基于实际井眼轨迹的钻柱动力学特性有限元分析

【摘要】：石油钻井过程中钻柱的振动不可避免。剧烈的钻柱振动不仅会降低钻井效率,还会引发钻柱失效事故,增加钻井成本。国内外对钻柱失效的研究已经很多,但主要集中在改善钻柱的结构和材质方面。直到上世纪末,国外Baker Hughes、Schlumberger公司才在钻柱动力学特性研究方面取得突破性进展,并在钻柱振动和失效控制方面得到应用,获得了明显的经济效益。国内在这方面的研究起步较晚,理论研究相对落后,工程应用方面差距更大。因此,开展具有实用价值的钻柱非线性动力学特性研究对保障我国深井、超深井钻柱的安全性十分重要。 有限元法广泛应用于钻柱动力学分析已达数十年,但仍旧局限于直梁单元和平面圆弧曲梁单元。对于三维弯曲井眼中钻柱的动力学特性分析,采用直梁单元和平面圆弧曲梁单元,其计算精度低、耗时长,全井钻柱,尤其是深井、超深井全井钻柱动力学特性计算更加困难,而运用空间曲梁单元来进行钻柱动力学特性的研究目前未见报道。而且,目前的研究中大都只给出了钻柱的变形、涡动轨迹、涡动速度等信息,而“钻柱的动态安全性评价”这一石油钻井工程师十分关心的问题则很少涉及。本文以了解和掌握井下钻柱的运动状态、减少钻柱失效事故、提高钻柱的安全可靠性为目标,应用空间曲梁有限元方法开展了基于实际井眼轨迹的钻柱动力学特性研究,开发了专用仿真计算程序,提出了钻柱的动态安全性评价方法。主要工作如下: 1)建立了以空间曲梁单元为基础的钻柱动力学有限元分析模型,并利用该模型仿真计算了实际井眼轨迹条件下钻柱的动力学特性。 2)提出了一种改进的有限元节点迭代方法,其不但能够求解直梁单元的钻柱动力学模型又能够求解空间曲梁单元的钻柱动力学模型。同时,验证了直梁单元、空间曲梁单元模型的可靠性,考察了直梁单元、空间曲梁单元的适用范围及其有效性。在此基础上开发了钻柱动力学特性仿真程序DDCS(Drillstring Dynamic Characteristics Simulation System),并利用理论算例和工程实测结果,验证了基于空间曲梁单元的钻柱动力学模型和DDCS的正确性。 3)运用DDCS分析了全井钻柱的动力学特性,包括钻柱的涡动轨迹和涡动速度、钻柱的横向振动和轴向振动水平等;成功模拟了典型的钻柱运动现象——粘滑运动,分析了添加减振器前后钻柱轴向振动水平、轴向位移、轴向作用力的变化情况,从工程实例角度验证了基于空间曲梁单元的钻柱动力学模型和DDCS的正确性。 4)分析了带铝合金钻杆钻柱的动力学特性,合理解释了铝合金钻杆容易产生划痕、压痕的原因,比较了钢质钻杆、铝合金钻杆动力学特性的异同,得出“含铝合金钻杆的钻柱更适宜采用井下动力驱动方式工作”的重要结论。 5)实现了长度超过7000m的超深井钻柱的动力学特性的仿真计算,给出了钻柱的涡动轨迹、涡动速度和加速度等特性,研究了钻压、转速对钻柱动力学特性的影响规律。 6)从钻柱动力学特性和第四强度理论出发,提出了钻柱的动态安全性评价方法——动态安全系数法。考虑钻柱与井壁的接触、碰撞作用等动态因素与静载水平,给出了钻柱的动态安全性评价标准,并以塔里木油田DB3井为例,分析了钻柱的动态安全状况并推荐了合理的转速、钻压范围。