【摘要】：鉆柱失效是鉆井嚴(yán)重事故之一,鉆柱振動(dòng)作為鉆柱失效的主要原因,包括鉆柱的縱向、橫向及扭轉(zhuǎn)等振動(dòng)形式,其中鉆柱橫向振動(dòng)多發(fā)生下部鉆具組合上且是最具破壞力和最復(fù)雜的振動(dòng),研究下部鉆具組合的橫向振動(dòng)機(jī)理并實(shí)現(xiàn)隨鉆橫向振動(dòng)監(jiān)測(cè)與參數(shù)優(yōu)化對(duì)于降低鉆井風(fēng)險(xiǎn)、提高機(jī)械鉆速等具有實(shí)際意義。采用理論分析與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方法,研究了直井中下部鉆具組合在指定外激勵(lì)條件下的狀態(tài)矢量響應(yīng)特征:基于線性疊加方法和歐拉伯努利梁理論建立了適用于直井鉆進(jìn)的頻率域下、單自由度和有阻尼條件下的下部鉆具組合受迫振動(dòng)質(zhì)量分布模型,并將二維鉆柱模型擴(kuò)展到三維鉆柱模型;同時(shí)基于牛頓動(dòng)力學(xué)微分方程與歐拉伯努利梁理論建立了適用于直井鉆進(jìn)的頻率域下、單自由度和有阻尼條件下的下部鉆具組合受迫振動(dòng)集中參數(shù)模型。在給定外激勵(lì)條件下,基于所建立的數(shù)學(xué)模型并利用MATLAB編程獲得了下部鉆具組合的狀態(tài)矢量分布規(guī)律,通過(guò)比較相同外激勵(lì)條件下不同下部鉆具組合的狀態(tài)矢量響應(yīng)程度,實(shí)現(xiàn)鉆前下部鉆具組合的對(duì)比及優(yōu)選;通過(guò)控制變量法改變鉆井參數(shù)實(shí)現(xiàn)了鉆前下部鉆具組合中鉆柱失效高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別;基于獲得的狀態(tài)矢量參數(shù)(位移、傾角、彎矩、剪切力)形成了橫向振動(dòng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)指數(shù)(LSE),并利用井下存儲(chǔ)式振動(dòng)測(cè)量短節(jié)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)完成了對(duì)所建立數(shù)學(xué)模型的對(duì)比與校核,對(duì)比結(jié)果顯示直井中正常鉆進(jìn)時(shí)下部鉆具組合的橫向振動(dòng)強(qiáng)度是影響鉆頭破巖機(jī)械比能和機(jī)械鉆速的主要因素,且模型計(jì)算結(jié)果與測(cè)量結(jié)果基本相符,驗(yàn)證了模型對(duì)直井中下部鉆具組合橫向振動(dòng)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)精度;基于提出的下部鉆具組合橫向振動(dòng)強(qiáng)度評(píng)價(jià)指數(shù)(LSE)形成了一套橫向振動(dòng)隨鉆控制與優(yōu)化流程,并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了下部鉆具組合橫向振動(dòng)強(qiáng)度隨鉆監(jiān)測(cè)與優(yōu)化流程的適用性,對(duì)鉆井現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)與降低下部鉆具組合的橫向振動(dòng)強(qiáng)度具有指導(dǎo)意義。
【圖文】：

原則上強(qiáng)度越大的地層巖石，鉆頭破巖所響鉆頭破巖機(jī)械比能因素還包括鉆頭磨損、鉆頭泥包橫向振動(dòng)）、井底泥包、水力參數(shù)等諸多因素[75]，在情況下鉆井過(guò)程中機(jī)械比能消耗越多說(shuō)明鉆頭破巖效機(jī)械比能概念的同時(shí)也通過(guò)大量室內(nèi)實(shí)驗(yàn)得到以下三個(gè)程中鉆頭破巖所需要的最小機(jī)械比能理論上等于所鉆即鉆井過(guò)程中鉆頭破巖比能基線值由地層巖石本身決碎地層巖石顆粒大小與鉆頭破巖所需能耗成反比，巖中井底“壓持”效應(yīng)越明顯，，鉆頭破巖機(jī)械效率越低井過(guò)程中影響鉆頭破巖效率的因素多且復(fù)雜，巖石強(qiáng)頭破巖機(jī)械比能變化范圍較大，一定長(zhǎng)度井段內(nèi)鉆頭地層巖石強(qiáng)度的比值可以用來(lái)分析和評(píng)價(jià)井下實(shí)際工，鉆頭的鉆壓和扭矩組成鉆頭破巖輸出能量系統(tǒng)，原機(jī)械鉆速越高。但實(shí)際鉆井過(guò)程中鉆頭機(jī)械鉆速和鉆線性關(guān)系，典型的機(jī)械比能和機(jī)械鉆速的關(guān)系曲線如

圖 3.1 直井中下部鉆具組合二維示意圖Fig3.1 two-dimensional schematic diagram of the BHA in vertical well3.1.1 狀態(tài)矢量的疊加與傳遞當(dāng)下部鉆具組合發(fā)生橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，定義下部鉆具組合微元狀態(tài)矢量μ 表示為：1yMVθμ = (3.1)式（3.1）中， y 為微元體相對(duì)井眼軸線的橫向位移，m ；θ 為微元體相對(duì)于井眼軸線于的傾角，rad ；M 為微元體所承受彎矩，N m；V 為微元體所受剪切應(yīng)力， N 。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)石油大學(xué)(北京)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TE921.2

【參考文獻(xiàn)】

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3 崔猛;李佳軍;紀(jì)國(guó)棟;陳永恒;;基于機(jī)械比能理論的復(fù)合鉆井參數(shù)優(yōu)選方法[J];石油鉆探技術(shù);2014年01期

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5 管志川;邵冬冬;溫欣;史玉才;;水平井眼中旋轉(zhuǎn)鉆柱運(yùn)動(dòng)特性的實(shí)驗(yàn)研究[J];工程力學(xué);2013年05期

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本文編號(hào)：2637794