气体钻井全井段钻柱动力学研究
井下多体钻柱系统瞬态动力学仿真分析
等把钻柱与井壁处 理 成 刚 性 碰 撞 ， 采用位移约束的
６］ ； 方法 来 描 述 钻 柱 与 井 壁 的 碰 撞 接 触 ［ 张其昌等将 ７］ 。 以上 ２ 种方 两者的接触关系利用弹簧约束模拟 ［
法虽然能够有效模 拟 两 者 接 触 边 界 条 件 ， 但工作量 巨大 ， 而且没有考虑 钻 井 液 对 钻 柱 系 统 瞬 态 动 力 学 特性的影响 。 本文 采 用 有 限 元 法 ， 根据两种管单元 Ｐ Ｉ Ｐ Ｅ ５ ９， Ｐ Ｉ Ｐ Ｅ １ ６的 力 学 特 性 分 别 建 立 了 钻 柱 系 统 钻进过程中考虑钻井液作用与不考虑钻井液作用下
。２ ０世纪８ ０年代
随着钻井技术的不断发展 ， 国内外学者对井下钻 起， 柱系统 动 力 学 进 行 了 深 入 的 研 究 。 Ｍ ｉ ｌ ｌ ｈ ｅ ｉ ｍ Ｋ Ｋ
２ ０ １ ３ １ ０ ２ ２ ① 收稿日期 ： － － （ ） 山东省自然科学基金 “ 井下控制工程基础理论研究 ” Ｙ ２ ０ ０ ８ Ｆ ４ ８ 基金项目 ： ， ： 肖文生（ 男， 陕 西 西 安 人， 教 授， 博 士， 博 导， 主 要 从 事 计 算 机 辅 助 设 计 及 海 洋 工 程 研 究， １ ９ ６ ６ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｌ ｉ 作者 简 介 ： －） － ｕ ｚ ｈ ｏ ｎ ａ ｎ ２ ０ ０ ７ ｕ ｃ ６ ３． ｃ ｏ ｍ。 ＠１ ｇ ｙ ｐ
（ １． Ｃ ｏ ｌ ｌ ｅ ｅ ｏ Ｍ ｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ ａ ｎ ｄ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ Ｐ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ， Ｑ ｉ ｎ ｄ ａ ｏ ２ ６ ６ ５ ８ ０， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ； ｇ ｆ ｇ ｇ， ｙ ｆ ｇ ， ， ２． Ｓ ｉ ｎ ｏ ｅ ｃ Ｔ ｉ ａ ｎ ｉ ｎ ＬＮＧ Ｃ ｏ． Ｌ ｔ ｄ． Ｔ ｉ ａ ｎ ｉ ｎ３ ０ ０ ４ ５ ７， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ） ｐ ｊ ｊ
气体钻井下部钻柱非线性动力学分析
（ ２ ）
基金项 目： 国家 ８ ６ ３计划项 目（ ２ ０ ０ ６ Ａ Ａ ０ ６ Ａ１ ０ ３ ） 。
作者简介 ： 肖洲 （ １ ９ ８ １一 ） ， 男， 四川西充人 ， 工程师 ， 硕士 ， 研 究方向为气体钻井技术。
・
１１ ９・
肖洲 ， 等： 气体 钻 井下部钻 柱非 线性 动 力学分析 着钻井 成 本 的降低 。
移、 速度 、 加 速度 向量 。
３ 计算结果分析
３ ． １ 下部 钻柱 与 井壁 非线性 接触 分析 当钻柱 旋转 运 动 时 ， 钻 柱 在任 一 轴 线 位 置 和 井 眼 圆周 方 向上 都 可能 与 井 壁 产 生 非 线性 碰 撞 接 触 ，
采用 Ｎ ｅ ｗ ｍ ａ ｒ ｋ时 间积 分法 可得 如下 积 分方 案 ： 动力 学 平衡 方程 ：
Ｘ
接触力开始减小 ， 到０ ． ２ ８ ５ Ｓ 时法 向接触力减ｓ ｉ ｇ ｎ
１ １ ３ ． １ ｋ Ｎ， Ｘ负方 向接触力 减小 到 ４ ３ ． ２ ｋ Ｎ。在 ０ ． ２ ９ Ｓ ， 钻柱再 次在 正 方 向与 井 壁 接触 ， 法 向接 触 力 增
加到 ３ ２ ４ ． ９ ｋ Ｎ， Ｘ 方 向接 触 力 增 加 到 １ ２ ４ ． ３ ｋ Ｎ 。Ｙ
１ 钻柱 系统 非线性动力学方 程
钻 柱 系 统 可 以假 设 为 六 自由度 有 限元 离 散 系 统， 对应 ｔ 时刻 ， 其 动力学 平 衡 方程 可 用 矩 阵形 式 表
示 如 下 一 ：
计； （ ３ ） 初始时刻钻铤轴线与井眼轴线重合 ； （ ４ ） 不
考虑 下部 钻柱 磨损 ， 钻 头具有 理想 的破 岩效 果 。 井筒 、 钻铤 、 钻头 、 地 层有 限元 模型 如 图 １ 所示 。 钻压 ５ ０ ｋ Ｎ、 转速 ５ ０ ｒ ａ ｄ ／ ｍ ｉ ｎ施加 于钻铤顶 部 。
钻柱失效的动力学分析
动力 学 的研 究 方 面 已做 了一 些 工作 ， 并取 得 了一 些 成 果 ［］ ２ 。在前人研 究 的基础 上 ， 虑 了钻 柱 的重力 、 口 考 井
钻柱在井下工作时 ， 受到综合内力 的作用 ， 其中弯 曲变形 是钻柱 失效 的主要 原 因［ ； 引起弯 曲变形 的因 ２而
１ ２ 钻柱 动力学 方程 ．
在 内、 外充满钻井液的狭长井眼里工作 ， 通常承受着拉 、 压、 扭及液力等载荷 ， 弯、 其运动 的动态过程十分复杂。 伴随着浅 部油气 层 的长期 开采 ， 各大 主力油 田现大 多 已 进人 了开 发 的中后期 ， 今后 越来 越多地钻 深井 、 超深井 ， 钻具的安全可靠性就成为一个十分突出的问题 。据统 计， 我国各油 田每年发生钻具事故约 ５０ ０ 起 ， ０ ￣６０ 经济 损失巨大， 我国每年必须用数亿元人民币的外汇进 口各 种规格的钻杆和钻铤 ， 这项费用是十分巨大的［ 。 １ ］ 随着石油资源钻探难度的不断加大， 有效地预测和 控制钻 柱 的动 力 学 和 运 动 规 律 ， 现 对 井 眼 的精 确 控 实 制 ， 少钻柱 内的应 力是 目前 钻井工 程 中的关键技 术 问 减 题， 而解决这些问题 的基础工作之一就是要建立合理可 靠的钻柱动力学模型和方程 ， 找到钻柱在钻井过程中在 井下 的实 际运 动规 律和 力学 性能 。因此 ， 内外在 钻柱 国
斜直井眼中石油钻柱动力学特性仿真研究的开题报告
斜直井眼中石油钻柱动力学特性仿真研究的开题报告
一、选题背景和意义
当前，全球能源需求不断增长，传统能源开采面临压力，非常规能源成为重要补充。
其中，在非常规油气开采技术中，斜直井的应用越来越广泛。
斜直井在油气探采中有着广泛的技术应用和应用前景，然而，斜直井的钻井过程复杂，流体力学仿真分析难度大。
因此，本研究旨在通过对斜直井眼中石油钻柱动力学特性仿真研究，探究该过程中钻柱的受力特性和动态响应。
二、研究内容和方法
本研究将从以下几个方面展开：
1. 收集和整理相关文献，了解钻柱在斜直井钻井过程中的力学特性；
2. 建立斜直井眼的模型，利用ANSYS软件进行有限元分析，模拟钻柱钻进过程中的受力情况，并分析其动态响应；
3. 设计实验方案，开展实验验证仿真结果的准确性和可靠性。
三、研究预期成果及意义
本研究将通过对钻柱在斜直井钻井过程中的力学特性进行仿真分析，研究得出斜直井眼中钻柱在受力过程中的动态响应情况。
同时，可以为斜直井钻井过程中的钻柱设计提供参考，并为后续的相关研究提供数据和思路。
最终，本研究成果对于提高斜直井钻井技术的安全性和可靠性具有重要意义，对于保障油气勘探开采工作的顺利进行具有积极的推动作用。
气体钻井钻柱失效统计及影响因素研究
气体钻井钻柱失效统计及影响因素研究全球非常规天然气储量是常规天然气储量的8.5倍，页岩气在非常规天然气中异军突起，引发了能源行业的革命，美国正常页岩气钻井规模每年16000口左右，大规模“工厂化”作业模式成为页岩气开发的新趋势，高效快速的完成页岩气钻井成为新的目标，长宁区块作为国家页岩气开发示范区，在汲取国外页岩气钻井先进经验的基础上，通过新技术实现钻井提速，长宁区块韩家店～石牛栏组地层岩性变化大、可钻性差，气体钻井技术提速效果好，但实施过程中钻柱失效问题尤为突出，严重制约气体钻井技术的应用[1-2]。
针对气体钻井钻柱失效这一技术难题，前人对钻柱失效影响因素的分析主要集中在地质特征、钻具组合、钻头选择、井径扩大等方面[3-4]，较少考虑井眼轨迹设计方面的影响，因此重点分析井眼轨迹设计对气体钻井钻柱失效的影响，为韩家店～石牛栏组地层气体钻井提供一定技术指导。
一、长宁区块气体钻井钻柱失效统计长宁区块自2011年钻成第一口水平井N201-1井，统计已完钻57口水平井，其中在韩家店～石牛栏组层位实施气体钻井的有30口，气体钻井的实施比例达到了52.6%，平均机械钻速6.83m/h，而采用钻井液钻井平均机械钻速仅为3.71m/h，提速效果明显，在实施气体钻井的30口井中，有7口井发生断钻具事故，断钻具的井数占实施井数的23.3%。
断钻具次数达10次，特别是N24-1井断钻具多达4次。
对钻柱失效位置统计，上部钻杆公扣根部位置断裂占40%，另外底部钻柱发生断裂占60%，从钻达层位统计结果分析，石牛栏组钻进过程钻柱失效比例较高，占比70%，韩家店组钻进钻柱失效占比30%，其统计见表1，上述情况表明，气体钻井是该段地层重要的钻井提速技术手段，但钻柱失效问题日益突显。
表1 长宁页岩气韩家店～石牛栏组气体钻井钻柱失效案例统计井号钻达井深(m)钻达层位顶深（m）失效位置失效次数N2-51886石牛栏组551钻杆公扣根部1N4-21758韩家店组565钻杆公扣根部1N6-21716韩家店组1705无磁钻铤母扣台阶 1N6-61979石牛栏组1755加重钻杆母扣根部 12441石牛栏组2325随钻震击器本体 1N11-32757石牛栏组2668钻铤母扣根部1N24-11717韩家店组1706无磁钻铤母扣根部 41994石牛栏组1800加重钻杆母扣根部 2009石牛栏组696钻杆公扣根部2030石牛栏组392钻杆公扣根部二、钻柱失效影响因素分析及对策1.地质特征长宁区块韩家店～石牛栏组气体钻井钻柱失效的7口井中，有5口井是钻达石牛栏组下部地层断钻具，有2口井在韩家店组地层上部钻具断裂，主要原因是韩家店上部岩性为页岩夹灰岩，软硬交错，在气体钻进过程中扭矩波动大，钻柱振动剧烈，石牛栏下部岩性为灰色泥质灰岩，质地坚硬，可钻性差，钻井液钻进平均机械钻速仅有4m/h，实施气体钻井破岩效果差，冲击力大，对钻具造成严重的疲劳破坏。
关于气体钻井全井段井筒冲蚀规律研究
关于气体钻井全井段井筒冲蚀规律研究李皋;胡强;冯耀民;孟英峰【期刊名称】《计算机仿真》【年(卷),期】2015(032)010【摘要】气体钻井实际工况中,高速携岩气体会对钻具、井壁及地面管汇等造成冲蚀磨损,是诱发钻井风险的因素之一.针对气体钻井高速携岩气体冲蚀钻具和井壁问题,根据气固两相流理论建立了井筒内钻具居中、井壁扩径、钻具偏心情况下的冲蚀模型,并结合CFD软件对模型进行了相应仿真.对比环空气体流场、钻具冲蚀速率和岩屑运移轨迹可知,岩屑对钻具的冲蚀作用随着井深的增加而逐渐减小,最大冲蚀速率发生在钻具接头迎风面处.井壁扩径情况下,分析钻具与井壁的冲蚀速率和岩屑运动轨迹可知,井壁扩径会加剧岩屑对钻具的冲蚀作用.钻具偏心会在局部加剧钻具和井壁冲蚀作用.【总页数】5页(P154-158)【作者】李皋;胡强;冯耀民;孟英峰【作者单位】西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500;中国石油集团川庆钻探工程有限公司,四川成都610051;西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室,四川成都610500【正文语种】中文【中图分类】TE28【相关文献】1.气体钻井钻杆冲蚀规律研究 [J], 王景;祁健2.气体钻井空井压井井筒气液两相瞬态流动数学模型 [J], 魏纳;孟英峰;吴鹏程;李皋;方强;李鹏杰;陶祖文3.气体钻井全井段环空流场改善方法 [J], 刘伟;李黔;程桥;伍贤柱;王明华;张萍;唐洪发;郑新华;段长春4.气体钻井全井段钻柱动力学研究 [J], 肖国益;蒋祖军;练章华;林铁军;魏臣兴5.气体钻井井筒冲蚀作用定量分析及控制方法 [J], 郭建华;佘朝毅;李黔;孙万里因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
长庆气体钻井技术研究与实践
气体钻井技术研究与实践长庆石油勘探局苏里格气田探明储量达6000亿方，是我国西气东输的重要气源之一，勘探面积2万平方公里，但如何高效开发，面临着两大技术问题，一个是如何提高机械钻速，缩短钻井周期；第二个是打开储层后，如何最大限度的保护储层。
长庆石油勘探局从1999年开始进行以天然气为循环介质打开储层的钻井技术研究，通过对地层出水预测、地层稳定性、最佳注气参数等几方面的研究，取得了初步成果，并在陕242、苏35-18井和苏39-14-1井、苏39-14-4井进行了试验，试验数据表明：机械钻速大幅度提高，苏35-18井的钻速达到18m/h，是临井的9倍多，苏39-14-4井的天然气钻进井段为1092m，是迄今为止天然气钻进井段最长的。
通过研究与试验，初步形成了地层出水、稳定性评价、井眼净化技术以及天然气钻井HSE文件。
针对苏里格气田的储层特征，为了最大限度的保护储层不受外来水的污染，长庆石油勘探局于1999年提出以天然气作为循环介质打开储层，并分别于2000年、2002年在陕242井、苏35-18井上进行了试验；2003年以提高机械钻速、缩短钻井周期为目的，在苏39-14-1和苏39-14-4井进行了全井段天然气钻进试验，几项研究与试验均取得了明显的效果。
一、苏里格气田的储层特征分析1.储层特征苏里格气田的主力气藏是上石盒子组盒8，岩性主要是含砾砂岩、石英砂岩及岩屑砂岩，分布着微细裂缝，微裂缝的密度为0.2 0.3条/米；储层空隙中粘土矿物，含量在15%～30%左右，孔隙内自生的粘土矿物主要以伊利石、高岭石为主，少量的绿泥石混层；储层的束缚水饱和度为70%～90%。
2.苏里格气田属于典型的“四低”气田苏里格气田属于典型的“四低”气田：压力系数低，仅为0.85左右；平均渗透率低（0.3～2×10-3μm 2）；丰度低；产量低，截至2002年12月，75口井试气产量中，日产大于10万方的井占17.3%，日产4～10万方的井占36%，日产2～4万方的井占18.7%，日产小于2万方的井占28%。
全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型的建立与算例分析_程载斌
学研究和工程应用中发挥作用 。
１ 模型建立
全井钻柱系统耦合振动多体动力 学 模 型 （ 图 １） 的建 立 ， 包 括 钻 柱 系 统 建 模、 钻 柱 与 井 壁 的 接 触／摩 擦描述以及井口和钻头处的边界条件 。 大长细比柔 性钻柱离散为绝对 节 点 坐 标 梁 单 元 ， 钻头和稳定器 离散为刚体 ， 钻井液的影响包含在附加质量系数 、 系 统阻尼和钻柱与井壁的摩擦系数表征中 。 整体系统 力学模型如图 １ 所示 。 １ ． １ 绝对节点坐标梁单元 绝对节点坐标法直接采用定义在全局坐标系下 的空间坐标及其梯 度 作 为 广 义 坐 标 ， 克服了传统柔 性体描述方法 （ 如 浮 动 标 架 法、 共 旋 坐 标 法、 相对节 点位移法及大转动 向 量 法 ） 由于固连在柔性体上的
１ ５］ 局部参考坐 标 系 而 导 致 运 动 方 程 高 度 非 线 性 ［ 的
寸 法
［ ３ ４］ － ［ ６ ９］ －
／模型
［ ５］
试 验 和 数 值 模 拟 方 法 ，如 有 限 元
［ １ ０ １ ２］ －
、 集中质量法
［ １ ４］
、 弹性线法
［ １ ３］
及转子动力学
模型分析
。 这些研究表明 ： 钻柱系统呈现出复杂
井口扭转边界条件采用电机驱动模型18定转速恒定功率模型919更符合钻井工程实际法通过计算检测钻柱梁单元轴线上的点到井壁的距离来判断该检测点是否侵入井壁图3钻柱与井壁接触检测示意图当钻柱轴线上的检测点pipi1的距离大于井眼半径算例分析采用2021求解全井钻柱系统动力学方程式时间积分离散为非线性方程组再用牛顿迭代法求解非线性方程组为隐式积分算法其初始静平衡构型采用动力器采用稀疏矩阵结构优化及并行计算技术提高计算效率
万米深井上部大尺寸井眼钻柱动力学特性研究
万米深井上部大尺寸井眼钻柱动力学特性研究祝效华;李柯;李文哲;贺明敏;佘朝毅;谭宾【期刊名称】《天然气工业》【年(卷),期】2024(44)1【摘要】油气勘探已向更深、更复杂的超深层的万米勘探新领域推进,但上部大尺寸井眼给万米深井的钻井提出了巨大挑战:岩石硬和返速低导致钻速慢,大尺寸井眼内剧烈振动导致钻具裂纹多发,钻压小则钻速慢,钻压稍大则下部振动快速加剧从而导致大尺寸钻具使用寿命远低于预期。
为此,在对比研究了深地川科1井(以下简称SDCK-1井)和毗邻8000 m超深井上部井段钻柱振动问题基础上,基于全井钻柱系统动力学模型和数值仿真方法,针对性研究了大尺寸井眼中的钻柱动力学特性。
研究结果表明:①井眼尺寸越大,钻头和下部钻具的振动越剧烈,SDCK-1井二开大尺寸井眼与邻井中等尺寸井眼相比(井深500 m处),其钻头及下部钻具振动强度均值分别增加了48.0%和41.5%,比SDCK-1井三开中等尺寸3000 m井深的钻头及下部钻具振动强度均值分别高了29.0%和2.9%;②相同井眼尺寸和岩石特性情况下,下部钻具组合比钻柱整体长度对钻头振动的影响更大,优化下部钻具组合能够明显改善钻头振动,保护钻头,同时还可以提高钻头破岩能量利用效率实现钻井提速;③在大尺寸井眼中钻头破岩激励向上传播,横向振动衰减慢于轴向振动衰减,大尺寸钻头扭矩更大且钻压和扭矩波动更加明显,因此从保护下部钻具的角度出发,大尺寸井眼钻具组合对抑制横振更加有效;④大尺寸井眼中下部钻具弯矩和弯矩波动更大,现场频繁出现的钻具裂纹除受控于整体振动强度较大以外,交变弯矩是裂纹发生的重要原因。
结论认为,该研究成果揭示了超深井大尺寸井眼中钻柱的动力学特性,指出了应着重控制横振和交变弯矩,该认识可以为超深井上部大尺寸井眼钻井提供技术指导。
【总页数】9页(P49-57)【作者】祝效华;李柯;李文哲;贺明敏;佘朝毅;谭宾【作者单位】西南石油大学;中国石油西南油气田公司;中国石油川庆钻探工程有限公司【正文语种】中文【中图分类】TE2【相关文献】1.斜直井眼中钻柱的动力学特性分析2.深井大尺寸井眼钻速低的原因及对策3.大斜度小井眼随钻扩眼钻柱动力学研究4.超深井上部大尺寸井眼稳定器接头母扣失效机制5.塔里木盆地超深井311.2mm井眼钻柱动力学特性及参数设计因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
气体钻井钻柱动态应力特征
摘要 ： 气体 钻 井 的 循 环 介 质 为 气 体 ， 黏 滞效 应 远 小 于 泥 浆 ， 因 此 气 体 钻 井 钻 柱 的失 效 情 况 比 较严 重 。 针 对 具 有 超 细 长 比 特 征 的全 井
钻柱 ， 加 入钻 柱 与 井 壁 的 碰 撞 模 型 ， 运 用有限元节点迭代法 ， 通 过 对 碰 撞 冲 击 应 力 条 件 下 气体 钻 井 与 泥 浆 钻 井 的 动 力 学 特 性 分 析 对
（ １ ．Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｉ ｔ ｕ ｔ ｅ ｏ ｆ Ａｐ ｐ ｌ ｉ ｅ ｄ Ｍａ ｔ ｈ ｅ ｍａ ｔ ｉ ｃ ｓ ａ ｎ ｄ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ０ ７ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ； ２ ．Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ Ｋｅ ｙ Ｌ ａ ｂ ｏ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｙ ｏ ｆ， Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ｓ ｉ ｎ Ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ， Ｓ ｈ ａ ｎ ｇ ｈ ａ ｉ ２ ０ ０ ０ ７ ２ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
气 体 钻 井钻 柱 动 态 应 力 特 征
空气钻井中钻柱扭转振动的计算
摘要： 空气钻井是指钻进过程中循环介质为空气的钻井。空气钻井有利于提高钻井速度，缩短建井周期，降低钻井总成本；能很好的保护产
层，但其处理地层出水的能力差；井壁不稳定；井底欠压值太大，处于无控制的欠平衡状态，导致储层速敏、出砂，甚至坍塌；钻具失效问题严重。
本文在理论分析的基础上，对各种振动进行了较好的数值分析。研究表明，整体钻柱的扭转振动特性受钻柱规格以及长度影响。长度增加，钻柱
|x=1
I0 为钻铤的截面极惯性矩。 将以上边界条件带入（6）式，求得 B=O
p= GJP
aI0
tan
pl a
（7）
1.5 有钻井液条件下钻柱扭转振动的求解 假设钻柱部分有
连续的内径 d 和外径 D，钻柱的密度为 ρ，弹性模量为 E。钻柱受自
重和钻压影响。设 ρf 为钻井液的密度；A 为钻柱的截面积；井眼尺 寸为 H。因钻柱和井眼环空之间的液体因流动而增加的单元钻柱
3.3 利用加权平均法对专线运输绩效进行综合考核 S 综=
CI=2.2204e-016 CR=4.2701e-016。
0.3899 ×0.6150 +0.3899 ×0.6433 +0.1524 ×0.5696 +0.0679 ×0.4850 =0.
0 0 0.5000
对于 A4 W4= 0.5000 此矩阵的一致性可以接受。
CR=0.0370。
0 0 0.8333
对于 A2 W2= 0.1667 此矩阵的一致性可以接受。
同理得：B2=（0.2333 0.3750 0.2750 0.1083 0.0083），B3=（0.1786 0.3000 0.3000 0.1572 0.0174），B4 =（0.1250 0.1750 0.3500 0.2000 0.1500），因此，安得物流华南公司专线运输 A001 的最终得分结果
气体钻井中钻柱瞬态动力学分析
２ 计算结果分析
行统计 ，如表 ｌ 示。 所 由表ｌ 可知 ：与井 壁接触发生在钻柱 ・‘ ． “ “一“ 下端 ；接触处 的作用力较大 ，且在气体钻 图 节点１ ６ 纵向支 反力 井中 ，由于没有钻井液的润滑 ，钻柱与井壁的摩擦系数很大 ，则更容 易发生磨损失效 。
表１不 同时刻钻柱与井壁的接触节点及接触力
（ 钻柱底端 ） 横向位移和纵向位移随时 问的变化规律以及节点ｌ（ 钻柱 顶端 ） 支反力随时间的变化规律 ，如图４ 、图５ 、 图６ 所示 。 通过观察图４图６ 一 可知 ：在底端波动 载荷作用下时 ，节点２ 的横、纵向位移以 及节点 １ 的支反力均呈波状变化 ； 点２ 节 纵 向位移 的最大值总是出现 在底端波动载荷 最大时 ；节点ｌ 的支反力波动范 围很 大 ， 说明钻柱纵向振动剧烈。
图１空气 钻井示意图
１０￣网格 。以地面井 口为坐标 原点 ，钻柱方 向为ｚ ０ｏ 轴正方 向 ，以原 点向右为ｘ 轴方向 ，Ｙ 轴方 向由右手定则确定。 （ ）荷载工况 。在本 次瞬态动力学 计算 中 ，共分三个 载荷步 ， ３ 并将 每个载荷步存入一个文件 ，最后在求解中调用三个载荷步。第一 个 载荷步 为重力载荷 （ ９ ｍ ｓ），， ｇ＝ ． ／ Ｓ 约束条件为 ：钻柱 Ｅ 自由度全 约束 ， 端 下端约束ｙ 以外的所有束 。第二个 载 轴 荷步 为加载转速 （ ２ ） ｍ． 和扭矩 （ 上 端为３ ０ Ｎ ｍ，下端为一 ０ ０ ／ ００ ／ ３ ０ Ｎ ｍ）， 约束条件为 ：限制钻柱 Ｅ 向平移 自 端ｙ 力 ，约束条件为 ：限制上端ｙ］ Ｐ运动 。
考查钻柱 的变 形情况 。分 别取时问ｃ３ ．、４，观 察钻柱 的横 ＝ 、３ ＝ ５ ｓ 向和纵向位移。如 图３ａｆ （—） 。 所示
深层页岩气水平井钻柱动态摩阻扭矩分析
造成影响的文献较少ꎮ 为此ꎬ 笔者建立了实钻井眼
阻扭矩模型是 Ｃ Ａ ＪＯＨＡＮＣＳＩＫ 等 [２] 提出的一种在
轨迹的三维全井钻柱系统动力学数值仿真模型ꎬ 针
对软绳模型的局限性ꎬ Ｒ Ｇ ＷＨＩＴＴＥＮ [３] 提出考虑
对 深 层 页 岩 气 水 平 井 摩 阻 扭 矩 大 的 问 题ꎬ 以
义ꎮ 由于水平井的日均产气量和最终产气量都为垂
斜度井三维非线性动力学模型和动态扭矩阻力模
直井的 ３ ~ ５ 倍ꎬ 且效率高ꎬ 故水平井已成为页岩
型ꎬ 结合全井钻柱系统动力学模型和数值仿真ꎬ 探
时ꎬ 钻柱所受摩阻扭矩大ꎬ 能量传递效率低ꎬ 托压
进问题ꎮ 吴泽兵等 [１６] 和 ＬＩＵ Ｊ Ｘ 等 [１７] 基于有限元
摩擦模型ꎬ 探究了钻柱屈曲与钻压之间的关系ꎮ 张
２５％ [１] ꎮ 因此ꎬ 针对钻柱所受摩阻扭矩分布及变化
的影响ꎮ
托压问题ꎬ 提高钻井效率ꎮ
阻扭矩的研究多停留于静态摩阻扭矩ꎬ 利用有限元
段机 械 钻 速 不 超 过 ２ ｍ / ｈꎬ 仅 为 平 均 水 平 的
规律进行研究ꎬ 可以有效减轻钻进过程中所产生的
密集ꎬ 同时钻柱接触力在水平段和增斜段都为低边接触ꎻ 每当钻柱因井斜角、 方位角变化而弯曲
时ꎬ 其所受应力、 接触力和摩阻扭矩都会明显增加ꎬ 且增加快慢与钻柱的弯曲程度呈正相关ꎮ 所
得结论可为深层页岩气水平井钻井参数优选及提速方案制定提供理论依据ꎮ
关键词: 深层页岩气ꎻ 水平井ꎻ 摩阻扭矩ꎻ 钻柱振动ꎻ 接触力ꎻ 顶驱转速ꎻ 应力分布
能研究中心 ３ 中国石油集团川庆钻探工程有限公司)
刘伟吉ꎬ 冯嘉豪ꎬ 汪洋ꎬ 等. 深层页岩气水平井钻柱动态摩阻扭矩分析 [Ｊ]. 石油机械ꎬ ２０２３ꎬ ５１ (８): １８－２５.
气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究
林铁军 ， 练章华 ， 良， 气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究 ［］西南石油大学学报 ： 然科学版， １， （）１９ １ ． 张俊 等． Ｊ． 自 ２ １ ３１： —４ ０ ３ ３ ３
和相应的 井筒模型 ， 并且建立 了 头与岩石 以及钻柱与 井筒之 间的随时 间变化 且有摩擦 系数 的接 触关 系和相 对应 的 钻 泥浆钻井模型 ， 对比分析 了钻柱在动 态钻进 过程 中的井 口参数 、 头上压 力和转 动速度 以及 全井段钻 柱的 弯矩扭矩 钻
变化等结果 ， 出气体钻 井与 泥浆钻 井全井段 钻柱的运动规律 以及 钻铤失 效机 理 的差异。为认识 气体钻 井全井段钻 得 柱的运动规律提供 了新 的研 究方法 ， 对气体钻井 中钻柱 力学、 井斜控制和设备 等方面的研 究都有较好 的现 实意 义。 关键 词 ： 井段钻 柱 ； 全 气体钻 井； 动力 学； 有限元 ； 泥浆钻 井
更少 的现象 ， 要从钻柱动态破岩过程 中的运动特性 速 失效 可能 的原 因 。 差 异 的角度 进 行 深入 研 究 ， 该 开 展 全 井 段 钻 柱 动 应
力学特性参数的室 内试验和现场测试分析 ， 但是真
正实现难度大、 耗费高。至今 ， 国内外真正意义 的井 下测量次 数较少 ， 以借鉴 的试 验数据 也较少 。 可 Ｊ
斜 半虫威 缸
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编辑部 网址 ：ｈｔ：ｗｗｗ． ｕ ｂｃ ｍ ｔ ／ ｐ／ ｓ ｘ ．ｏ ｗｐ
空气钻井斜直井眼中钻柱的动力学特性及失效机理
关键 词 ： 空气钻井 ； 钻井液钻井 ；动力学特性 ； 疲劳失效 ； 钻柱 ；涡动
中 图 分 类 号 ：Ｅ２ Ｔ １ 文 献 标 识 码 ： Ａ
Ｄｙ ａ ｉ ｈａ ａ ｔ ｒ ｓ ｉ ｓ ａ ｄ ａ ｌ ｅ ｍ ｅ ｈ ｎｉｍ ｆ ｄ ｉｌｓ ｒ ｎｇ ｎ ｍ ｃ ｃ ｒ ｃ ｅ ｉｔｃ ｎ ｆ ｉｕｒ ｃ ａ ｓ ｏ ｒ ｌ ｔ ｉ ｉ ｔ ａ ｇ ｌ ｔ ｉ ｒ ｌｉ ｇ ｎ ｓ ｒ ｉ ｈｔｈｏ ｅ ｗｉｈ ａ ｒ ｄ ｉｌｎ
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考虑井壁摩擦随机性的钻柱动力学模型
振动与冲击 JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK
Vol.37 No. 11 2018
考虑井壁摩擦随机性的钴柱动力学模型
田家林^2, 杨 应 林 \ 杨 琳 \ 吴 志 鑫 \ 申 彤 \ 李 蕾 1 ( 1 . 西 南 石 油 大 学 ;2 .西 南 交 通 大 学 机 械 工 程 学 院 ，成 都 610031)
p e tro le u m re s o u rc e s e x p lo ita tio n c o n d it io n s ，a n d a
s h a le g a s ，th e d r i ll- s t r in g d y n a m ic m o d e l in h o riz o n ta l w e lls w a s
T he s o lvin g expressions fo r forces in
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m odel and
摘 要 ：针对新型油气资源的实际情况，为研究更为复杂地层工作环境下的钻柱动力学特性，进行井壁摩擦随机
性 及 其 对 钻 柱 动 力 学 的 影 响 研 究 。首 先 结 合 井 下 实 际 情 况 ，进 行 井 壁 摩 擦 行 为 描 述 ，研 究 构 建 井 壁 随 机 场 的 步 骤 与 方 法 。
th e
m odel / s d iscretiza tio n m etliod w ere d e rive d .
basic param eters o f exam ples w ere d e term in e d w ith test data. T he resu lts obtaine d w ith d iffe re n t m ethods w ere com pared
小环空条件下钻柱动力学及可靠性研究的开题报告
小环空条件下钻柱动力学及可靠性研究的开题报告一、课题背景与意义在石油钻探中，小环空（也称双环空）钻井技术主要用于地层复杂或有压力的油气井钻进作业中，由于其可在安全条件下提高钻井进度、降低钻井成本和减少井口事故风险等优点，因而备受青睐。
但在此过程中，环空内部的钻柱与钻头的高速旋转与推入，易产生剧烈的振动，对井下设备和工人安全造成威胁，且易导致钻柱断裂、接头脱落等事故发生。
因此，开展小环空条件下钻柱动力学及可靠性研究，具有重要的现实意义和科学价值。
二、研究内容和方法本研究旨在通过理论分析和模拟仿真等方法，深入研究小环空钻井条件下钻柱在高速旋转和推入过程中所产生的动力学问题，分析其机理和演化规律，探究振动对钻柱和井下设备安全性的影响，以及各种参数对钻柱可靠性的影响，进而开展相关可靠性评估。
具体研究内容包括：1. 小环空钻井条件下的动力学建模和分析，考虑液气两相流的影响；2. 钻柱动力学仿真，分析其振动特性、变形情况及应力分布规律；3. 研究不同参数（如转速、推进速度、质量、管柱结构等）对钻柱动力学响应的影响，并开展可靠性评估；4. 针对不同情况下的振动形式和响应特点，提出相应的控制和优化策略。
三、预期成果和意义本研究旨在通过对小环空钻柱动力学的深入研究和分析，提高小环空钻井作业的安全性和效率，并为相关设备的优化设计和维护提供科学依据，具有重要的现实意义和社会价值。
预期的具体成果包括：1. 钻柱动力学模型，建立小环空钻柱动力学模型，并分析模型参数对井下设备的动态特性的影响；2. 钻柱动力学仿真，基于模型中的有关参数，开展钻柱运动过程的数值模拟和分析，揭示不同情况下钻柱运动的特点，为工程操作提供参考；3. 钻柱可靠性评估方法，建立评估体系，评价钻柱对不同情况的多个指标的响应及其概率分布；4. 钻井优化策略，基于可靠性评估和钻柱动力学仿真结果等，提出相关的钻井优化策略，降低生产井能量消耗，提高生产效率。
四、拟解决的关键科学问题钻柱在钻井过程中经过长时间的高速旋转和推进，极易产生剧烈的振动，导致钻柱折断等井下事故，因而要安全、高效、经济地钻井，怎样控制和优化钻柱的运动，最大限度降低事故风险和维护成本是本研究要解决的关键科学问题之一。
高产气井完显示器管柱动力学分析及安全评价与控制技术研究的开题报告
高产气井完显示器管柱动力学分析及安全评价与控制技术
研究的开题报告
该研究的目的是针对高产气井，开展显示器管柱动力学分析及安全评价与控制技术的研究。
通过分析显示器管柱的运动和受力情况，确定管柱的结构参数和运动规律，并探索有效的安全评价与控制技术，以确保高产气井的安全生产。
本研究的主要内容包括：
1. 显示器管柱的结构分析与运动规律研究。
通过建立显示器管柱的动力学模型，分析管柱运动过程中的受力情况，确定管柱的运动规律和结构参数，并对其进行优化。
2. 显示器管柱受力、变形和振动的计算和仿真。
通过数值计算和仿真，研究显示器管柱在不同工况下的受力、变形和振动情况，为安全评价提供数据支持。
3. 安全评价与控制技术研究。
基于显示器管柱的动力学特性和受力情况，结合高产气井的工况及特性，提出了一系列安全评价与控制技术，包括管柱防漏、井下综合
管理等，以保证高产气井的安全生产。
4. 研究成果的应用与推广。
将研究成果应用到实际工程中，将知识推广给相关专业人员，促进石油工业的发展与进步。
本研究的意义在于深入了解高产气井的动力学特性和安全性问题，提出有效的安全评价与控制技术，为保障高产气井的安全生产提供了理论和技术支持。
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关 键 词 ： 力 学 ； 体 钻 井 ； 柱 ； 斜 ； 限元 法 动 气 钻 井 有
中 图分 类 号 ：Ｈ１ ３ Ｅ ２ Ｔ ２： ９１ Ｔ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编 号 ：６ ３ １８ （０ １ｏ 一 １ — ３ １７ — ９ ０ ２ １ ）４ 叭 ９ ０
开 展 全 井段 钻 柱 动 力 学特 性 参 数 的 室 内试 验 ， 由于现 场 测试 难度 大 、 费 高 ， 耗 真正 意义 的井 下测 量 次数 较 少 ， 以借 鉴 的 试验 数 据 也 较 少 。 比较 引 人 可
注意 的两 次 井下 测 量分 别是 １６ 年 至 １ ６ 年 由Ｅ ｓ ９４ ９６ ｓｏ Ｐｏ ｕ ｔ ｎ Ｒ ｓａｃ 公 司 用 井 下 磁 带 机 完 成 和 １ ８ ｒｄ ｃ ｏ ｅｅｒｈ ｉ ９４ 年 由Ｎ ｄ ｓ ｉ ｃ 司用 有 导线钻 杆 完成 。两次 Ｌ Ｉ ｕｔｅ Ｉ 公 ｎ ｒｓｎ
・
１ ９・ １
肖国益 ， 蒋祖 军 ， 章华 ， 铁 军 ， 臣兴 ： 练 林 魏 气体 钻 井全 井段 钻 柱 动力 学研 究
钩 载荷 和 转 盘转 动 。井 壁面 采 用 刚 体 单元 、 柱 采 钻 用 梁单 元 进 行 网格 划 分 。在 定 义 了材 料 参数 、 触 接 对、 边界 条件 和 划分 网格 后 ， 进行 计算 分 析 。
２西 南石 油大 学 油气藏 地质 及 开发 工程 国家重点 实验 室 ， ． 成都 ６ ０ ０ ） １５ ０
摘 要 ： 用 有 限 元 法 开 展 气 体 钻 井 全 井 段 钻 柱 的 非 线 性 动 力 学 运 动 过 程 模 拟 研 究 。 立 了 某 井 全 井 段 塔 式 钻 具 采 建 的 三 维 模 型 和 钻 头 与 岩 石 以 及 钻 柱 与 井 筒 之 间 的接 触 关 系 ， 析 了 钻 柱 在 动 态 钻 进 过 程 中 的 力 学 参 数 ， 出 气 体 分 得 钻 井 全 井 段 钻 柱 的 运 动 规 律 以 及 对 钻 柱 寿命 的 影 响 。 气 体 钻 井 中钻 柱 力 学 、 斜 控 制 等 方 面 的 深 入 研 究 具 有 指 对 井
两 钻杆 之 间的 螺纹 连接及 其钻 杆连 接接 头 的截 面变 化 情况 ． 杆分段 视 为 同一 内外径 。 钻 （ ） 设钻 头 、 ３假 套管 和井 壁为 刚体 。 （） ４ 假设 全 井段 钻柱 为细 长梁 单元 ， 材料特 性 其 分 段为 常数 。 （ ） 考虑钻柱 与井壁 以及钻 头与岩石 面 由于接 ５不 触产 生 的摩擦 生 热 。不考 虑井 内温度 对 钻具 材 料性 能的影 响 ，不考 虑气 体 所携 带岩 屑对 钻杆 的运 动形 第１ ３ Nhomakorabea 第 ４期
重 庆科 技学 院学 报 （ 自然 科学 版 ）
２１ ０ １年 ８ 月
气体 钻 井全 井段钻柱 动力学研 究
肖国益 蒋祖 军 练章华ｚ 林铁 军。 魏 臣兴
（． 国石 油化 工股 份 有 限公 司西 南油 气分公 司工程技 术研 究院 ， 阳 ６ ８ ０ ； １中 德 １０ ２
１ 气 体 钻 井 全 井 段 钻 柱 非 线 性 动 力 学 模 型
本文 选择 普光 某 井二开 塔 式钻 具组 合 和实钻 参
数 建 立全 井 段 钻柱 动 力 学模 型 。 钻 压 为 １５Ｎ。 其 ４ ｋ 转
盘转 速 为 ６５ａ／， 了减 少 建 模 的难 度 ， 建 模 时 ． ｄｓ 为 ｒ 在 作如下 的简化 和假 设 ： （ ） 考 虑钻 井时 的扩 眼 。 １不 （ ） 略不 同规 格 钻具 之 间转 换 接 头 和工 具 的 ２忽
图 １ 塔 式 钻 具 组 合 有 限 元 实 体 图
学 模 型 ，该 有 限元模 型 建立 全井 段钻 柱单元 与 井壁 面之 间 的广义 接触 。建 立钻 头 与地层 岩石 面之 间 的
接触 ． Ｅ钻 杆施 加 轴 向 提拉 力 和 转速 模 拟 井 口大 井 ｌ
外 径 变 化 ， 长度 等 效 为 相接 的钻 铤 长度 。不 考 虑 其
收 稿 日期 ：０ １ ４ ２ ２１加 — ６
基 金项 目 ： 家 科 技 重 大 专 项 专 题 “ 渗 气 藏 气 体 钻 井 关 键 技 术 ” ２ ０ Ｚ ０ ０２ ０ ５ ０ １部 分 研 究 成 果 国 低 （０ ８ Ｘ ５ ２ — ０ — ０ ） 作者简介 ： 肖国 益 （９ ４ ， ， １６ 一） 男 高级 工 程 师 ， 国 石 化 西 南 油 气 分公 司 工 程技 术 研 究 院钻 井 工 艺 所 所 长 ， 究 方 向为 钻 井 技 术 。 中 研
一
在 假设 的基础 上 ， 立如 图１ 示 的非 线性 动力 建 所
些 有 价 值 的数 据［ ２ １ 。前 人在 钻 柱 动 力学 方 面 进 行
了大 量 研究 ［ ／ 全井 段 钻 柱在 气 体 钻井 井 内动 力 ３， －但 ５ 学特 性 研究 还 很 少 。 为此 ， 文 利 用 有 限元 方 法 建 本 立气 体 钻 井全 井 段钻 柱 的动 力学 模 型 ， 不 同 的角 从 度分析 钻 柱 的动力 学参 数变 化 规律 。
态 的影 响 。
耗 费 巨大 ， 仅仅 证 明 了 蹩钻 、 钻 的存 在 ， 柱 弯 却 跳 钻 曲应 力与 转 盘转速 不一 定相 等 以及 反转 客观存 在 等 现象［ １ ］ 内， 。国 兰州 石油 机械 所 章扬 烈等 人建 立 了钻
柱 比例 模 拟试 验 装置 ． 过 系统 的试 验 测量 得 出 了 通
２３ 钻 柱 运动 状 态分 析 ．
从 图４ 的气体 钻井 钻柱 与井 壁接 触 分布 可知 ， 在
不 同时 刻 钻 柱 与井 壁接 触 点 矢 量方 向 和大 小 不 同 ．