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直井中底部钻具组合稳定性分析

吴亚杰  
【摘要】:钻井过程中,可通过适当增大钻压来提高钻井效率,常用钻压均超过钻铤的临界钻压。为提高钻井效率,可以通过使用扶正器、更换大钻铤等方式增强底部钻具组合的稳定性,为此本文在前人工作的基础上展开以下研究。本文在绪论部分讲述了底部钻具组合稳定性研究的国内外现状及常用方法,通过比较分析各方法的优缺点,选定了本文研究内容的的理论基础,并在第二章、第三章中阐述。第二章通过分析底部钻具组合的工况进行合理简化,假定了边界条件,建立力学模型。在力学模型的基础上,根据力向量平衡和弯矩公式建立绕曲方程,用贝塞尔函数法求解了两端铰支的底部钻具组合临界钻压数学表达式。同时根据欧拉压杆模型、底部钻具组合变形能方程、最小势能原理求得两端固定的底部钻具组合临界钻压表达式,在此基础上拓展了有扶正器的底部钻具组合临界钻压数学表达式,但这两种方法简化条件较多,结果偏差较大,仅可以作特殊条件下理论验证。第三章以空间梁单元的有限元模型为基础,引入间隙元,推导了底部钻具组合的非线性有限元列式。在理论推导过程中,通过间隙元与钻铤、井壁的相互关系推导出钻铤与井壁接触状态判别式。在第四章用ANSYS的特征值法和非线性法对底部钻具组合的屈曲模态进行仿真计算。文中通过简述特征值法和非线性法的基本原理,选定PIPE16管单元建立模型并验证可靠性。在此基础上详细阐述了在全约束和非全约束两种工况条件下,单位力和自重力两种加载方式下,仿真计算底部钻具组合稳定性的基本方法。最后,通过六个算例,对四组底部钻具组合的屈曲模态、临界钻压、最大屈曲位移位置、最大位移量、分叉点位移、分叉点载荷进行了比较分析,判明了扶正器安放数量、位置及钻铤组合方式对钻压的影响,为钻井作业提供一定参考价值。


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