钻柱涡动对环空压耗影响的数值模拟

本文利用Gambit建模并且通过Fluent软件对钻柱涡动对环空压耗的影响进行数值模拟,研究探讨了钻柱涡动时环空流场的速度场和压力场与无涡动时的环空流场特性和压耗的区别,研究得知钻柱的涡动会增加环空内的压力损耗。

修井钻磨涡动钻柱诱发套管磨损程度分析

钻柱在井筒中旋转时会发生涡动,与套管内壁发生碰撞和摩擦,导致套管磨损,降低井筒安全性。为此,考虑钻杆接头-套管、磨鞋-套管的接触非线性,使用ANSYS软件建立了钻柱动力学有限元模型,采用增强拉格朗日法进行接触求解,模拟钻柱在直井井筒中转动时的涡动,得到了钻柱的涡动轨迹和碰撞特性,探究了钻柱的涡动特性及钻柱涡动对套管造成的冲击和滚动磨损,在此基础上计算分析碰撞时的磨损体积,揭示了钻柱转速对套管磨损的影响规律。研究结果表明:涡动造成的钻杆接头、磨鞋与套管的接触有点-面与线-面两种形式,且以点-面接触为主;磨鞋、接头对套管造成的磨损主要为沿套管周向的不连续磨损;除去临界转速附近的结果,钻柱系统转速越高,其钻进期间涡动造成的套管磨损量越大。因此,修井钻磨时应尽量选用较低的转速以减少套管磨损,进而提升修井钻磨工作的安全性。

底部钻具规则涡动轨迹的内摆线描述方法

为了认识和控制钻井过程中的钻柱涡动,基于几何学原理提出内摆线描述方法。该方法将涡动视为规则运动,从分析钻柱外缘固定点的运动特性入手,求解底部钻具(BHA)与井壁的摩擦接触的运动轨迹方程,确定轨迹上各点的速度,分析钻柱自转和公转速度对底部钻具运动轨迹的影响。结果表明:底部钻具的涡动可能造成钻柱以远高于其自转速度的角速度沿着井壁快速公转,导致井下工具过早失效;钻柱规则涡动引起BHA外缘某点沿井壁的运动轨迹可用几何方法进行描述,轨迹方程证实线速度是影响井下工具磨损的重要参数;根据现场测试与室内试验所获得的钻柱规则运动轨迹可以反推涡动方程,从而掌握BHA的运动状态;利用内摆线描述法所得结果与文献试验数据吻合较好。

聚焦于碰摩诱导的非规则形貌套管磨损分析

由于钻磨铣作业管柱刚度低且受力情况复杂,发生涡动时不可避免会碰摩套管,诱导套管产生不连续、随机的磨损,降低井筒安全性。为研究碰摩磨损对套管安全性的影响规律,基于转子动力学理论建立了钻磨铣作业钻柱有限元动力学模型,得到钻柱涡动轨迹及钻柱涡动诱发的套管碰摩特征;同时建立了碰摩磨损体积计算模型,考察转速、钻压对碰摩诱导的套管磨损的影响规律;将碰摩磨损缺陷引入套管模型,采用应力集中比值分析碰摩磨损缺陷对套管承载性能的影响规律。研究结果表明:钻磨铣作业期间钻柱对套管的碰摩主要发生在下部钻具组合处,表现为不连续性碰摩和连续性碰摩2种形式;转速、钻压与碰摩磨损程度呈正相关关系;碰摩磨损缺陷的偏磨率、开口大小及数量会对套管承载性能产生不同的影响。研究结果可为由碰摩诱导产生的套管磨损分析及井筒完整性评价提供理论依据。

深水无隔水管钻柱的临界转速分析

基于实际的工况考虑了钻柱壁厚、水深、张力、钻井液流速等因素对无隔水管钻柱的影响,根据达朗贝尔原理建立了无隔水管钻柱的涡动微分方程模型;在此模型上由分离变量法推导出了钻柱临界转速方程,并与Rayleigh梁-轴模型的临界转速方程进行对比并验证了本方程的正确性。分析结果表明:在不同阶数的情况下,随着水深或壁厚的增加,临界转速降低;随着张力的增加,临界转速提高;流速对临界转速无明显的影响。本文所得结论对于采用无隔水管钻井技术作业具有指导意义。

钻柱力学研究现状及进展

钻柱力学是井眼轨道设计和控制、钻柱设计及钻井参数优选的基础。从钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态、钻柱动力学基本方程、钻柱的拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱振动与涡动等方面分析了钻柱力学的发展状况。钻柱力学已经形成了比较完整的理论体系。钻柱静力学发展快,计算精度高。动力学发展则滞后较大,还有很多问题没有解决。结合现代钻井技术的发展趋势,对钻柱力学研究的未来走向做了初步探讨。基础理论研究、系统控制论理论与研究方法、动态特性测试及虚拟仿真技术将在钻柱力学的未来发展中扮演重要角色。