模拟底部钻具组合不同运动状态的特征研究

底部钻具组合力学特性模拟试验研究

第４１卷第３期
２０１３年５月
石
油
钻
探
技
术
ＶｏＬ４１ＮＯ．３
Ｍａｖ。２０１３
ＰＥＴＲ（）ＬＥＵＭＤＲＩＬＬＩＮＧＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ
．＿钻井完井
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１ — ０８９０．２０１３．０３．０１５
大，转速对合侧向力的影响较小；随钻压增大，井斜力增大，转速越大，井斜力越大；方位力随钻压增大而增大，转速
对方位力的影响较小；合侧向力方向角随钻压增大而减小，随转速增大而增大。研究结果可为井斜控制机理研究
方面去研究ＢＨＡ的力学特性，然而目前试验方面的研究很少。根据相似理论，利用底部钻柱力学装置，模拟研究
了钻压和转速对并斜力、方位力、钻头合侧向力及其方向角的影响规律。结果表明：合侧向力随钻压的增大而增
ａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｉｓｉｎａｄｅｑｕａｔｅＳＯｆａｒ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｉｔｙｔｈｅｏｒｙ，
ｊｉｎｇ，１０２２４９，Ｃｈｉｎａ）

底部钻具组合的涡动特征分析

底部钻具组合的涡动特征分析导言：底部钻具组合是钻井工艺中的关键部分，其动态特性对钻井系统的工作效率、钻井质量和井下设备的寿命具有重要影响。

钻具在井下工作时会受到涡动的影响，而涡动现象常常导致钻具振动、磨损和断裂等问题，影响钻井的效率和安全。

因此，对底部钻具组合的涡动特征进行分析和研究，对于钻井工程的设计和优化具有重要意义。

涡动的概念和特征：涡动是流体在流动过程中出现的一种无序旋转的现象，其原因主要是流动速度、方向和压力的变化。

在钻井井下环境中，底部钻具组合所受到的作用力和压力的不均匀分布会引起涡动的产生。

涡动会导致钻具产生旋转、振动和摩擦等不稳定运动，给钻井施工过程带来不利影响。

涡动的机理和影响因素：涡动的产生机理非常复杂，涉及到流体力学、物理学和涡旋动力学等多个学科。

涡动的产生主要是由于流体的粘度、速度和压力的不均匀分布，以及钻具和井壁之间的摩擦。

同时，涡动的强度和频率也受到井深、井径、钻具形状和工况等因素的影响。

涡动对底部钻具组合的影响是多方面的。

首先，涡动会引起钻具的振动，从而导致钻柱的弯曲和磨损，降低钻具的工作寿命。

其次，涡动会增加钻具与井壁之间的摩擦力，增大钻具的功率消耗，减小钻井效率。

此外，涡动还会引起钻井液的泡沫和气体的产生，增加钻井液的消耗，增加钻井成本。

涡动的控制和减少方法：针对底部钻具组合的涡动问题，可以采取多种方法进行控制和减少。

首先，可以通过优化钻井泥浆的流动条件和性质，减少涡动的产生。

可以选择适当的泥浆密度、粘度和流速等参数，并合理选择添加剂，改善泥浆的润滑和减阻性能。

其次，可以通过合理设计和优化底部钻具组合的结构和形状，减少涡动的作用。

可以采用光滑的钻具和减少附件的安装，减小钻具与井壁之间的接触面积，减少摩擦和涡动的产生。

此外，还可以加强钻井工程的监测和控制，及时发现和处理涡动问题，减少涡动对钻井系统的不利影响。

结论：底部钻具组合的涡动特征分析对于钻井工程的设计和优化非常重要。

应用相似方法模拟研究底部钻具组合的公转运动规律

应用相似方法模拟研究底部钻具组合的公转运动规律
史玉才;苑燕燕;武春芳
【期刊名称】《广西大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2006(031)0z1
【摘要】应用相似理论及相似转换法,推导出了模拟实验研究底部钻具组合(BHA)运动状态所遵循的相似指标及相似准则,简单介绍了如何应用该相似准则建立底部钻具组合运动状态模拟实验装置.本文采用BHA运动微分方程为基本方程推导相似准则,推导出的相似准则物理意义明确,可以用来指导BHA运动状态实验研究.【总页数】4页(P159-162)
【作者】史玉才;苑燕燕;武春芳
【作者单位】中国石油大学(华东)石油工程学院,山东,东营,257061;中国石油大学(华东)石油工程学院,山东,东营,257061;胜利石油管理局,孤岛采油厂,山东,东
营,257231
【正文语种】中文
【中图分类】TE22
【相关文献】
1.综放开采煤岩层运动规律相似模拟研究 [J], 孙建文
2.老三沟煤矿覆岩运动规律相似材料模拟研究 [J], 徐文达
3.应用相似方法模拟研究底部钻具组合的公转运动规律 [J], 史玉才;苑燕燕;武春芳
4.薄煤层工作面覆岩运动规律相似模拟研究 [J], 郭路
5.建筑物下压煤开采方法相似模拟研究 [J], 崔健
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井底光钻铤钻具组合旋转及钻压波动规律模拟研究

钻柱的振动会破坏钻具1214应该抑制或者转化其能量以减小此类危害的产生15光钻铤钻具组合在井底的转动状态比较复杂存在正向涡动反向涡动谐波振动几个状态在可选的钻进参数范围内钻具组合处于正向涡动和谐波振动状态要想使其反向涡动必须对转速及钻压进行合理选择及精确的控制
２０１正第２
４１卷第５期第５２页
（ｏｌｇｆＰｅｒｌｕＥｎｎｅｉｇ，ｈｉａＵｎｖｒｉｆＰｅｒｌｕ（ｓＣｉａ）Ｑｉｇａ６５５Ｃｈｎ）ＣｌｅｅｏｔｏｅｍｇｉｅｒｎＣｎｉｅｓｔｏｙｔｏｅｍＥａｔｈｎ，ｎｄｏ２６５，ｉａ
ＡｂｔａｔＡｃｏｄｉｏｔｘｐｒｍｅｔｌｄｖｃｅｉｎｅｎｔｓｓｏｈｅｐｉｉｌｆｓｍｉｉｕ，ｓｒｃ：ｃｒｎｇｔｈｅｅｅｉｎａｅｉｅｄｓｇｄｏｈｅｂａｉｆｔｒｎｃｐｅｏｉｌｔｄｅｔｎｖｓｉａｅｔｏｉｅｔｇｔｈｅｍｏｔｏｅｖｏｒｆｂｔｍｒｌｓｒｎｇ，ｏｍｅｅｅｉｎｔｖｅｏｏｕｎｉｎｂｈａｉｓｏｏｔｏｄｉｌｔｉｓｘｐｒｍｅｓｈａｅｂｅｎｄｎｅｔ —
ｄｒｔｎｈｅｒｔｔｏｎｘａｉｒｔｏｈａａｔｒｓｉｓｏｌｃｅｓａｄｔｏａｉｎａｄａｉｌｖｂａｉｎｃｒｃｅｉｔｃｆｓｉｋＢＨＡｎｄｗｎｈｏｅＴｈｅｐｐｅａｉｏ — ｌ．ａｒｈｓ
ｄａｉｕｌｆＢＨＡｎｄｉｆｒｎｔａｓｍｂｌｄｐｒｍｅｅ．ｈｅｒｓｌｈｗｓｔｔｔｅｍａｎｗｏｒｔ — ｙｎｍｃｒｅｏｉｆｅｅｓｅｅａａｔｒＴｅｕｔｓｏｈａｈｉｋｓａ

底部钻具组合的涡动特征分析

摘
要：编制了井底钻具组合动力学特性的模拟程序，拟结果与文献中的结果对比表明，编模拟程序的模模所
拟结果正确。利用井底钻具组合动力学特性的模拟程序模拟了钻铤形心的径向速度、向加速度、径涡动加速度、涡动速度功率谱以及相图，全面地反映了井底钻具组合的动力学特性。结果表明：底钻具组合在特定的情况下较井
文献标识码：Ａ
Hale Waihona Puke 文章编号：０１０９（０００ — ０４０１０ — ８０２１）４０８ — ５
ＡｎａｙｉｆＷｈｉｌｎｏｒｉｓｏｔｏｏｅＡｓｅｂｙｌｓｓｏｒｉｇＰｒｐｅｔｅｆＢｏｔｍＨｌｓｍｌ
度（９４／ｉ）该种状态的出现对钻具组合的导向能力及安全性将造成很大的的影响，得进一步探讨。７．１ｒｍｎ，值
关键词：具组合；钻柱振动；动力学；数学模型；数值模拟钻
中图分类号：Ｅ１ＴＥ２．Ｔ２；９１２
底部钻具组合的涡动特征分析
姚永汉狄勤丰朱卫平胡以宝王文昌姚建林
（海市应用数学和力学研究所（海大学）上海市能源与环境工程中的关键力学问题重点实验室，海上上上２０７）００２

下部钻具组合的非线性静力学分析与计算

下部钻具组合的非线性静力学分析与计算下部钻具组合的非线性静力学分析对下部钻具的设计和钻井参数的合理选择具有重要的意义。

为此，本文继承前人的研究成果，结合现代钻井技术和工程经验，从非线性静力学的角度对下部钻具组合进行了分析与计算，具体内容包括：（1）根据下部钻具组合在井眼中的工作状态，综合考虑钻具在自重和钻压作用下引起的纵向弯曲，及其下部钻具与井壁的接触非线性，建立了下部钻具组合的几何和接触双重非线性静力学模型。

（2）运用有限元分析中的空间梁单元和接触间隙元方法，对下部钻具组合的双重非线性静力学模型进行分析与求解。

（3）分析了钻柱的非线性屈曲，并考虑了在钻柱重力和井壁切向摩擦的影响下，采用微分求积法(DQ method)，对直井中钻柱非线性屈曲控制微分方程进行了求解。

（4）分析了下部钻具螺纹连接区应力的分布，对下部钻具螺纹连接部位进行了结构优化设计。

在满足下部钻具强度条件下，改进的螺纹应力减轻槽，可有效降低下部钻具螺纹连接处的应力集中水平。

教学媒体4-底部钻具组合分析

二、定向井底部钻具组合
增斜钻具实例-长庆小井眼
反扭角计算定点造斜时的反扭角计算公式
180 M ϕ= Gπ
⎞ ⎛ l1 l 2 ⎟ ⎜ + ⎟ ⎜I I p2 ⎠ ⎝ p1
二、定向井底部钻具组合
增斜钻具实例-长庆小井眼
变径扶正器增斜: 165bit*0.18+311*310*0.42+变径扶正器*1.17 + 121DC*125.44 + 311*310*0.35 + 88.9DP 钻压80 kN，转速90rpm 单弯螺杆增斜: 165bit*0.18+311*310*0.36+ 121 单弯螺杆 *4.8 +121NDC+121DC*18+88.9DP 钻压80 kN，转速90rpm
二、定向井底部钻具组合
二、定向井底部钻具组合
增斜钻具
二、定向井底部钻具组合
增斜钻具
二、定向井底部钻具组合
增斜钻具
钻具增斜能力与井斜角的关系单位：°/25m 2° 1# 2# 3# 4# 5# 6# 5.20 11.8 0.0095 -0.218 0.0977 -0.0067 10° 5.3122 11.921 -0.0671 1.0543 0.1415 -0.0039 40° 5.6478 10.76 -0.5274 3.9418 0.1948 -0.0159 90° 6.0266 11.68 -1.097 4.2046 0.128 -0.0347
一、直井防斜钻具组合
防斜钻具
刚性满眼钻具： •原理：提高BHA刚度，防止弯曲 •主要包括：满眼钻具组合、方钻铤 •特点：结构原理简单，现场易操作强造斜趋势地层难以控制井斜无纠斜能力对井壁要求严格

井底钻具组合轨迹控制特性分析

井底钻具组合轨迹控制特性分析摘要：井底钻具组合（BHA）是井眼轨迹控制的关键，BHA不同的结构特征及不同的施工参数配合其轨迹控制能力不同，本文应用wellplan软件BHA特性分析功能，分析了目前常用BHA的结构特征及与不同参数配合下的井眼轨迹控制特性，为井眼轨迹控制BHA结构及施工参数优化提供了参考。

关键词：底部钻具组合；BHA；轨迹控制；Wellplan准确的掌握钻具组合的轨迹控制能力是控制好轨迹的关键所在，钻具组合所具有的轨迹控制能力不仅于其结构有关，而且与与之配合的施工参数有关，本文采用wellplan软件底部钻具组合分析模块，利用有限单元发，分析常用井眼轨迹控制所用BHA的轨迹控制特性，以便据此优化钻具组合及施工参数，增强入井工具的轨迹控制能力，达到提速的目的。

1常用井底钻具组合结构目前最常用的井眼尺寸为φ215.9mm井眼，因此统计出φ215.9mm井眼中常用钻具组合结构类型及参数。

（1）钟摆BHA：φ216mm钻头+φ172mm短钻铤+φ172mm无磁钻铤×1+φ210mm稳定器+φ127mm加重钻杆。

（2）增斜BHA：a.φ216mm钻头+φ214mm稳定器+φ159mm无磁钻铤+φ127mm加重钻杆。

b.φ216mm钻头+φ214mm稳定器+φ159mm无磁钻铤×（1根或1.3根或2根）+φ214mm稳定器+φ127mm加重钻杆。

c.φ216mm钻头+φ214mm稳定器+φ159mm无磁钻铤+φ159mm螺旋钻铤×（0根或1.3根或2根）+φ214mm稳定器+φ159mm螺旋钻铤+φ214mm稳定器+φ127加重钻杆（3）稳斜BHA：a.φ216mm钻头+φ214稳定器+φ159短钻铤+φ214稳定器+φ159无磁钻铤+φ214稳定器+φ127加重钻杆。

b.φ216钻头+φ214稳定器+φ159短钻铤+φ214稳定器+φ159无磁钻铤+φ127加重钻杆。

教学媒体-底部钻具组合分析

教学媒体-底部钻具组合分析底部钻具组合分析是地质工程领域中非常重要的一个课题。

底部钻具是一种用于地下钻探的工具，它起到了穿越地层、取得地下样本和获取地质数据的关键作用。

在进行地质勘探、地下资源开发和地下工程施工时，对底部钻具的组合进行分析是必不可少的。

底部钻具的组合分析主要涉及以下几个方面：1. 钻头选型：底部钻具的钻头是与地层直接接触的部分，因此选取合适的钻头对于底部钻具的工作效率和成本控制至关重要。

钻头的选取需要考虑地层的类型、硬度、厚度等因素，以及钻井工艺要求。

2. 钻杆组合：底部钻具一般由多根钻杆组成，钻杆的组合需要满足一定的要求。

首先，钻杆的长度要能够满足钻井深度的要求；其次，钻杆的材质和规格要符合钻井工艺要求；最后，钻杆之间的接口要牢固可靠，以确保钻井过程的安全稳定。

3. 钻井液设计：钻井液是底部钻具工作的重要辅助材料，主要用于冷却、润滑和清洁钻头、传递钻井动力以及保持钻井井壁稳定。

钻井液的设计需要根据地层特点和钻井施工要求，选择合适的材料、粘度和密度等参数。

4. 钻井参数控制：底部钻具的工作稳定性和效率与钻井参数的控制密切相关。

钻井参数包括钻进压力、转速、进给速度、冲击频率等。

将这些参数进行合理调整，可以提高底部钻具的工作效率和钻井质量。

底部钻具组合分析需要将上述几个方面进行综合考虑，根据具体的工程需求和地质条件，确定最优的钻具组合方案。

这个过程需要相关领域的专业知识和经验，并且需要借助于现代科技手段，如计算机模拟和仿真技术。

总之，底部钻具组合分析是一门复杂而重要的学科。

通过对底部钻具的钻头、钻杆、钻井液和钻井参数等方面进行综合分析，可以为地质工程提供可靠的钻井方案，提高钻井效率和质量，并为地下资源开发和地下工程施工提供有力支持。

底部钻具组合分析是地质工程中一个非常重要且复杂的任务。

底部钻具是钻井工程中的核心工具，它能够穿越地层，取得地下样本并获得地质数据。

因此，正确选择和组合底部钻具对于地质勘探、地下资源开发和地下工程施工具有重要意义。

底部钻具组合动力学模型及涡动特性仿真

ｔｉｅｅｏｓｏｉｈｎｂｔｈｙａｉｒｐｒｉｓｏｏｅｒｏｎｉｎｓａｗｈｏｅ．ＴｈｅｄａｃｆａｕｅｆＢＨＡｈｅｄｆｒｎｔｆｒｆｗｅｇｔｏｉ，ｔｅｄｎｍｃｐｏｅｔｅｆｍｄｌａｅｃｉｃｄｅｔａｍｌｙｎｍｉｅｔｒｓｏｍａｎｙｒｆｅｔｉｈｏａｉｉｙｏｅｅｉｄｏｉｎｈｎｅｔｈｅｕａｃｗａｄｗｈｉｌｗｈｅｉｈｔｏｉｉｏｔｎｔｉｌｅｃｎｔｅｖｌｔｌｔｖｒａｐｒｏｆｔｍｅａｄｃａｇｏｔｅｒｇｔｒｂａｋｒｌｒｎｗｅｇｎｂｔｓｃｎｓａ，ｗｈｉｅｔｅｐｏｅｉｓｏｌｈｒｐｒｅｆＢＨＡｌｏｍａｎｌｅｅｔａｈｅｒｇａａｋｒｄｗｈｉｌｂｕｈｔｏｆＢＨＡａｅｅｓｅｏｃｉｇｔｔａｓｉｙｒｆｃｓｔｅｕｌｒｂｃｗａｌｒｔｔｅｍｏｉｎｏｃｎｂａｉｒｔｌｎｏｔｏｅｏｅｗａｌｗｈｅｉｈｎｂｉｉｏｏｓａｔｈｅｂｒｈｌｌｎｗｅｇｔｏｔｓｎｔｃｎｔｎ．Ｋｅｏｄｓ：ｂｔｏｈｌｓｅｙｗｒｏｔｍｏｅａｓｍｂｌｗｅｇｉｂｔｙ；ｉｈｔＯｌｉ；ｗｈｉｌｆａｕｅｒｅｔｒｓ；ｒｔｒｄｎｄｗｈｒｅｔｅ＇ｓｍｕｌｔｏｆｂｏｔｍｌｓｅｂｙｎａｃｄｅｎｉｌｆａｕｒｓｉａｉｎｏｔｏｈｏｅａｓｍｌ
Ｄｉ．ｎ，Ｎｎｃａｇ一ＹＯＹｎ —ａ，Ｈｉｉｇ一ＹＯＪｎ１，ＵＹ —ａＩｎｆｇＷＡＧＷｅ —ｈｎ，ＡｏｇｈｎＺＵｗｅ— ｎ，Ａｉ．ｎＱｅｐａｉＨｉｏ’ ｂ

带旋转导向工具底部钻具组合的动力学特性分析及参数优化

带旋转导向工具底部钻具组合的动力学特性分析及参数优化胡以宝;狄勤丰;李汉兴;王文昌;姚建林【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2011(033)002【摘要】带旋转导向的底部钻具组合(RSBHA)在钻井过程中发挥着极其重要的作用,现场更多关注的是其导向能力,对它的工作状态平稳性没有严格要求.为防止RSBHA的剧烈振动和失效事故,建立了RSBHA的动力学模型,运用有限元法分别计算分析了不同结构、不同转速、不同钻压条件下的底部钻具组合的动力学特性,求得了动态位移和动态弯曲应力.结果显示:合理安放稳定器能够有效地减弱RSBHA 的横向振动,降低其动态弯曲应力;转速对RSBHA的动态弯曲应力影响很大,当转速为100 r/min时应力水平最低,180 r/min时应力水平最高;带旋转导向的钻具组合结构合理时,增大钻压时,其横向位移变化较小,动态弯曲应力分布比较合理.该结果为进一步研究RSBHA提供了理论依据.【总页数】4页(P8-11)【作者】胡以宝;狄勤丰;李汉兴;王文昌;姚建林【作者单位】上海大学,上海市应用数学和力学研究所,上海,200072;上海大学,上海市应用数学和力学研究所,上海,200072;中海石油研究中心,北京,100027;上海大学,上海市应用数学和力学研究所,上海,200072;上海大学,上海市应用数学和力学研究所,上海,200072【正文语种】中文【中图分类】TE291【相关文献】1.柔性短节位置对带旋转导向工具底部钻具组合动力学特性的影响 [J], 狄勤丰;王明杰;胡以宝;赵域栋;朱卫平;王文昌2.带旋转导向工具的底部钻具组合动态应力有限元分析及优化 [J], 何保生;王明杰;狄勤丰;王文昌;沈子俊3.新型指向式旋转导向钻井工具关节轴承动力学特性研究 [J], 张光伟;侯朋朋;程礼林;向琳4.带旋转导向工具的底部钻具组合横向振动特性研究 [J], 狄勤丰;芮子翔;周星;冯大军;王文昌;陈锋5.全旋转内置式导向钻井工具动力学分析及仿真 [J], 张光伟;乔阳;田帆;高嗣土;尹福来因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

底部钻具组合力学性能分析及优化

底部钻具组合力学性能分析及优化
纪慧;李军;杨宏伟;柳贡慧;关立臣
【期刊名称】《石油机械》
【年(卷),期】2024(52)6
【摘要】深井段复杂地层倾角大,井斜控制难度大,严重影响了安全钻进。

为准确控制井眼轨迹,提高钻具的造斜能力,采用纵横弯曲梁法建立力学计算模型,分析井眼曲率、地层倾角、各跨长度和外径、柔性短节、稳定器外径、翼肋推力、钻压和井斜角等因素对多种底部钻具组合力学性能的影响,优化底部钻具组合。

研究结果表明:弯螺杆相比于直螺杆有更好的防斜纠斜能力,更适合在深部造斜力强的地层使用;当方位角在25°与205°时地层侧向力最小;定向井段井眼曲率对2种螺杆钻具组合的导向力影响最大,井斜角次之,钻压影响较小;翼肋推力对弯螺杆推靠式旋转导向钻具组合(RSBHA)的造斜力和造斜性能影响最为显著,钻压次之,井斜角的影响较小。

研究结果可为复杂地层井斜规律的研究和控制提供参考依据,钻井工具的合理组合及优化对减少井斜问题、顺利完钻起着重要作用。

【总页数】9页(P20-28)
【作者】纪慧;李军;杨宏伟;柳贡慧;关立臣
【作者单位】中国石油大学(北京);中国石油大学(北京)克拉玛依校区;北京工业大学【正文语种】中文
【中图分类】TE921
【相关文献】
1.带旋转导向工具底部钻具组合的动力学特性分析及参数优化
2.底部钻具组合动力学特性模拟试验方法研究
3.底部钻具组合性能分析的传递矩阵方法
4.基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命研究
5.旋转导向系统底部钻具组合力学计算新方法
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底部钻具组合反向涡动试验和模拟研究

—38 —石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY2019年第47卷第4期◄钻井技术与装备►底部钻具组合反向涡动试验和模拟研究王选涛1覃玉荣2李秉路1(1.中国石油长庆油田分公司第六采油厂2.中国石油长庆油田分公司第八采油厂）摘要：钻柱与井壁接触可能导致反向涡动。

为研究底部钻具组合（BHA)在反向涡动过程中的振动响应，开发了反向涡动试验机。

通过解析模型和有限元模型预测了 B H A动态响应，并用试验结果进行了验证。

0171.45 mm BH A在0215.9 mm井眼中的试验结果显示，光滑井眼和不连续井眼中B H A的侧向加速度范围分别为20g~30g和40g~50g，均方根值分别为3.01g和7.28g。

从功率谱可以看出，不连续井眼显示了高达200 H z的更大频率范围，而光滑井眼显示了不同的频率峰值。

分析结果表明：光滑和不连续井眼情况下，反向涡动可能发生于摩擦接触，而且与光滑井眼相比，不连续井眼产生了更大频率范围的动态载荷；经过验证的模型可有效预测反向涡动现象和系统响应。

研究结果可为国内BH A设计和应用提供参考。

关键词：底部钻具组合；侧向振动；反向涡动；解析模型；有限元模型中图分类号：TE921 文献标识码：A DOI:10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2019.04.007Backward Whirl Test and Simulation of Bottomhole AssemblyWang Xuantao1Qin Yurong2Li Binglu1(1. The Sixth Oil Production Plant o f P etroChina Changqing Oilfield Company；2. The Eighth Oil Production Plant o f PetroChina Changqing Oilfield Company)Abstract：Contact between the drill string and the wellbore may result in backward whirl.The backward whirl testing machine was developed to study the vibration response of BHA(bottomhole assembly)during backward whirl.The dynamic response of BHA was predicted by analytical model and finite element model,and was verified by testing results.The test results of0171. 45 mm BHA in 0215. 9 mm wellbore show that the lateral acceleration range of BHA in smooth wellbore and discontinuous wellbore is20g^30g and40g~50^, respectively,and the root mean square is3.Olg and7.28g,respectively.From the power spectrum,the discontinuous wellbore shows a larger frequency ranges up to200 Hz,while the smooth wellbore shows different frequency peaks.The analysis results show that in the case of smooth and discontinuous wellbore,backward whirl can occur by frictional contact.The discontinuous wellbore produces dynamic loads in a wider frequency range than in smooth wellbore.The validated model can effectively predict backward whirl phenomena and system response.The study results can provide reference for domestic BHA design and application.Keywords：bottomhole assembly(BHA)；lateral vibration；backward whirl；analytical model；finite element modelhole Assembly，以下简称BHA)可靠性、缩短非生〇引言产时间，钻井工作者一直致力于钻井振动的研究[1_3]。

通过底部钻具组合设计控制钻井振动

通过底部钻具组合设计控制钻井振动J.R.Bailey等著翻译：魏振（钻井所）审校：（）摘要：通过底部钻具组合的重新设计，成功地控制钻井振动，从而实现钻井性能的大幅提高。

这项技术不但增加了日进尺，而且减轻了钻具损坏。

过去的文献已经对作为机械钻速控制过程关键组成的现场振动控制[1,2]的改进做了描述。

作为一项并行的工作，底部钻具组合的重新设计使钻井施工获得了大约36%的额外性能提高。

底部钻具组合的动态模型已经确立了影响性能提高的关键设计参数。

相对于标准底部钻具组合，重新设计的底部钻具组合的计算振动指数更低。

底部钻具组合设计的评价过程使用了一种应用于钻前和钻进预测模式中的频域横向动态模型。

底部钻具组合横向振动的特点是能够研发替代的底部钻具组合结构，并与推荐的原始组合直接比较。

在预测模式中，底部钻具组合模型可以按照记录的钻压和转盘转速操作，以产生响应的钻时或井深的模型，并且这些值可以与实际测量数据相比较。

在一个实例研究中，描述了一个带有动力钻具和牙轮扩眼器的重新设计的底部钻具组合，并具有四个原始钻具组合以及四个重新设计钻具组合的现场数据。

在第二部分应用中，通过对两个旋转导向组合的模型和现场实钻的比较，评价此模型在更小井眼尺寸和不同底部钻具组合类型中的预测能力。

最后，在更大尺寸的井眼中，使用动力钻具底部钻具组合论证此模型确立的优选转盘钻速的功能。

关键词：底部钻具组合振动机械钻速模型介绍之前两篇文章描述了由底部钻具组合模拟推导而来的基本方法。

第一篇文章[3]对模型进行了总的描述，并介绍了四个用此模型进行的现场实例研究。

第二篇文章对同一油田的13趟底部钻具组合进行研究，并使用了稍微不同的钻具组合设计和操作参数。

第二篇文章的附录包括被称为Vybs TM的基本的频域横向振动模型的详细数学描述。

本文针对RasGas和ExxonMobil进行接头研究中所遇到的钻具组合设计问题进行了方法应用解释。

简言之，通过底部钻具组合组件的机械尺寸计算的输入模板开始模拟，直到加重钻杆（HWDP），其详尽水平与打捞图相近。

基于井下参数测量的钻柱运动特征及异常状态分析方法

收稿日期：２０２３－０６－２０；修订日期：２０２３－１０－２６。

作者简介：胜亚楠（１９８９—），男，博士，现从事钻井工程风险评价、井身结构优化设计和油气井井下信息控制等方面的研究工作。

Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｇｙａｎａｎ＿ｕｐｃ＠１６３．ｃｏｍ。

文章编号：１６７３－８２１７（２０２４）０２－０１０８－０４基于井下参数测量的钻柱运动特征及异常状态分析方法胜亚楠（中国石化中原石油工程有限公司钻井工程技术研究院，河南濮阳４５７００１）摘要：随着石油勘探开发的不断深入，井下地质构造越来越复杂，井下钻柱／钻头等工作环境更加恶劣，对井下复杂工况做出准确及时的判断是钻井过程中面临的主要难题之一。

传统的地面录井手段由于所测数据不是井底真实数据，并且数据传输存在时效性等问题，已难以满足超深井等复杂井安全钻井需求。

为此，研制了井下工程参数测量仪，该仪器能够实现井下钻压、扭矩、振动、管内压力、环空压力、温度等工程参数的精确测量、采集与存储，具有采集频率高、存储容量大、安全系数高等特点，能够获取井下近钻头处真实的工程参数，为提速工具优化设计、井下复杂工况诊断、优快钻井方案的制定提供了技术支撑。

现场试验测试数据的分析验证表明，该仪器测得的各数据同现场实际工况和井下状态相互吻合。

关键词：井下工程参数；近钻头；数据处理与分析；钻井安全中图分类号：ＴＥ２４２文献标识码：ＡＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇｍｏｖｅｍｅｎｔａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｒｅｃｏｇｎｉｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｄｏｗｎ－ｈｏｌｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄａｔａＳＨＥＮＧＹａｎａｎ（ＤｒｉｌｌｉｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＺｈｏｎｇｙｕａｎＰｅｔｒｏｌｅｕｍＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＳＩＮＯＰＥＣ，Ｐｕｙａｎｇ４５７００１，Ｈｅｎａｎ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｏｉｌｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｂｅｃｏｍｉｎｇｍｏｒｅａｎｄｍｏｒｅｃｏｍｐｌｅｘ，ａｎｄｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓｕｃｈａｓｔｈｅｄｏｗｎｈｏｌｅｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇ／ｂｉｔｉｓｗｏｒｓｅ．Ｈｏｗｔｏｍａｋｅａｃｃｕｒａｔｅａｎｄｔｉｍｅｌｙｊｕｄｇｍｅｎｔｏｆｔｈｅｃｏｍｐｌｅｘｄｏｗｎｈｏｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｓｏｎｅｏｆｔｈｅｍａｉｎｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｓｕｒｆａｃｅｌｏｇｇｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓａｒｅｕｎａｂｌｅｔｏｍｅｅｔｔｈｅｓａｆｅｔｙｄｒｉｌｌｉｎｇｎｅｅｄｓｏｆｃｏｍｐｌｅｘｗｅｌｌｓｓｕｃｈａｓｕｌｔｒａｄｅｅｐｗｅｌｌｓｄｕｅｔｏｔｈｅｆａｃｔｔｈａｔｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｄｄａｔａｉｓｎｏｔｒｅａｌｄａｔａｆｒｏｍｔｈｅｂｏｔｔｏｍｏｆｔｈｅｗｅｌｌａｎｄｔｈｅｔｉｍｅｌｉｎｅｓｓｏｆｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ．Ｆｏｒｔｈｉｓｐｕｒｐｏｓｅ，ａｎｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｈａｓｂｅｅｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎａｃｈｉｅｖｅａｃｃｕｒａｔｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄｓｔｏｒａｇｅｏｆｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｓｕｃｈａｓｄｏｗｎｈｏｌｅｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｏｒｑｕｅ，ｖｉｂｒａｔｉｏｎ，ｐｉｐｅｐｒｅｓｓｕｒｅ，ａｎｎｕｌａｒｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ｅｔｃ．Ｉｔｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｈｉｇｈｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｌａｒｇｅｓｔｏｒａｇｅｃａｐａｃｉｔｙ，ａｎｄｈｉｇｈｓａｆｅｔｙｆａｃｔｏｒ．Ｉｔｃａｎｏｂｔａｉｎｒｅａｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｎｅａｒｔｈｅｄｒｉｌｌｂｉｔｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ，ｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎｔｏｏｌｓ，ｄｉａｇｎｏｓｅｃｏｍｐｌｅｘｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｕｐｐｏｒｔｆｏｒｔｈｅｄｉａｇｎｏｓｉｓｏｆｄｏｗｎｈｏｌｅｃｏｍｐｌｅｘｗｏｒｋｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｐｔｉｍａｌｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｇｒａｍ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｉｅｌｄｔｅｓｔｄａｔａ，ｉｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｄａｔａｍｅａｓｕｒｅｄｂｙｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｒｅｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅａｃｔｕａｌｆｉｅｌｄｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｄｏｗｎｈｏｌｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｎｅａｒｄｒｉｌｌｂｉｔ；ｄａｔａｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｓｉｓ；ｄｒｉｌｌｉｎｇｓａｆｅｔｙ２０２４年３月石油地质与工程ＰＥＴＲＯＬＥＵＭＧＥＯＬＯＧＹＡＮＤＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ第３８卷　第２期随着石油勘探开发的不断深入，井下地质构造越来越复杂，深井、大位移井、长水平段水平井等特殊复杂井越来越多，井下钻柱／钻头等工作环境更加恶劣，会导致钻头提前失效、钻具疲劳破损频发，井下设备损坏等，同时限制了钻压的有效传递，继而影响钻井时效和最终的经济效益［１－４］。

底部钻具组合的涡动特征分析

底部钻具组合的涡动特征分析姚永汉;狄勤丰;朱卫平;胡以宝;王文昌;姚建林【摘要】编制了井底钻具组合动力学特性的模拟程序,模拟结果与文献中的结果对比表明,所编模拟程序的模拟结果正确.利用井底钻具组合动力学特性的模拟程序模拟了钻铤形心的径向速度、径向加速度、涡动加速度、涡动速度功率谱以及相图,较全面地反映了井底钻具组合的动力学特性.结果表明:井底钻具组合在特定的情况下可以做规则涡动,更多的是做非规则涡动,没有运动周期;做规则涡动时,钻铤形心的涡动速度较小,其径向速度、径向加速度和涡动加速度均为0.在文中条件下,钻铤形心的涡动速度高达568.73 r/min,远大于规则向后涡动速度(79.41 r/min),该种状态的出现对钻具组合的导向能力及安全性将造成很大的的影响,值得进一步探讨.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2010(038)004【总页数】5页(P84-88)【关键词】钻具组合;钻柱振动;动力学;数学模型;数值模拟【作者】姚永汉;狄勤丰;朱卫平;胡以宝;王文昌;姚建林【作者单位】上海市应用数学和力学研究所(上海大学)上海市能源与环境工程中的关键力学问题重点实验室,上海200072;上海市应用数学和力学研究所(上海大学)上海市能源与环境工程中的关键力学问题重点实验室,上海200072;上海市应用数学和力学研究所(上海大学)上海市能源与环境工程中的关键力学问题重点实验室,上海200072;上海市应用数学和力学研究所(上海大学)上海市能源与环境工程中的关键力学问题重点实验室,上海200072;上海市应用数学和力学研究所(上海大学)上海市能源与环境工程中的关键力学问题重点实验室,上海200072;上海市应用数学和力学研究所(上海大学)上海市能源与环境工程中的关键力学问题重点实验室,上海200072【正文语种】中文【中图分类】TE21;TE921+.2底部钻具组合(bottom hole assembly,BHA)是控制井眼轨迹的主要工具,也是井下测试工具的主要载体,因此,BHA的动力学特性对井眼轨迹控制精度、井下测试资料的准确性及设备的安全性具有重要影响。

近钻头井下钻具运动特征及异常状态分析方法

近钻头井下钻具运动特征及异常状态分析方法王超;李军;柳贡慧;张涛;徐小峰【摘要】目前利用相关理论模型并结合地面录井参数分析井下钻具运动特征及异常状态的方法不够准确.基于快速傅里叶变换理论和PDC钻头牙齿受力方程,建立了井底钻具运动特征的分析方法;根据一维不稳定流动理论,结合加速度理论,建立了井底异常状态的分析方法.理论分析结果与现场试验数据吻合较好.理论分析及实测结果表明:在实测井段中,滑动钻进时井底各工程参数的频谱图中存在与螺杆转子相同转动频率的主频,旋转钻进时井底各工程参数的频谱图中存在2个主频,一个与螺杆转子的转动频率相等,另一个与钻柱的转动频率相等;井底钻具阻卡后,管内压力出现第一个压力峰值的时间是环空压力出现第一个压力谷值时间的2倍,同时扭矩及振动传感器读数变化剧烈.研究表明,利用井底工程参数频谱图的主频特征可以区分滑动钻进与旋转钻进阶段,同时可获得井底钻具及螺杆的转动状态;利用管内压力、环空压力、扭矩及加速度传感器的读数变化特征可判断井下是否出现异常.建立的分析方法可为安全快速钻井及井下专家系统的建立提供理论参考.%The performance of relevant theoretical models combined with surface mud logging parame-ters has unfavorable accuracy in analyzing the motion characteristics and abnormal conditions of BHA. Based on the fast Fourier transform theory and the PDC bit teeth force bearing equation,one analytical method was established for modeling the motion characteristics of BHA and according to the one-dimen-sional unsteady flow theory and the acceleration theory,one analytical method for bottom hole abnormal conditions was set up.The theoretical analytical results aligned well with the field test data.As shown by the theoretical analysis and the measuredresults,in the measuring interval,there was a dominant frequen-cy,whose rotating frequency was the same as that of PDM in the spectrograms of engineering parameters during sliding drilling.While during rotary drilling,there were two dominant frequencies present in the spectrograms of engineering parameters,whose rotating frequencies were equal to those of PDM and drill string respectively.In case of the drilling tools bouncing on the bottom,the time of the first casing pressure peak was twice that of the first annulus pressure valley,and the torque and vibration sensor readings changed dramatically.The research demonstrated that the dominant frequency characteristics of the bottom hole engineering parameter spectrograms could be used to distinguish the sliding drilling and the rotary drilling.Meanwhile,the rotation status of BHA and PDM could be obtained.The downhole abnormal con-ditions could be judged based on variations of casing pressure,annulus pressure,torque and acceleration sensor readings.This analysis method could provide a theoretical reference for safe and rapid drilling and the establishment of a downhole expertise system.【期刊名称】《石油钻探技术》【年(卷),期】2018(046)002【总页数】8页(P50-57)【关键词】井下钻具;运动特征;异常状态;分析方法【作者】王超;李军;柳贡慧;张涛;徐小峰【作者单位】中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249;中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249;中国石油大学(北京)石油工程学院,北京102249;北京工业大学,北京100124;北京信息科技大学信息与通信工程学院,北京100101;中国石油冀东油田分公司钻采工艺研究院,河北唐山063000【正文语种】中文【中图分类】TE21随着油气勘探开发的不断深入，利用传统综合录井手段来指导地面转速与钻压的调整越来越难以满足现代钻井的需求。

新型井下动力钻具的模拟分析与设计

新型井下动力钻具的模拟分析与设计井下动力钻具是一种适用范围广,高效节能的近钻头的动力驱动工具,在地质钻探、煤田钻探和油气钻井领域中应用极多,其中最具代表性的是涡轮和螺杆井下动力钻具,但这两种钻具本身也存在一定的不足,涡轮钻具一般直径较大,因其扭矩是由流体冲击动能形成的,因此具有软的机械特性,即扭矩的增加会促使转速的降低,其抗过载能力也较弱,易产生制动。

而螺杆钻具一般长度较长,具有相比于涡轮钻具硬的机械特性,过载能力也较强,但在工作时扭矩越大转速越低,当超过压差时还会发生急剧制动,同时其定子材料是丁腈橡胶,易在长时间的工作中发生脆化,影响其使用寿命。

针对以上的问题并结合现有技术发展情况,本文提出了多级多腔容积式流体传压的工作机理,建立以闭式腔体间的压力差为驱动力的多级并联动力钻具系统,这是一种较为高效的作用机理,是本文新型井下动力钻具的设计基础。

共设计了球塞式、滑块式和摆线式三种井下动力钻具,其中球塞式井下动力钻具适应于大中口径系列钻具,其作用介质为气体和液体,配流方式为盘轴式配流,动力机构与壳体采用的是销杆连接。

滑块式井下动力钻具适用于各种口径系列钻具,其作用介质是液体,配流方式为三层轴配流,动力机构与壳体采用的是键连接。

对设计完成的动力钻具进行理论分析和模拟仿真分析,理论分析主要是对球塞式和滑块式两种井下动力钻具的理论工作参数进行推导和计算,确定其结构化参数和工作能力,并得出两种钻具的输出扭矩与输入的流体压力都成正比关系,其输出转速与输入流量也成正比关系。

通过模拟仿真分析得出三个结论,一是利用ADAMS应用软件对滑块式井下动力钻具进行动力学分析得出滑块式井下动力钻具转速输出具有周期性间歇式的特点;二是利用LMS b Motion应用软件对球塞式井下动力钻具的单个柱塞的运动情况和扭矩特性进行分析,得出动力机构运行较为平稳;三是利用ANSYS软件对球塞式井下动力钻具的输出轴进行校核得出所设计输出轴满足强度要求。