475型静态推靠式旋转导向钻具组合的弯曲应力分布规律

旋转导向钻井系统(RSS)是定向钻井的核心装备.经过多年攻关,中海油田服务股份有限公司(简称中海油服)研制出了475型旋转导向钻井系统.为了降低该系统在高造斜率井段的疲劳失效风险,本文采用纵横弯曲梁理论建立了475型静态推靠式旋转导向钻具组合(RSBHA)力学分析模型,模拟分析了RSBHA的弯曲应力总体分布规律、最大弯曲应力影响因素及变化规律.研究表明,限定导向头结构参数条件下,适当加长挠性短节并合理调控钻压和导向合力有助于获得较高造斜率并降低BHA(Bottom-Hole Assembly,底部钻具组合)最大曲率和弯曲应力,最终降低挠性短节疲劳失效风险.研究成果能够为提升该系统的工作能力和安全可靠性提供支持.

钻柱力学基本方程及其应用

建立了适用于钻柱几何非线性动力分析的钻柱动力学基本方程，在此基础上建立了导向钻具三维小挠度静力分析的数学模型、导向钻具三维大挠度静力分析的数学模型、钻柱稳态拉力－扭矩模型。

通用下部钻具三维小挠度静力分析的数学模型及应用

随着钻井技术的进步，以控制井眼轨道为目的的下部钻具组合发展迅速。在原来的普通增斜、降斜和稳斜钻具的基础上，发展了多种类型的导向钻具、带偏心弯接头的防斜钻具、带柔性接头防斜钻具和两稳定器间变刚度的增斜钻具等多种新型下部钻具组合。为了更好地应用这些新钻具,建立了适用于对普通下部钻具、导向钻具、带偏心弯接头和柔性接头的下部钻具进行三维小挠度静力学分析的数学模型，包括(1)微分方程，(2)钻头、稳定器、弯角、变截面、切点和井壁的边界条件，(3)钻头的侧向力和钻头转角。用该理论编写了应用软件。作为软件的部分功能,对几套钻具进行了增斜率随井斜角变化的预测, 并进行了初步分析。

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。

传统底部钻具组合上切点边界条件的正确性

传统的底部钻具组合受力分析的上切点处的边界条件表达为 :1.与下井壁接触 ;2 .转角与井眼轴线的一致 ;3.曲率与井眼轴线的一致。该表达方法已经采用了多年 ,应用效果良好。近来 ,有文章否定该边界条件 ,文中例证了传统底部钻具组合上切点边界条件的正确性。

确定底部钻具组合上切点位置的新观点

在计算底部钻具组合的受力和变形时 ,以前一般都是按弯矩为零的条件来确定其上切点的位置。提出了一种新观点 ,即按照钻柱与井壁的接触力为零的条件来确定这一位置。推导了相应的计算公式 ,给出了算例 ,并通过算例的结果证明了该观点的合理性。

小井眼直井钻柱力学分析及应用

根据小眼井钻具细、刚度低等特点 ,充分考虑钻具与井壁的接触碰撞 ,建立了小井眼直井钻柱力学模型和理论分析方法 ,由此分别建立了小井眼直井钻具性能评估准则和钻柱动强度条件。实践证明 ,小井眼直井钻具性能评估准则和钻柱动强度条件是正确的 ,有效地满足了钻井工程需要。

再论“钻头处的边界条件”

由于现在人们对底部钻具组合的受力和变形分析研究仍主要处于静态阶段 ,认为在纯静态的分析中加入一点动态的影响 ,即考虑钻头在钻进时弯矩不断变化的事实 ,将钻头处的边界条件按固支和铰支各计算 1次 ,最终结果取这 2次结果的平均值 ,这可能比只按固支或铰支所得结果更接近真实值。

用有限差分法分析底部钻具组合的静力

本文采用有限差分法对底部钻具组合三维静力问题进行了分析研究。通过中心差分，建立有关的差分方程，并编写了相应的计算机处理程序。在此基础上，通过算例分析，阐明了钻压、井斜角、井眼曲率及稳定器间隙对钻头侧向力的影响规律。