斜直井眼中转速对钻柱动力学特性的影响

第27卷第5期 Vol.27 No.5 2010年 5 月 May 2010 文章编号:1000-4750(2010)05-0184-07

工 程 力 学 ENGINEERING MECHANICS

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斜直井眼中转速对钻柱动力学特性的影响

胡以宝,*狄勤丰,王文昌,姚建林,姚永汉

(上海大学,上海市应用数学和力学研究所,上海 200072)

摘 要:针对钻柱和井壁之间的接触非线性特点,运用节点迭代有限元法计算钻柱的动态响应,研究了转速对钻柱动力学特性的影响,计算了钻柱涡动速度、涡动轨迹和横向加速度、纵向加速度。结果表明:钻柱和井壁之间碰撞频繁,过大的横向加速度、纵向加速度会使钻柱进入涡动状态甚至混沌运动状态,使钻柱产生较大的交变应力,导致钻柱的过早失效和井下测量工具的损坏。通过转速优化,可较大幅度地减弱钻柱的振动,降低钻柱的动态工作应力。该方法和结果对于工程实际具有指导意义,并为现场操作提供理论依据。 关键词:钻柱;动力学特性;转速;斜直井眼;有限元法 中图分类号:TE242 文献标识码:A

INFLUENCE OF ROTARY TABLE SPEED ON THE DYNAMIC

CHARACTERISTICS OF DRILLSTING IN INCLINED STRAIGHT HOLE

HU Yi-bao , *DI Qin-feng , WANG Wen-chang , YAO Jian-lin , YAO Yong-han

(Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

Abstract: Recognizing the contact nonlinearity between drillstring and borehole, the finite element iterative method is used to calculate the dynamic characteristics of drillstring, such as whirl speed, whirl orbit, lateral and axial accelerations. Furthermore, the effects of rotary speed on dynamic characteristics of drillstring are analyzed. The results show that high acceleration and frequency impact between drillstring and borehole wall may lead to whirl and chaotic motion, and increase the alternating stress. These severe vibrations may result in premature drillstring failure and damage to the downhole tools. By rotary table speed optimization, drillstring vibrations can be reduced and the dynamic stress can be controlled at a low level. The results are helpful to engineering applications and provide theory supports for drilling operations.

Key words: drillstring; dynamic characteristics; rotary speed; straight hole; finite element method

钻柱的动力学问题是石油工程中非常重要的问题。钻柱的动力学特性不仅仅关系到钻井效率,

还关系到钻柱的剧烈振动及其失效问题[12]。国内外对钻柱的失效研究已经很多,但早期研究主要集中在改善钻柱的结构和材质方面。由于钻柱的结构及工作环境的复杂性,在钻柱动力学特性及钻柱动态应力控制方面的研究进展较小,直到20世纪末,Baker Hughes、Shell、Sperry-Sun等公司才在动力

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收稿日期:2008-12-25;修改日期:2009-06-25

学方面取得了突破性的进展,并在工程现场获得了

显著的经济效益[36]。国内在这方面的研究相对落后,研究的对象主要集中在底部钻具组合(Bottom Hole Assembly, BHA),对全井钻柱力学特性的研究,尤其是动力学特性的研究较少。本文以全井钻柱为研究对象,运用节点迭代有限元法,研究了转速对钻柱动力学特性的影响。

基金项目:国家自然科学基金项目(50174047,50674065);上海市科委项目(061658035);上海大学创新基金项目(SHUCX091052) 作者简介:胡以宝(1980―),男,山东人,博士生,从事钻柱动力学研究(E-mail: huyibao@http://www.wendangwang.com);

*狄勤丰(1963―),男,江苏人,教授,博士,博导,从事石油工程中的力学问题研究(E-mail: qinfengd@http://www.wendangwang.com); 王文昌(1982―),男,甘肃人,博士生,主要从事管柱力学方面的应用研究(E-mail: wellking@http://www.wendangwang.com) 姚建林(1980―),男,甘肃人,博士生,主要从事空气钻井方面的研究(E-mail: dhyjl@http://www.wendangwang.com);

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