钻具组合造斜稳斜降斜性能研究

论文摘要

钻柱是钻井工程中必不可少的重要工具。它的工作状态直接影响到井下动力钻具的工作寿命和井孔质量。钻柱的动力分岔会导致钻柱的强烈振动,进而造成钻具损坏;钻柱的不规则周期运动和混沌运动会引起钻头指向的不确定性,从而导致钻井轨迹的难以控制。本文基于现代动力系统理论,对斜井段钻柱的复杂动力学行为进行了理论研究和数值模拟,所得结果对于优化钻井作业参数,改善钻柱工作状态具有一定的工程意义。本文的主要工作为:（1）考虑轴向力对钻柱弯曲变形的影响,建立了井孔约束下斜井段钻柱的几何非线性运动微分方程。将斜井段钻柱在波动钻压作用下的振动转化为一个参数激励系统,得到了描述该系统的Mathieu方程。通过对方程的级数求解,得到了该系统的动力分岔值曲线及其所包围的动力不稳定区。根据本文推导的分岔参数公式,可以判断钻井现场井下钻具的工作状态,为优化钻井作业参数提供依据。（2）考虑由于弯曲变形而产生的轴向附加力,得到了描述井孔约束下斜井中钻柱在周期性钻压作用下的非线性参数激励系统,用Melnikov-Holmes方法得到了钻柱可能发生混沌运动的参数激励的阈值,并结合工程实例进行了数值模拟,初步揭示了钻柱运动的复杂性。发现无论在混沌区还是在非混沌区,都同时存在着多个吸引子。在某些情况下,钻柱的运动状态敏感地依赖于初始条件和参数激励的强弱程度。（3）用有限元技术对井孔约束下钻柱的静力屈曲行为进行了数值模拟,创新性地采用变刚度TRUSS单元来描述井内环空和井壁的约束作用,无论是屈曲构形还是临界钻压,数值预测结果和理论分析结果吻合很好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• §1-1 国内外钻柱动力学研究概况
• §1-2 钻井工程中的问题
• §1-3 本文的主要工作
• 第二章 斜井段钻柱动力分岔分析
• §2-1 非线性动力学与分岔现象简介
• §2-2 坐标系的建立
• §2-3 钻柱控制方程的建立
• §2-4 控制方程的求解
• 2-4-1 两端铰支模型
• 2-4-2 一端固定，一端铰支模型
• §2-5 工程实例分析
• §2-6 本章小结
• 第三章 斜井段钻柱的混沌运动分析
• §3-1 混沌运动判据的建立
• §3-2 工程实例分析
• §3-3 斜井段钻柱在周期性参数激励作用下运动的数值分析
• 3-3-1 工况一分析
• 3-3-2 工况二分析
• §3-4 本章小结
• 第四章 钻柱静力分岔的数值模拟
• §4-1 有限元基本思想及其在钻柱力学中的应用
• §4-2 铅垂井段钻柱的分岔分析
• 4-2-1 铅垂井段钻柱（铰-铰模型）在浮重作用下的分岔分析
• 4-2-2 铅垂井段钻柱（铰-铰模型）静力分岔的数值模拟
• 4-2-3 铅垂井段钻柱（铰-固模型）在浮重作用下的分岔分析
• 4-2-4 铅垂井段钻柱（铰-固模型）数值模拟分析
• §4-3 水平井段钻柱静力分岔分析
• 4-3-1 水平井段钻柱（铰-铰模型）在浮重作用下的分岔分析
• 4-3-2 水平井段钻柱（铰-铰模型）数值模拟分析
• 4-3-3 水平井段钻柱（铰-固模型）在浮重作用下的分岔分析
• 4-3-4 水平井段钻柱（铰-固模型）屈曲的数值模拟
• §4-4 本章小结
• 第五章 结论
• 参考文献
• 附录A
• 致谢