模拟底部钻具组合不同运动状态的特征研究

模拟底部钻具组合不同运动状态的特征研究钻具的横向振动破坏性极大,造成钻具偏磨和疲劳断裂等,易引起井下事故,增加钻时和钻井成本。目前国内外没有形成对大位移、多接触点、开放式系统的钻柱动力学模拟机制。

因此掌握钻柱动力学模拟的主控机制为现场钻具动力学模拟奠定了基础,对提高钻具使用寿命,预防井下事故,优质、安全、快速钻井有一定的指导意义。本文采用实验和理论计算相结合的方法,首先通过室内模拟实验研究斜直井和水平井模拟底部钻具组合的运动状态和振动加速度规律,并指出运动状态的分类和各自的特征参数、发生条件及实验参数影响规律。

其次,根据动力学有限元理论,建立模拟底部钻具组合运动状态特征的理论计算模型,并将计算结果与实验结果对比分析。研究结果表明,模拟底部钻具组合运动状态可以分为点状自转或正向公转、弧线形摆动,“月牙形”摆动、无规则转动、近似反向涡动和反向涡动。

在斜直井中,转速是影响运动状态的最主要因素,转速增大,运动状态从正向转动向无规则转动,再向反向涡动转变;钻压、井斜角和模拟井筒与模拟钻杆配套尺寸是影响运动状态的重要因素。在水平井中,两端约束和模拟井筒与模拟钻杆配套尺寸是影响运动状态的主要因素;转速、钻压和井斜角是影响运动状态的重要因素。

在模拟底部钻具组合运动状态特征计算模型中得到了实验中观察到的大部分运动状态,转速、井斜等参数对运动状态的影响规律与实验一致,这为现场钻具动力学模拟奠定了基础。