大位移井钻柱力学分析及延伸能力研究

论文摘要

大位移井钻井的延伸能力是大位移井钻井设计和施工的关键参数,它往往被人们所忽视,一方面,在大位移井设计时需要确定所设计的井眼长度是否超过井队的钻井能力;另一方面,在大位移井的施工时要了解哪些因素制约着井眼轨迹的延伸,所以对大位移井延伸能力的研究是很重要的。大位移井的钻进同整个钻柱的受力有关,因此要想了解大位移井的延伸能力,必须深入地研究钻柱力学,尤其要研究大位移井钻柱所受摩擦阻力情况。通过全面系统的研究,论文取得了下面一些成果。对大位移井井眼轨道的设计和计算进行了研究。论文阐述了大位移井井眼轨道的设计类型和原则,并以此为基础给出了大位移井井眼轨道的设计和计算的方法。在考虑了井眼长度、摩擦阻力和经济性等因素的基础上,运用外罚函数方法建立了大位移井的优化设计模型。此外,在大位移井的设计当中考虑了绕障问题,提出了应用双图法进行大位移井的绕障设计,该方法考虑了多障碍、复杂情况,不受障碍井的数量、形状及位置的限制,为复杂情况下的大位移井的设计和计算提供了有效的理论和模型。对大位移井的钻柱受力进行了静力分析和研究。本文根据大位移井的钻柱力学是非线性的实际,应用整体钻柱有限元法和间隙元法,建立起大位移井的整体钻柱静力间隙元力学分析模型,给出大位移井的钻柱力学方程和具体的求解方法,同时采用边界层理论对大位移井所受钻井液的摩擦阻力问题进行分析,并用于实际计算。对大位移井的振动问题进行了研究。大位移井钻柱的振动对钻柱的最大危害就是疲劳破坏,本文应用整体钻柱的力学模型,动力有限元方法,建立了大位移井的钻柱振动分析的力学模型,并具体给出了疲劳强度的求解方法。对大位移井的延伸能力进行了研究。根据对大位移井钻柱的力学分析,充分考虑钻井工程的实际,完整地给出了大位移井的延伸极限预测准则。指出大位移井的延伸受钻机、门限钻压、摩擦阻力、强度、刚度等方面的限制。其中在研究摩擦阻力的因素时,充分考虑了井眼摩擦系数、井眼曲率、钻压、转速、井眼扩大率、钻具组合等参数的影响。本文对研究大位移井钻柱的力学问题具有很强的针对性和实用性,其中不但涉及了大位移井的力学分析,还涉及了大位移井的各种复杂情况下的设计和计算,又重点讨论了大位移井的延伸能力问题,为今后大位移井的设计和施工提供依据,对提高油田经济效益具有一定的现实意义和实用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 创新点摘要
• 第一章 绪论
• 1.1 大位移井的定义及特点
• 1.2 大位移井的发展概况
• 1.3 钻柱力学的文献综述
• 1.4 本章小结
• 第二章 大位移井轨道的设计与计算
• 2.1 大位移井井眼轨道的剖面类型及设计原则
• 2.1.1 大位移井井眼轨道的剖面类型
• 2.1.2 大位移井井身剖面设计的原则
• 2.2 大位移井井眼轨道设计计算
• 2.2.1 水平投影图的设计
• 2.2.2 竖直剖面图的设计
• 2.3 大位移井井眼轨道的优化设计
• 2.3.1 大位移井井眼轨道优化设计原理
• 2.3.2 优化函数的求解
• 2.4 大位移井井眼轨道设计时的绕障问题
• 2.4.1 障碍井的描述
• 2.4.2 坐标转换
• 2.4.3 双图法绕障的理论模型
• 2.5 大位移井实钻井眼轨道计算
• 2.5.1 大位移井实钻井眼轨迹的拟合
• 2.5.2 大位移井实钻井眼轨迹上任一点的坐标计算
• 2.5.3 大位移井实钻井眼轨迹的数据处理
• 2.6 本章小结
• 第三章 大位移井钻柱的静力分析
• 3.1 大位移井静力分析模型
• 3.1.1 大位移井钻柱的静力学模型
• 3.1.2 大位移井钻柱静力学分析的理论方法
• 3.1.3 空间梁单元刚度矩阵
• 3.2 大位移井的钻柱力学分析的间隙元法
• 3.2.1 大位移井钻柱多向接触摩擦间隙元
• 3.2.2 间隙元的接触状态判别条件及其定解条件
• 3.2.3 总体平衡方程的求解
• 3.3 钻井液的流动对大位移井钻柱的摩擦作用
• 3.3.1 钻井液流动基本方程
• 3.3.2 大位移井钻柱受钻井液作用的边界层分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 大位移井钻柱振动分析
• 4.1 大位移井整体钻柱振动的力学模型
• 4.1.1 大位移井钻柱振动的力学分析模型
• 4.1.2 大位移井钻柱振动分析的简谐激振力
• 4.1.3 大位移井钻柱振动的粘滞阻尼和结构阻尼
• 4.1.4 大位移井钻柱接触摩擦阻尼
• 4.2 大位移井钻柱振动分析的理论方法
• 4.2.1 大位移井钻柱振动的有限元方程
• 4.2.2 改进的 Ritz 向量法
• 4.2.3 动力学分析的振型迭加法
• 4.2.4 大位移井钻柱的阻尼计算
• 4.3 大位移井钻柱的疲劳强度分析与计算
• 4.3.1 钻柱横截面应力的计算
• 4.3.2 钻柱疲劳强度条件
• 4.4 本章小结
• 第五章 大位移井延伸能力研究
• 5.1 大位移井的延伸极限预测准则
• 5.1.1 岩石破碎条件
• 5.1.2 摩阻力条件
• 5.1.3 钻柱强度条件
• 5.1.4 钻柱刚度条件
• 5.2 大位移井钻柱微元段受力的求解
• 5.3 大位移井极限延伸能力的影响因素分析
• 5.3.1 门限钻压对大位移井极限延伸能力的影响
• 5.3.2 转盘转速对大位移井极限延伸能力的影响
• 5.3.3 井眼摩擦系数对大位移井极限延伸能力的影响
• 5.3.4 井眼曲率对大位移井极限延伸能力的影响
• 5.3.5 钻井液密度对大位移井延伸能力的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 钻柱力学在大位移井钻井中的应用
• 6.1 吉林油田扶平24 大位移井钻柱静力分析
• 6.1.1 扶平大位移井的轨道设计
• 6.1.2 扶平大位移井钻柱静力学分析
• 6.2 吉林油田扶平24 大位移井振动和疲劳强度分析
• 6.2.1 扶平24 大位移井的振动计算
• 6.2.2 扶平24 大位移井的减振措施
• 6.3 吉林油田扶平24 大位移井延伸能力分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 发表文章目录及获奖情况
• 致谢
• 详细摘要