单弯螺杆BHA力学分析模型,以钻头侧向力作为评价瘦身井单弯螺杆造斜能力的指标,分析了钻具组合参数对瘦身井单弯螺杆造斜能力的影响,并进行现场钻井试验。结果表明:随着钻压增大、L1段减小、井径扩大率减小、扶正器外径变大,钻具组合造斜能力增强;单弯螺杆的弯角对钻具组合造斜性能影响较大,螺杆的弯角越大,钻具组合造斜能力越强;瘦身井单弯螺杆BHA模型预测值与实际值基本一致,最大误差仅为12.2%,验证了本文所建立模型的合理性与准确性。