超深水平井钻柱动力学研究及强度校核
发布时间：2021-10-17 14:49
超深井钻井过程中钻具失效事故频繁发生,钻柱动力学特性研究对增加钻具安全性具有重要作用。考虑真实井眼轨迹、钻头与地层相互作用、钻柱与井壁接触及钻井液黏滞作用等因素的影响,建立了全井钻柱动力学特性仿真模型,模拟了不同钻压及转速下钻柱不同截面轴向力、扭矩、位移及等效应力等随时间的变化,采用第四强度理论计算了井口钻具的安全系数,校核了超深水平井钻具强度。分析结果表明,井口轴向力和等效应力表现为低频变化,MWD处等效应力和加速度表现为高频振动且其横向振动比轴向振动更加剧烈;在钻压和转速较小的情况下,钻压和转速对井口轴向载荷、井口扭矩、井口等效应力及井口安全系数影响不大;MWD处等效应力随钻压的增加而增大,其横向加速度随转速的增加幅值显著增大;对于井深超过8 000 m、井眼尺寸φ120.65 mm及φ114.3 mm的G105钻杆,动力学分析得到的井口安全系数大部分时间内在1.2附近波动,钻具总体是安全的。
【文章来源】：西南石油大学学报(自然科学版). 2020,42(04)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【图文】：
图４钻柱横向运动轨迹??Ｆｉｇ．?４?Ｔｈｅ?ｌａｔｅｒａｌ?ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ?ｏｆ?ｄｒｉｌｌｉｎｇ?ｓｔｒｉｎｇ??
素的憲响，建立超深弁Ｈ维井眼全??井钴柱动力学模塑，并迸行销柱动力学特征仿真模??拟，分析钴压及转速对不同井深处钻柱轴向力、扭??矩、钴柱位移及等效应力等参数随时间的变化，并??根据钻柱动力学模拟结果，对钻具强度和钴具安全??性进行评价５??１钻柱动力学模型??１．１坐标体系??引入大地坐标系〇?－?ＸＹＺ和自然坐标系??对．真实并眼轨迹进行准确＇描述，同时，??引人随体坐标系０?Ｓ对钻井过程中＿钴轻发：生的??横向、轴向及扭转运动进行准确描述，坐标体系见??Ｍｌ。??图１坐标体系示意图??Ｆｉｇ．?１?Ｔｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?ｓｙｓｔｅｍｓ??超深水平井的井眼轨迹可以用不同点处的井??深、井斜角及方位角表示，根据井深、井斜角及方位??角就可以确定三维轨迹的空间形态、而随体坐标系??．０?＿耶￡由轨．迹坐标及坐标点处弁斜角和方位角确??定。大地坐标系和随体坐标系可以根据轨迹形态数??据相互转换３??１．２基本假设??⑴井眼为圆形，初始条件下，钻柱轴线与并眼??轴线韋合，钻头与弁之向无间隙。??（２）钻柱可视为匀质弹性粱单元组成，钻柱变??形处于钱弹性Ｐ??（３）忽略钻柱接头、．螺纹及Ｊｌｒ部孔槽的影响５??（４）采用库伦摩擦定律描述钻柱与井壁间的??．繼德。??（５）井襞为刚性，与钴柱接触时不发生变形８??
，销柱上任取一单元，以单元轴线为Ｚ轴，ＯＸ、０７??为截面主惯性轴，见圈２。??单元节点位移矩阵和对应的广义节点力矩阵和??考虑梁单元总能量、耗散函数整理得到微元段随体??坐标系下的单元运动方程分别为??Ｔ??ｕ，?＝?（ｕｕ?ｅｙｉ，?ｕｈ?ｅｙｊ，?Ｖｕ?－ａｘｈ?ｖｈ?－ｅｘｊ，?ｗ；？?Ｗｊ，?％，?％）??⑴??Ｒｅ：?｛＾Ｑｘｈ?Ｍｙｉ：ｉ?Ｑｘ：ｊ，?Ｍｙｊ，?Ｑ扣?Ｑｙ．ｊ，?Ｐｆ）?Ｐｊ＇，．Ｍ技，??⑵??ＭｅＵｅ?＋?ＣｅＵｅ?＋?ＫｅＵｅ＝Ｒｅ?⑶??图２单元受力与变形示意图??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｕｎｉｔ?ｆｏｒｃｅ?ａｎｄ?ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ??１．４系统的运动学方程??（１）坐标变换??将大地坐标系绕Ｚ轴旋转作再绕新的Ｚ轴旋??转汶，即可得到随体坐标，二者转换关系为??Ｙ??ｃｏｓｙｚ＞?ｃｏｓｙ＾ｓｉｎｙ＾?ｓｉｎｙｘ?ｓｉｎｙｚ＾??／?＼??Ｘ??Ｙ??二??－ｓｉｎ?ｙｚ＇?ｃｏｓ?ｊｘ?ｃｏｓ?ｙｚ＞?ｓｉｎ?打?ｃｏｓ?ｙｚ＇??ｙ??Ａ??、０?－ｓｉｎｙｘ?ｃｏｓｙｚ?，??Ａ??⑷??（２）全井钻柱动力学模幽??坐标转换后，全井钻柱动力学总体运动方裎为??ＭＵ?＋?ＣＵ?＋ＫＵ?＝?Ｒ?（５）??１．５钻柱与井壁接触处理??钴柱与井壁接触本质上为随机接触，钻柱与井??壁碰撞模型如图３所示ａ??图３钻柱与井壁碰撞模型??Ｆｉｇ．?３?Ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｄｒｉｌｌｉｎｇ?ｓｔｒｉｎｇ?ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ?ｗｉｔｈ?ｔｈｅ?ｂｏｒｅｈｏｌｅ?ｗａｌｌ??轴向摩擦阻力＆ｚ、??切向摩擦阻力４、扭矩Ｍｅ＿Ｔ
【参考文献】：
期刊论文
[1]大位移井井下钻柱耦合动力学分析研究[J]. 杨尧焜,蒋宏伟,袁志平. 钻采工艺. 2018(05)
[2]盐下复杂压力系统超深井的非常规井身结构设计——以四川盆地五探1井为例[J]. 邹灵战,毛蕴才,刘文忠,汪海阁,郭建华,邓传光,郑有成,黄洪春,李杰,乐宏,陈刚. 天然气工业. 2018(07)
[3]考虑井壁摩擦随机性的钻柱动力学模型[J]. 田家林,杨应林,杨琳,吴志鑫,申彤,李蕾. 振动与冲击. 2018(11)
[4]钻井液作用下水平井钻柱横向振动建模与分析[J]. 王宝金,任福深,朱安贺. 机械科学与技术. 2018(11)
[5]井下钻柱纵向横向耦合振动模型建立与数值分析[J]. 田家林,吴纯明,杨勇文,姚宇,杨志,袁长福,吴波. 应用数学和力学. 2017(06)
[6]深井超深井钻完井技术现状、挑战和“十三五”发展方向[J]. 汪海阁,葛云华,石林. 天然气工业. 2017(04)
[7]基于钻头破岩钻进的下部钻具横向振动特性研究[J]. 祝效华,胡志强. 振动与冲击. 2014(17)
[8]中石油钻井工程技术现状、挑战及发展趋势[J]. 石林,汪海阁,纪国栋. 天然气工业. 2013(10)
[9]全井钻柱系统多体动力学模型[J]. 程载斌,姜伟,任革学,周建良,蒋世全,杨蔡进,何保生. 石油学报. 2013 (04)
[10]中国石化超深井钻井技术现状与发展建议[J]. 闫光庆,张金成. 石油钻探技术. 2013(02)
本文编号：3441945
【文章来源】：西南石油大学学报(自然科学版). 2020,42(04)北大核心CSCD
【文章页数】：9 页
【图文】：
图４钻柱横向运动轨迹??Ｆｉｇ．?４?Ｔｈｅ?ｌａｔｅｒａｌ?ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ?ｏｆ?ｄｒｉｌｌｉｎｇ?ｓｔｒｉｎｇ??
素的憲响，建立超深弁Ｈ维井眼全??井钴柱动力学模塑，并迸行销柱动力学特征仿真模??拟，分析钴压及转速对不同井深处钻柱轴向力、扭??矩、钴柱位移及等效应力等参数随时间的变化，并??根据钻柱动力学模拟结果，对钻具强度和钴具安全??性进行评价５??１钻柱动力学模型??１．１坐标体系??引入大地坐标系〇?－?ＸＹＺ和自然坐标系??对．真实并眼轨迹进行准确＇描述，同时，??引人随体坐标系０?Ｓ对钻井过程中＿钴轻发：生的??横向、轴向及扭转运动进行准确描述，坐标体系见??Ｍｌ。??图１坐标体系示意图??Ｆｉｇ．?１?Ｔｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅ?ｓｙｓｔｅｍｓ??超深水平井的井眼轨迹可以用不同点处的井??深、井斜角及方位角表示，根据井深、井斜角及方位??角就可以确定三维轨迹的空间形态、而随体坐标系??．０?＿耶￡由轨．迹坐标及坐标点处弁斜角和方位角确??定。大地坐标系和随体坐标系可以根据轨迹形态数??据相互转换３??１．２基本假设??⑴井眼为圆形，初始条件下，钻柱轴线与并眼??轴线韋合，钻头与弁之向无间隙。??（２）钻柱可视为匀质弹性粱单元组成，钻柱变??形处于钱弹性Ｐ??（３）忽略钻柱接头、．螺纹及Ｊｌｒ部孔槽的影响５??（４）采用库伦摩擦定律描述钻柱与井壁间的??．繼德。??（５）井襞为刚性，与钴柱接触时不发生变形８??
，销柱上任取一单元，以单元轴线为Ｚ轴，ＯＸ、０７??为截面主惯性轴，见圈２。??单元节点位移矩阵和对应的广义节点力矩阵和??考虑梁单元总能量、耗散函数整理得到微元段随体??坐标系下的单元运动方程分别为??Ｔ??ｕ，?＝?（ｕｕ?ｅｙｉ，?ｕｈ?ｅｙｊ，?Ｖｕ?－ａｘｈ?ｖｈ?－ｅｘｊ，?ｗ；？?Ｗｊ，?％，?％）??⑴??Ｒｅ：?｛＾Ｑｘｈ?Ｍｙｉ：ｉ?Ｑｘ：ｊ，?Ｍｙｊ，?Ｑ扣?Ｑｙ．ｊ，?Ｐｆ）?Ｐｊ＇，．Ｍ技，??⑵??ＭｅＵｅ?＋?ＣｅＵｅ?＋?ＫｅＵｅ＝Ｒｅ?⑶??图２单元受力与变形示意图??Ｆｉｇ．?２?Ｔｈｅ?ｓｃｈｅｍａｔｉｃ?ｄｉａｇｒａｍ?ｏｆ?ｕｎｉｔ?ｆｏｒｃｅ?ａｎｄ?ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ??１．４系统的运动学方程??（１）坐标变换??将大地坐标系绕Ｚ轴旋转作再绕新的Ｚ轴旋??转汶，即可得到随体坐标，二者转换关系为??Ｙ??ｃｏｓｙｚ＞?ｃｏｓｙ＾ｓｉｎｙ＾?ｓｉｎｙｘ?ｓｉｎｙｚ＾??／?＼??Ｘ??Ｙ??二??－ｓｉｎ?ｙｚ＇?ｃｏｓ?ｊｘ?ｃｏｓ?ｙｚ＞?ｓｉｎ?打?ｃｏｓ?ｙｚ＇??ｙ??Ａ??、０?－ｓｉｎｙｘ?ｃｏｓｙｚ?，??Ａ??⑷??（２）全井钻柱动力学模幽??坐标转换后，全井钻柱动力学总体运动方裎为??ＭＵ?＋?ＣＵ?＋ＫＵ?＝?Ｒ?（５）??１．５钻柱与井壁接触处理??钴柱与井壁接触本质上为随机接触，钻柱与井??壁碰撞模型如图３所示ａ??图３钻柱与井壁碰撞模型??Ｆｉｇ．?３?Ｍｏｄｅｌ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｄｒｉｌｌｉｎｇ?ｓｔｒｉｎｇ?ｃｏｌｌｉｄｉｎｇ?ｗｉｔｈ?ｔｈｅ?ｂｏｒｅｈｏｌｅ?ｗａｌｌ??轴向摩擦阻力＆ｚ、??切向摩擦阻力４、扭矩Ｍｅ＿Ｔ
【参考文献】：
期刊论文
[1]大位移井井下钻柱耦合动力学分析研究[J]. 杨尧焜,蒋宏伟,袁志平. 钻采工艺. 2018(05)
[2]盐下复杂压力系统超深井的非常规井身结构设计——以四川盆地五探1井为例[J]. 邹灵战,毛蕴才,刘文忠,汪海阁,郭建华,邓传光,郑有成,黄洪春,李杰,乐宏,陈刚. 天然气工业. 2018(07)
[3]考虑井壁摩擦随机性的钻柱动力学模型[J]. 田家林,杨应林,杨琳,吴志鑫,申彤,李蕾. 振动与冲击. 2018(11)
[4]钻井液作用下水平井钻柱横向振动建模与分析[J]. 王宝金,任福深,朱安贺. 机械科学与技术. 2018(11)
[5]井下钻柱纵向横向耦合振动模型建立与数值分析[J]. 田家林,吴纯明,杨勇文,姚宇,杨志,袁长福,吴波. 应用数学和力学. 2017(06)
[6]深井超深井钻完井技术现状、挑战和“十三五”发展方向[J]. 汪海阁,葛云华,石林. 天然气工业. 2017(04)
[7]基于钻头破岩钻进的下部钻具横向振动特性研究[J]. 祝效华,胡志强. 振动与冲击. 2014(17)
[8]中石油钻井工程技术现状、挑战及发展趋势[J]. 石林,汪海阁,纪国栋. 天然气工业. 2013(10)
[9]全井钻柱系统多体动力学模型[J]. 程载斌,姜伟,任革学,周建良,蒋世全,杨蔡进,何保生. 石油学报. 2013 (04)
[10]中国石化超深井钻井技术现状与发展建议[J]. 闫光庆,张金成. 石油钻探技术. 2013(02)
本文编号：3441945
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