钻柱力学分析
读者朋友，欢迎你来到这篇文章，这篇文章将为你提供一个深入的分析，关于叫做钻柱力学（Drilling Column Mechanics）的话题。本文将概述钻柱力学的基本原理和它的在石油钻探中的应用，还将分析钻柱力学的可行性以及它在钻探方面的发展前景。
一、钻柱力学的基本原理
钻柱力学的主要原理来自于两个优秀的物理原理：力的平衡和圆柱曲线力学。力的平衡是指钻柱的各种力，如系统重力、钻柱扭矩、钻柱圆柱曲线力学及系统抗拉力，需要相互抵消，以维持力学稳定。而圆柱曲线力学是指圆柱形轴向力的力学行为，可以用来计算钻柱的截面变形情况。
二、钻柱力学在石油钻探中的应用
现代石油钻探技术中，钻柱力学是一个重要的因素，可以帮助工程师理解钻探过程中钻柱受力和变形的情况，以及如何确定在钻探过程中采取正确的措施。此外，钻柱力学还可以用来估计井壁收敛变形，以及确定最佳钻柱尺寸，以减少钻井时间和成本。
三、钻柱力学的可行性
在钻探过程中，钻柱受到各种不同的力，这些力会促使钻柱产生微小的变形，并在时间的推移中不断影响钻探过程的进展。因此，利用钻柱力学可以有效地控制钻柱的受力状态，从而帮助钻探工程师在短时间内完成钻井。此外，钻柱力学可以帮助建立仿真模型，以便工程师可以在实际钻探之前模拟出不同情况下的钻井受力和变形状况。
四、钻柱力学的发展前景
由于石油钻探技术不断进步，钻柱力学在钻井过程中也将变得越来越重要。目前，钻柱力学已经被广泛应用于石油钻探，但未来仍有很多空间可以改进和优化，如研发新型工具和材料，以及提高力学分析技术。此外，研究人员正在尝试用钻柱力学来优化钻探布线，以减少钻探过程中的受力和变形。
总结
以上是关于钻柱力学的详细介绍。从上面可以看出，钻柱力学是一个非常重要的概念，它可以帮助工程师在短时间内完成钻井，而且在未来也会越来越受重视。因此，为了提高石油钻探的效率，应该加强对钻柱力学的研究，以提升钻探技术水平。
钻柱 一、钻柱的作用与组成 二、钻柱的工作状态与受力分析 三、钻柱设计 一、钻柱的组成与功用 （一）钻柱的组成 钻柱(Drilling String)是钻头以上，水龙头以下部分的钢管柱的总称. 它包括方钻杆(Square Kelly)、钻杆(Drill Pipe)、钻挺(Drill Collar)、各种接头(Joint)及稳定器(Stabilizer)等井下工具。 （二）钻柱的功用 (1)提供钻井液流动通道； (2)给钻头提供钻压； (3)传递扭矩； (4)起下钻头； (5)计量井深。 (6)观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）； (7)进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）； (8)钻杆测试 ( Drill-Stem Testing),又称中途测试。 1. 钻杆 （1）作用：传递扭矩和输送钻井液，延长钻柱。 （2）结构：管体+接头 （3）规范： 壁厚：9 ～ 11mm 外径： 长度： 根据美国石油学会(American Petroleum Institute,简称API)的规定，钻杆按长度分为三类： 第一类 5.486～ 6.706米(18～22英尺)； 第二类 8.230～ 9.144米(27～30英尺); 第三类 11.582～13.716米(38～45英尺)。 常用钻杆规范（内径、外径、壁厚、线密度等）见表2-12 ?丝扣连接条件：尺寸相等，丝扣类型相同，公母扣相匹配。 ?钻杆接头特点：壁厚较大，外径较大，强度较高。 ?钻杆接头类型：内平（IF）、贯眼（FH）、正规（REG）； NC系列 ?
内平式：主要用于外加厚钻杆。特 点是钻杆通体内径相同，钻井液 流动阻力小；但外径较大，容易 磨损。 贯眼式：主要用于内加厚钻杆。其 特点是钻杆有两个内径，钻井液 流动阻力大于内平式，但其外径 小于内平式。 正规式：主要用于内加厚钻杆及钻 头、打捞工具。其特点是接头内 径<加厚处内径<管体内径，钻井 液流动阻力大，但外径最小，强 度较大。 三种类型接头均采用V型螺纹， 但扣型、扣距、锥度及尺寸等都 有很大的差别。 NC型系列接头NC23，NC26，NC31，NC35，NC38，NC40，NC44，NC46，NC50，NC56，NC61，NC70，NC77 NC—National Coarse Thread，（美国）国家标准粗牙螺纹。 xx—表示基面丝扣节圆直径，用英寸表示的前两位数字乘以10。 如：NC26表示的节圆直径为2.668英寸。 NC螺纹也为V型螺纹, 表2-17所列的几种NC型接头与旧API标准接头有相同的节圆直 2. 钻铤 结构特点：管体两端直接车制丝扣，无专门接头；壁厚大(38-53毫米）， 重量大，刚度大。 主要作用：(1)给钻头施加钻压; (2)保证压缩应力条件下的必要强度; (3)减轻钻头的振动、摆动和跳动等，使钻头工作平稳； (4)控制井斜。 类型：光钻铤、螺旋钻铤、扁钻铤。 常用尺寸：6-1/4〃，7 〃，8 〃，9 〃 3.方钻杆 类型：四方形、六方形 特点：壁厚较大，强度较高 主要作用：传递扭矩和承受钻柱的全部重量。 常用尺寸：89mm(3.5英寸)，108mm (4.5英寸)，133.4mm (5.5英寸)。 4.稳定器 类型：刚性稳定器、不转动橡胶套稳定器、滚轮稳定器。
水平井钻柱摩阻、摩扭分析 张宗仁 一、文献调研与综述 在水平井中，由于重力的作用，钻具总是靠着井壁（或套管）的，其接触面积就比直井大很多所产生的摩擦力和扭矩将会大大的增加。对管柱的摩擦阻力和轴向拉力研究计算，保证钻井管柱（钻柱或则套管，油管）的顺利上提和下放。如今，国内外已经有很多关于磨阻计算的力学模型，主要分为两大类：一类为柔杆模型，另一类为柔杆加刚性模型。 1．1约翰西克柔杆模型： 约翰西克(Johansick)在1983年首次对全井钻柱受力进行了研究，为了研究的方便，在研究过程中.他作了以下几点假设: (1)钻柱与井眼中心线一致； (2)钻柱与井壁连续接触: (3)假设钻柱为一条只有重量而无刚性的柔索； (4)忽略钻柱中剪力的存在: (5)除考虑钻井液的浮力外忽略其他与钻井液有关的因素。 在此假设条件下，建立了微单元力学模型，根据单元的力学平衡，推导出如下的拉力、扭矩计算公式: 12 22 cos [(sin )(sin )]t T W N M Nr N T T W αμμθααα?=±?==?+?+ 式中： T:钻柱单元下端的轴向拉力，N ； Mt:钻柱扭矩，N.m ； N:钻柱与井壁的接触正压力，N ； W:钻柱在钻井液中的重量，N ； u:钻柱与井壁的摩擦系数； r:钻柱单元半径； a,△a,△θ:平均井斜角，井斜角增量，方位角增量;起钻时取“+”，下钻时取“-”。 1．2二维模型: Maida 等人对拉力、扭矩进行了平面和空间的分析，建立了应用于现场的二维和三维的数学模型。他建立的二维模型和三维模型如下: 111211111 **[(1)(sin sin )2(cos cos )] 1exp[()](exp[()](Ai Ai B i i B i i B B i i B i i i i i qR F A F C a A a C a A a A a a A a a l l a a μμμμμ-------=+--+-+=-=---i 起钻)下钻)R= 式中B μ为摩擦系数，li 计算点井深，FAi 为计算点轴向载荷，C1、C2为符
五、水平井钻具的受力分析 水平井钻具的受力分析是一个比较复杂的力学问题，在水平井摩阻与扭矩分析和计算的基础上，我们可以定性的分析在一定井眼条件和一定钻井参数情况下，不同钻具组合对井眼轨迹控制的能力。 钻柱与井壁产生的摩阻和扭矩, 用滑动摩擦理论计算如下: Ｆ ＝μ×Ｎ Ｔr ＝μ×Ｎ×Ｒ 式中:Ｆ 一 摩擦力 μ 一 摩擦系数 Ｎ 一 钻柱和井壁间的正压力 Ｒ 一 钻柱的半径 Ｔr 一 摩擦扭矩 从上式可以看出，μ 和 N 是未知数，通过大量现场数据的回归计算求出：μ＝0.21（钻柱与套管） μ＝0.28～0.3（钻柱与裸眼） 同时我们对正压力也进行了分析和计算。 1、 正压力大小的计算 (1) 弯曲井眼内钻具重量和井眼曲率引起的正压力Ｎ1 现有的摩阻和扭矩计算模式是根据"软绳"假设建立起来的，即钻具的刚度相对于井眼曲率可忽略不计．设一弯曲井眼上钻柱单位长度的重量为Ｗ，两端的平均井斜角为Ｉ，两端的平均方位角为 A 。 如果假定Ｙ轴在垂直平面内,?Ｘ轴在侧向平面内,把Ｎ1沿Ｘ和Ｙ轴分解,则: Ｎ1y=Ｔ×sin Ｉ + Ｗ×sin Ｉ Ｎ1x=Ｔ×sin Ａ×sin Ｉ (2) 钻柱弯曲产生的弯曲正压力Ｎ2 钻柱通过弯曲井段时,由于钻柱的刚性和钻柱的弯曲,便产生了一种附加的正压力Ｎ2。如图所示: Ｒ ＝ 18000/Ｋ/pi (m) Ｌ ＝ Ｒ×2×Φ Φ ＝ 2×Ｌ/Ｒ Ｌ1 ＝ 2×Ｒ×sin Φ (m) 根据力学原理: Ｍ ＝ Ｅ×Ｉm ×Ｋ/18000*pi Ｍ ＝ Ｎ2×(Ｌ1/2)-Ｔ×Ｌ1×sin Φ 则有: Ｎ2 ＝ 2×Ｔ×sin Φ +2×Ｅ×Ｉm ×Ｋ/1719×Ｌ1 这里: Ｋ － 井眼曲率 (°/100米) Ｌ － 井段长度 (米) Ｌ1 － Ｌ的直线长度 (米) I A T SINi w I T N sin sin )sin (1??+?+?=
钻柱力学分析 读者朋友，欢迎你来到这篇文章，这篇文章将为你提供一个深入的分析，关于叫做钻柱力学（Drilling Column Mechanics）的话题。本文将概述钻柱力学的基本原理和它的在石油钻探中的应用，还将分析钻柱力学的可行性以及它在钻探方面的发展前景。 一、钻柱力学的基本原理 钻柱力学的主要原理来自于两个优秀的物理原理：力的平衡和圆柱曲线力学。力的平衡是指钻柱的各种力，如系统重力、钻柱扭矩、钻柱圆柱曲线力学及系统抗拉力，需要相互抵消，以维持力学稳定。而圆柱曲线力学是指圆柱形轴向力的力学行为，可以用来计算钻柱的截面变形情况。 二、钻柱力学在石油钻探中的应用 现代石油钻探技术中，钻柱力学是一个重要的因素，可以帮助工程师理解钻探过程中钻柱受力和变形的情况，以及如何确定在钻探过程中采取正确的措施。此外，钻柱力学还可以用来估计井壁收敛变形，以及确定最佳钻柱尺寸，以减少钻井时间和成本。 三、钻柱力学的可行性 在钻探过程中，钻柱受到各种不同的力，这些力会促使钻柱产生微小的变形，并在时间的推移中不断影响钻探过程的进展。因此，利用钻柱力学可以有效地控制钻柱的受力状态，从而帮助钻探工程师在短时间内完成钻井。此外，钻柱力学可以帮助建立仿真模型，以便工程师可以在实际钻探之前模拟出不同情况下的钻井受力和变形状况。
四、钻柱力学的发展前景 由于石油钻探技术不断进步，钻柱力学在钻井过程中也将变得越来越重要。目前，钻柱力学已经被广泛应用于石油钻探，但未来仍有很多空间可以改进和优化，如研发新型工具和材料，以及提高力学分析技术。此外，研究人员正在尝试用钻柱力学来优化钻探布线，以减少钻探过程中的受力和变形。 总结 以上是关于钻柱力学的详细介绍。从上面可以看出，钻柱力学是一个非常重要的概念，它可以帮助工程师在短时间内完成钻井，而且在未来也会越来越受重视。因此，为了提高石油钻探的效率，应该加强对钻柱力学的研究，以提升钻探技术水平。
钻柱工作状态及受力分析 一、钻柱的工作状态 在钻井过程中，钻柱主要是在起下钻和正常钻进这两种条件下工作。在起下钻时，整个钻柱被悬挂起来，在自重力的作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。实际上，井眼并非是完全竖直的，钻柱将随井眼倾斜和弯曲。 在正常钻进时，部分钻柱（主要是钻铤）的重力作为钻压施加在钻头上，使得上部钻柱受拉伸而下部钻柱受压缩。在钻压小和直井条大钻压，则会出现钻柱的第一次弯曲或更多次弯曲（图1）。目前，旋转钻井所用钻压一般都超过了常用钻铤的临界压力值，如果不采取措施，下部钻柱将不可避免地发生弯曲。 在转盘钻井中，整个钻柱处于不停旋转的状态，作用在钻柱上的力，除拉力和压力外，还有由于旋转产生的离心力。离心力的作用有可能加剧下部钻柱的弯曲变形。钻柱上部的受拉伸部分，由于离心力的作用也可能呈现弯曲状态。在钻进过程中，通过钻柱将转盘扭矩传送给钻头。在扭矩的作用下，钻柱不可能呈平面弯曲状态，而是呈空间螺旋形弯曲状态。 根据井下钻柱的实际磨损情况和工作情况来分析，钻柱在井眼内的旋转运动形式可能是自转，钻柱像一根柔性轴，围绕自身轴线旋转；也可能是公转，钻柱像一个刚体，围绕着井眼轴线旋转并沿着井壁滑动；或
者是公转与自转的结合及整个钻柱或部分钻柱做无规则的旋转摆动。从理论上讲，如果钻柱的刚度在各个方向上是均匀一致的，那么钻柱是哪种运动形式取决于外界阻力（如钻井液阻力、井壁摩擦力等）的大小，但总以消耗能量最小的运动形式出现。因此，一般认为弯曲钻柱旋转的主要形式是自转，但也可能产生公转或两种运动形式的结合，既有自转，也有公转。 在钻柱自转的情况下，离心力的总和等于零，对钻柱弯曲没有影响。这样，钻柱弯曲就可以简化成不旋转钻柱弯曲的问题。 在井下动力钻井时，钻头破碎岩石的旋转扭矩来自井下动力钻具，其上部钻柱一般是不旋转的，故不存在离心力的作用。另外，可用水力荷载给钻头加压，这就使得钻柱受力情况变得比较简单。 二、钻柱的受力分析 钻柱在井下受到多种荷载（轴向拉力及压力、扭矩、弯曲力矩）作用，在不同的工作状态下，不同部位的钻柱的受力的情况是不同的。 1、轴向拉力和压力 钻柱受到的轴向荷载有自重产生的拉力、钻井液生产的浮力和施加钻压产生的压力。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/5b19332538.html, 钻柱纵向\横向振动分析研究进展 作者：刘磊刘剑辉 来源：《硅谷》2011年第03期 摘要：钻井是石油生产中的重要环节，而钻柱更是重中之重。主要阐述当前钻柱振动研 究的基本方法和基本理论。通过对钻柱纵向、横向振动的分析，找出振动规律。这些研究对于钻柱乃至整个生产过程的安全性有十分重要的作用。 关键词：钻柱；振动；安全性 中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0210025－01 0 引言 石油行业中，生产中的各个环节紧密联系。石油钻井是油田生产中最基础的环节，钻井的质量直接影响到后续生产；钻井也是生产各个环节中投入最大、难度最大的。在石油钻井中，钻柱能否安全工作，不仅影响到油田安全；通过降低油田钻柱的失效事故，也能极大程度提高油田的经济效益。在众多导致钻柱失效的原因中，由于钻柱振动产生的危害不容忽视。 对钻柱危害最大的振动主要为钻柱横向和纵向振动。对钻柱振动的研究历来是国内外学者的重要研究方向。上世纪80年代开始众多学者对其进行了深入的分析，近年来随着计算机技术和有限元分析技术的提高，计算机仿真分析也成为了一个重要的研究方法。但是，钻柱的振动是一个极其复杂的过程，许多理论和研究成果还待进一步修改和完善。 1 钻柱振动危害 钻柱振动会对油田生产带来极大危害。首先，由于钻柱的振动，会产生交变载荷，长期工作在交变载荷下容易导致钻柱的疲劳失效，钻柱疲劳破坏是一种典型的钻柱失效形式。在井眼中，套管是井壁唯一的保护层，钻柱在套管中工作，由于钻柱和套管的接触，加大了套管的磨损程度。而且当钻柱的固有频率与激励频率接近时，钻柱会发生共振，此时钻柱受到的影响是最大的。在油田生产中，钻柱失效不胜枚举。 2 钻柱振动基础理论 目前，国内外学者对钻柱进行了一系列的研究分析，主要还是基于一些基本振动理论进行的分析。这其中最主要的方法就是非线性分析方法。基于这些理论和方法完成了对钻柱纵向、横向的振动分析。
海上平台钻井钻柱耦合振动规律分析 摘要：目前定向井、水平井、大位移井等复杂结构井在油田广泛应用。井型不断增加,井下 和井上环境变化多端,对钻井的主要承载体钻柱的力学分析和计算要求也逐渐增高,关系到整 口井顺利完钻的成败。严重时引起钻柱失效、跳钻等钻井事故发生。因此有必要开展定向井 钻柱振动研究,对定向井的设计和钻具的优选都具有重要的指导意义，为提高现场钻井技术水 平和降低钻井成本提供技术支持和理论保障。 关键词：海上钻井；钻柱；耦合振动 钻井工程是石油天然气勘探开发的主要手段和油气生产的关键工序之一，大力发展钻井创技 术是提高油气采收率最具潜力的手段之一。目前，世界钻井技术日创月异，定向井、水平井 等技术在油田普遍得到使用，在老油田，油田开采后期侧钻水平井、大位移井等创技术成为 提高采收率的最有效手段之一。而钻井力学对这些创的钻井方式提供了理论支持和技术指导。 1 钻柱在不同的工作状态下受到不同的载荷 （1）轴向力：起下钻时，由于钻柱自身重力作用，使整个钻柱受到拉力，井口处最大，越 向下越小。在钻井液条件下，钻柱受到钻柱的浮力，浮力作用方向与拉力正好相反，因此减 小了钻柱的上部拉力。钻柱与井壁间存在摩擦力，使得下钻时减小上部钻柱拉力，起钻时增 加上部钻柱拉伸载荷。（2）扭矩：钻盘转动带动钻柱、钻头旋转，并克服钻柱与井壁间存 在摩擦阻力，使钻头破碎岩石，因此钻柱内存在扭矩，并且井口处扭矩最大，钻头处扭矩最小。（3）弯矩：正常钻进时，当施加的钻压超过钻柱的临界值时，下部钻具受压发生弯曲 变形。在转盘钻进时，钻柱在离心力作用下也会产生弯曲。钻柱在弯曲井眼内工作时，也将 发生弯曲，弯曲变形的钻柱在轴向压力的作用下，将受到弯曲力矩的作用，产生弯曲应力。 在弯曲状态下，钻柱如绕自身轴线旋转，则会产生交变的弯曲应力。（4）振动：钻进时， 钻头和井底不连续的接触引起的钻柱上下运动；钻柱偏心或钻柱绕井眼轴线公转诱发的横向 摆动；钻头破碎岩石时井底反扭矩的变化等因素引起的振动。（5）动载：在起下钻施工时，由于钻柱运动速度的变化，会引起纵向振动，在钻柱中产生纵向瞬时交变应力，动载的大小 与操作因素有关。 2 钻柱振动 钻柱疲劳破坏和钻柱失效的影响因素很多。其中钻柱振动与钻柱疲劳破坏和钻柱失效事故有 着直接关系，（1）由于受钻柱振动的影响，钻压不能均匀地加在钻头上，实测井底钻压波 动值在±35％～±100％之间变化。钻头因钻柱的剧烈跳动而跳离井底，冲击载荷又使得钻头 轴承和镶齿过早发生破坏，因此钻头的总进尺和机械钻速都大为降低。（2）钻柱自身的剧 烈振动，将引起钻柱上连接螺纹疲劳断裂。钻铤螺纹受到的影响最为严重，断裂常发生于此。由于横向振动难于避免，因而在某些井段引起钻柱公转，这是造成钻杆街头偏磨的主要原因 之一。（3）当钻柱振动比较严重时，方钻杆将在钻盘内猛烈跳动，死绳出现大幅度晃荡； 指重表指针来回摆动，往往引起钻机和井架的强迫振动，因而对地面设备有一定的破坏作用。钻柱的振动主要有三种形式：纵向振动、横向振动、扭转振动。三种振动形式形态 不同。纵向振动是沿着钻柱轴线方向；横向振动又被称为弦振；扭转振动则像钟表内的弹簧 带动摆轮，左右反复扭动。钻柱振动有时还表现为三种振动形式的耦合振动，同时也伴有钻 井液、井壁等因素的影响，因此钻柱耦合振动分析是一个复杂的动力学问题。因此研究钻柱 耦合振动规律是一项有意义、有必要的研究。 3 钻柱耦合振动规律分析 Poletto.F.等人认为钻头的振动将影响对钻柱振动信号的采集，使信号不能真实反映钻柱与井壁、泥浆等耦合振动的实况，他们建立了描述钻柱波动的数字模型，用以自动地校正钻头对
超深井钻柱粘滑振动特征的测量与分析 滕学清;狄勤丰;李宁;陈锋;周波;王敏 【摘要】粘滑振动是引起钻具失效、影响钻井时效的复杂振动形式,国内外学者对其产生机理进行了大量研究,但至今没有定论.采用ESM钻柱振动测量工具测量了某超深井井下钻柱的三轴加速度,通过分析三轴加速度的特征,研究了井下钻柱的粘滑振动特征.结果表明:实测井段发生了大量的粘滑振动,粘滑振动频率约为0.11 Hz,粘滑振动周期约为9.0 s,粘滞时长达4.0 s,滑脱阶段井下钻柱转速最大达330.0 r/min,约为地面转速的2.75倍;粘滑振动与地面测量扭矩波动具有很好的对应关系,说明可以通过地面测量扭矩特征初步判断井下钻柱是否产生粘滑振动.频域分析结果表明,当发生滑脱运动时,径向加速度的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值最大,同时还包含横向共振频率和与井壁接触产生的外激励频率等,但轴向振动的频谱中粘滑振动频率对应的能量幅值较小,表明钻柱粘滑振动过程中扭转振动最为突出,并存在强烈的横向振动和较弱的轴向振动.研究结果对描述粘滑振动的特征、判断超深井钻井过程是否发生粘滑振动和及时采取消除粘滑振动技术措施具有指导作用.%Complicated stick-slip vibration might induce drilling tool failure and negatively impact drilling efficiency.Much research has been conducted on the mechanisms that cause the generation of such a vibration but they have not been able to arrive at a confirmed conclusion.In this paper,we present a study in which we used ESM drill string vibration measuring devices and tri-axial accelerations of a downhole drill string in an ultra-deep well.Through the analysis of tri-axial acceleration,the stick-slip vibration features of the drill string were reviewed.Research results showed that massive stick-slip vibration occurred in the concerned interval with a
油气井杆管柱是石油钻采作业的脊梁和中枢神经。油气井杆管柱力学主要研究钻柱力学、井眼轨道控制、套管设计、有杆泵抽油系统等内容。对油气井杆管柱进行系统全面、准确的力学分析, 可以实现快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道；准确地校核各种杆管柱的强度, 优化杆管柱设计；优化油气井井眼轨道；及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题；优选钻采设备和工作参数。 燕山大学石油工程研究所教授、博士生导师李子丰等在国家“八五”重点科技攻关项目“石油水平井钻井成套技术”、国家“九五”重点科技攻关项目“侧钻水平井钻井采油配套技术”、“863”计划项目“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”和“海底大位移井钻井技术”、国家自然科学基金项目“防止热采井套管热破坏的固井新技术”等支持下，在建立油气井杆管柱力学理论体系研究方面取得多项重要创新性科学发现。 一、提出了油气井杆管柱动力学基本方程, 该方程统一了原有的油气井杆管柱力学分析领域的各种微分方程, 为油气井杆管柱的各种动静态力学分析奠定了基本理论基础 应油气田开发的迫切需要, 科学界自20世纪50年代以来针对油气井杆管柱的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究, 发表了数以百计的学术论文。特别是“七五”和“八五”期间国家组织的对定向丛式井和水平井的科技攻关, 使我国的油气井杆管柱力学研究水平大大提高。但所有的研究工作都是基于某项特殊需要而进行的。对某些问题，如动力问题和几何非线性问题研究较少。为此，需要对杆管柱动力学问题进行系统的研究, 建立统一的理论。
李子丰教授通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析，推导了用于对油气井杆管柱进行各种力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程。由于油气井杆管柱动力学基本方程统一了现有一切油气井杆管柱力学分析的微分方程，现有的油气井杆管柱力学分析的微分方程都可由该动力学基本方程通过适当简化而得到，所以，该基本方程在石油钻采工程界具有广泛的应用。 二、建立了斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，指出了“虚构力”理论的错误 石油工程中的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在井筒中工作时在某些井段经常处于压扭状态，发生正弦或螺旋屈曲。屈曲后，杆管柱内的应力急剧增加，与井壁的摩擦阻力增加，会发生自锁现象，严重时可发生强度破坏。 李子丰教授从油气井杆管柱动力学基本方程出发，推导了斜直井中受压扭细长杆管柱几何非线性屈曲的微分方程，建立了水平井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，分析了无重受压扭圆杆管柱的螺旋屈曲,给出了螺旋屈曲管柱的力学分析方法。 通过对内外压力对管柱稳定性的影响研究发现，(1)传统的油井管柱稳定拉力或虚构拉力的计算公式是错误的；(2)内外压力对悬挂油井管柱的稳定性没有影响；(3)内外压力本身对两端固定的油井管柱的稳定性没有影响，两端固定后，内外压力的变化对油井管柱的稳定性有影响；封固后管柱的等效轴向力与封固时管柱的轴向力、材料泊松比、内压变化量、外压变化量和内外管截面积有关；(4)对于两端固定的油井管柱，内压增加降低管柱的稳定性，外压增加提高管柱的稳定性。 三、建立了油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型 在油井作业中, 由杆管柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻采作业有很大的影响, 甚至成为作业成败的关键。先进的拉力和扭矩模型, 尤其在与先进的地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测量仪器结合使用时可以实现如下目的: (1) 优选井眼轨迹, 使整个杆管柱的摩擦阻力和扭矩损失最小; (2) 选择和校核地面设备, 优化杆管柱设计; (3) 监测井下问题; (4) 指导下套管作业; (5) 确定杆管柱与井壁的接触压力, 估计套管的磨损程度和键槽是否存在; (6) 决定是否改变泥浆性能; (7) 根据地面悬重计算钻头实际钻压。 李子丰教授依据油气井杆管柱动力学基本方程, 建立了定向井、水平井杆管柱稳态拉力—扭矩模型，并在下列领域得到了成功的应用：（1）钻柱强度分析和优选；（2）井下作业管柱力学分析；（3）井下岩屑床和其它复杂情况监测；（4）优选井眼轨道；（5）钻柱和套管减磨设计等。 四、建立了试油管柱力学分析的数学模型
新型旋冲螺杆钻具力学研究与实验分析 2. 川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，710018。) 摘要：石油作为能源产业的重要支柱，对国家民生和建设至关重要。作为国 家经济发展的重要储备能源，油气的勘探开采必然会面临越来越复杂的地层条件。随着井深的增加，岩石在地层围压的作用下，其硬度和强度都会明显增加。这导 致了钻头在破岩方面的效率不高，寿命降低，以及钻井速度大幅下降等一系列问题。本文提出了一种新型螺杆式旋转冲击钻井工具，进行了结构设计，建立了工 具井下动力学轴向振动模型，并通过室内实验验证了相关理论计算与模型的正确性。研究结果对于今后相关钻井增速提效和工具研究等方面提供一定的参考价值。 关键词：螺杆钻具；旋转冲击；动力学模型；实验测试 Mechanical research and experimental analysis of a new type of rotary punching screw drill Yang Kun1, Liu Zhenglian1 (1. Chuanqing Drilling Engineering Co., LTD. Xinjiang branch. 2. Chuanqing drilling engineering Co., Ltd. drilling and production engineering technology research institute.) Abstract: As an important pillar of the energy industry, petroleum is of great importance to the people's livelihood and construction of the country. As an important reserve energy for national economic development, the exploration and exploitation of oil and gas will inevitably face more and more complicated formation conditions. With the increase of well depth, the hardness and strength of rock will increase obviously under the action of formation confining pressure. This has led to a series of problems such as poor drill bit efficiency
钻柱失效；疲劳失效；断裂力学；陕北油田；预防对策 本文首先对钻柱失效的类型、特点、影响因素以及预防对策作了简要的概述。通过对这些问题的阐述，我们可以对钻柱失效在总体上有一个大致的了解。之后重点对钻柱的疲劳失效作了分析和探讨。而在钻柱疲劳失效的探讨中，主要讨论了钻柱本体和钻铤螺纹联接的疲劳失效，并由此得出了相应的预防措施。接着又进行了断裂力学在钻柱失效中应用的研究，并得出了钻柱失效的断裂判据和安全韧性的判据。最后又对陕北油田钻杆失效的问题进行研究分析，得出了陕北油田钻杆失效问题的主要原因,并对陕北油田钻杆的失效问题进行了预防对策的研究。
第1章概述 1.1研究钻井柱失效的目的及意义 由于钻柱失效而导致的钻井事故频繁发生，这严重影响了钻井速度的提高，而处理这些事故又耗费了大量的人力、物力和财力，造成了巨大的经济损失。所以进行大量的钻柱失效措施，提高钻柱的使用寿命，解决和预防井下钻柱失效, 这样对提高钻井速度，降低钻井成本，都具有重要的意义。 1.2钻柱失效的研究现状 有关钻柱失效方面的研究，早在60年代就已经开始，但兴盛时期却开始于80年代。在这个时期无论是外部条件（如相关学科的发展、测量手段的完善等）还是内部条件（如钻井界本身的需要）都已基本成熟，这就为钻柱失效的研究提供了一个很好的时空环境。通过对相关资料的阅读和分析发现，国内外有关钻柱失效方面的研究主要集中在两个方面：理论分析和实验研究。 1.2.1国内外有关钻柱失效方面的理论分析 理论分析即钻柱力学模型的建立及数值分析。 对钻柱进行受力变形分析的方法可归结为四类：（1）A.Lubinski的身分方程法；（2）K.KMilheim的有限元法；（3）B.H.Walker的能量法；(4)白家祉教授 的纵横弯曲法。而钻柱动力及疲劳分析的方法有：微分方程法、有限元法、间隙元法。 1.2.2国内外有关钻柱失效方面的实验研究 实验研究即钻柱动力响应的实验及现场数据的获得和分析；在实验研究方面，
钻进中钻具伸长量的计算摘要井内的钻具在其重力的作用下，会产生一个拉长，钻具内压耗和钻头压耗也会对钻具产生轴向的拉力。本文对钻进下的钻具进行了受力分析，并推导出在力的作用下钻具伸长量的公式，通过计算得出钻具在钻进中的伸长量不可忽视。建议在今后的录井工作中，用校正后的井深代替原有井深，使井深更加准确 关键词井深钻具伸长重力轴向载荷钻具内压耗钻头压耗 一、引言 当前录井行业中的井深，都是由钻具在地面的长度累加所得。并没有考虑钻具在钻进中的伸缩。钻具在井内受到各种力的作用，使钻具产生拉长或缩短，测量井深和实际井深就会产生误差，这个误差使井深不够准确。这样会对以后的工作产生很大的影响。尤其在显示井段更是如此。本文求出钻进时钻具长度的变化量，并对传统意义上的井深加以校正，使井深更加准确。提高录井资料的准确性。 二、钻柱的受力分析 钻柱在井下受到多种载荷的作用，如轴向拉力及压力、扭矩、弯曲力矩、离心力、外挤压等。在不同的工作状态下，不同部位的钻柱受力的情况是不同的，由于本文只探讨钻具的拉伸问题，所以只研究钻具在轴向拉力及压力的作用下所产生的变形。 轴向载荷主要有自重产生的拉力，由钻井液产生的浮力和因加钻压而产生的压力。此外，钻柱与井壁、钻井液的摩擦，循环钻井液时在钻柱内及钻头水眼上所消耗的压力，起下钻时上提或下放钻柱速度的变化等均会产生附加的轴向载荷。由于起下钻时钻具的拉伸问题对地质录井的意义不大，所以我们不考虑钻柱与井壁、钻井液的摩以及上提或下放钻柱速度的变化所引起的轴向载荷的变化。只考虑重力、浮力和因加钻压而产生的压力，以及循环钻井液时在钻柱内及钻头水眼上所消耗的压力而产生的轴向载荷。 １、钻柱在垂直井眼中悬挂时的受力情况 钻柱在垂直井眼中悬挂时，在井眼内没有钻井液的情况下，处于悬挂状态的钻柱仅受到自重力的作用，由上而下处于受拉伸状态。最下端拉力为零，井口处拉力最大。钻柱任一截面处的拉力可按下式计算： F０=q p L p+ q c L c（１） ―空井中的钻柱任一截面处的拉力，它等于该截面以下钻柱在空气式中：F ０ 中的重力，N； q p、q c－分别为钻杆、钻铤单位长度的重力，N/m，称为“线重”； Lc—为钻铤的长度，m； Lp—截面以下钻杆长度，m，若计算截面落在钻铤上，Lp为零。 一般情况，井眼内充满钻井液，此时钻柱除了受自重力的作用外，还受到钻井液静液压力的作用。钻柱的所有与钻井液相接触的表面上的静液压力与面积乘积的合力，称为浮力，方向向上。浮力的作用，减轻了钻柱的重力，使钻柱的轴向拉力减小。此外，作用于钻柱内外表面上的侧向静液压力，虽然合力为零，但对钻柱管体却形成侧向挤压作用。研究指出：钻井液浮力和静液压力侧向挤压作用对钻柱管体却形成侧向挤压作用。研究指出：钻井液浮力和静液压力侧向挤压
从数据与仿真结果探讨气体钻井中钻柱动力学的特 性 相关才子的毕业论文这样描述：根据气体钻井全井段钻柱动力学模型，以川西某实钻井(该井井深为4693．15m，三开和四开部分井段由气体钻井完成)的钻井参数、钻具组合和实测井眼扩大率为计算参数，研究气体钻井钻柱动力学特性如下： 1 基本数据 钻具组合：声241．3mm钻头+回压阀+声177．8mm无磁钻铤1根+≯177．8mm钻铤20根(7"DC)+JZ—T178机械式随钻震击器+旁通阀+拳127mlTl加重斜坡钻杆(5”HWDP)12根+声127mm斜坡钻杆(5”DP)+方钻杆。 钻井参数：钻压为5X104N，转盘转速为5．24rad／s，井口处注入气体压力为2MPa、气体密度为24kg／m3、气体黏度为2．0×10‘5Pa·S。 2仿真结果分析 根据气体钻井钻柱动力学模型和案例井的实钻参数，开展了气体钻井钻柱系统的动态特性仿真。限于篇幅，在此仅讨论工程界最关注的动态钻压、钻头振动轨迹和井口的动态阻力矩。动态钻压和钻头振动轨迹(幅值)相结合可反映出近钻头处钻具组合的振动剧烈程度。 首先将钻柱动态仿真结果与美国ESSO公司现场所测数据对比，以验证动力学计算结果的可靠性。由于目前尚未有气体钻井钻柱振动的井下测量数据来源，因此采用ESSO公司的泥浆钻井钻柱振动数据来侧面验证。 常规气体钻井实钻钻压围绕静钻压5×104N上下剧烈波动，振幅约为静钻压的20％～60％；最大瞬时钻压达(15～45)×104N，约为静钻压的3～9倍。ES-sO公司现场测量数据：钻压平均波动范围约为静钻压的25％～50％，最大瞬时钻压可达静钻压的3．5倍。 常规气体钻井钻头在仿真历程的大部分时刻内的跳动幅值为0～12mm，峰值为26mm。跳动较为剧烈。ESSO公司现场测量数据为：在正常情况下钻头跳动幅度为1．6mm甚至更小．个别情况下极限峰值可达25．41Tim。另外，钻头转速响应情况可看出常规气体钻井钻头的涡动非常明显，钻头常沿井壁反转。 常规气体钻井钻柱阻力矩波动范围很大，幅值为(一7～5)kH·m，均值为一3kN·m。ESSO 公司测量了泥浆钻井中钻柱的井底扭矩(井底扭矩表征主动扭矩与扭转摩阻之差)，测量表明：井底扭矩的变化幅度大约是井底平均扭矩的20％～40％，最大值达到平均扭矩的2．4倍。
钻柱力学是指应用数学、力学等基础理论和方法,结合实验以及井场资料等数据综合研究受井眼约束的钻柱的力学行为的工程科学。开展钻柱力学研究, 对钻柱进行系统、全面、准确的力学分析,在井眼轨道设计与控制、钻柱强度校核、钻柱结构和钻井参数优化等都具有重要意义。钻柱力学研究已经有五十多年的发展历史, 许多研究成果已经应用 到生产实践并产生了巨大的经济效益, 但由于钻柱在充满流体的狭长井筒内处于十分复的受力、变形和运动状态,直到今天仍然无法做到对钻柱力学特性的准确描述和和精确的定计算。近年来, 着欠平衡井、深井、超深井、水平井、大斜度井和大位移井在油气勘探开发中所占的比重越来越大, 井眼轨道控制、钻具疲劳失效、钻井成本等问题逐年突出,对钻柱力研究提出了更高的要求。与现代钻井技术发展相适应,钻柱力学必然朝着更贴近井眼。 实际工况、控制和计算精度更高的方向快速发展。文中首先介绍钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态和钻柱动力学基本方程。然后将钻柱力学分为钻柱力学和动力学2个部分;介绍钻柱拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱与涡动等几个主要方面,并对未来发展趋势做出初步的预测。 在20世纪20- 30年代, 人们就发现了井斜,同时发现井斜与钻柱的力学问题有Lubinski是钻柱力学的创始人。1950年,他从定量分析直井中钻柱的屈曲问题入手, 开创了钻柱力学研究的新局面,该研究成果得到了公认。 (1)钻柱的运动状态; (2)钻柱的应力、应变和强度; (3)钻柱与井底、井壁和钻井液相互作用及效果。这是钻柱力学研究的3个主要方面, 互相联系、互相影响、不可分开。在钻柱力学长期发展中,经过不断的优化和比较,形成了几种比较典型的研究方法,即经典微分方程法、能量法、有限差分法、纵横弯曲连续梁法、有限元法和加权余量法。 经典微分方程法是钻柱力学中应用最早的研究方法。该方法要求在满足经典材料力学的基本假设的前提下,建立钻柱线弹性的经典微分方程并求解。这种方法在考虑因素较多时,建立分方程很复杂,用经典微分方程法求解比较困难。能量法是一种求解简单的弹性力学问题的方法。它要求势能函数不仅要满足弹性力学的控制方程,而且要满足边界条件, 通过解的形式设及有关参数的确定, 可得到问题的解答。由于满足以上2个条件是一件非常困难的事情。因此, 这一方法的应用受到了限制。有限差分法是一种近似方法。是通过对钻柱进行力学分析得到钻柱微分方程式, 再通过适当的差分转换将位移控制方程转化为差分的形式求解。由于差分方程的系数是可变的,因此可以很容易考虑非线性的影响;同时,由于差分区间可以减小, 可以比较容易考虑井眼的约束。但是要得到精确的解。答, 差分区间必须取得很小, 这样就使矩阵的维数增加, 降低了计算速度。对于钻柱力学来说,有限差分法是一种有效的近似计算方法。纵横弯曲连续梁法是一种精确解法, 这种方法是将钻柱视为相互联系的纵横弯曲的连续梁, 应用材料力学中的三弯矩方程建立一组非线性代数方程, 该方程物理概念清楚, 计简单, 且速度较快。由于这种方法是将三维空间问题分解成2个独立的二维问题求解,力学型简化得太多,忽略了扭矩及可能的力和变形的耦合问题。这种方法在国内得到了推广和应用。有限元法也是一种近似数值计算方法,这种方法是通过将钻柱分解为有限的离散梁单元, 再通过适当的合成方法将这些单元组合成一个整体, 用以代表原来的钻柱状态,并最终得到组以节点位移为未知量的代数方程组。有限元法的物理概念清楚、简单, 实用性强。不限制柱的材料和几何形状, 且对单元尺寸也无严格的要求;又可以较容易地考虑非线性的影响。目前发展的接触有限元法, 考虑了钻柱、稳定器与井壁之间的初始接触摩擦力,力 学模型比较准确,考虑因素较多, 解题的速度虽然是这几种方法中最慢的,但也可满足需要。加权余量法是一个求解微分方程定解问题的强有力的数值方法, 具有简便、准确、工作量小、残差可知等优点,已成功地用于下部钻具组合的大小挠度力学分析中;当然,要进一步提高度就得增加试函数项数,也会增加一些运算量。油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩 意义拉力和扭矩模型, 尤其在地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测可达到如下目的:
钻井液对钻柱振动特性影响分析 钻井液对钻柱振动特性影响分析 随着油田勘探和开发深入，钻井液在石油勘探中扮演着至关重要的角色。钻井液在钻井过程中起到了冷却钻头、清洗井孔、控制孔壁稳定等重要作用。然而，钻井液的使用也带来了一些问题，如钻柱振动。 钻柱振动是指在钻探过程中，由于地层结构、钻井液性质等因素的影响，使得钻柱发生震动的现象。钻柱振动不仅会影响钻具寿命和钻井效率，而且会影响到钻井自动化程度的提高。 本文主要研究钻井液对钻柱振动特性的影响，通过实验和理论分析探讨这一问题。 实验部分： 在实验中，我们先是选取了两种不同类型的钻井液，分别为石油基钻井液和水基钻井液，用来观察它们对钻柱振动特性的影响。 实验设备主要是一台高速万能试验机，试验中首先需要将液体加入到试验机中，以模拟真实的钻井液环境。然后在极限负载下加以振动，记录振动过程中钻柱产生的振幅和频率。 实验结果表明，不同的钻井液对钻柱振动特性的影响存在明显差异。石油基钻井液的密度大、粘度高，对钻柱振动有良好的
阻尼作用，可以有效控制钻柱振动。而水基钻井液的阻尼效果相对较弱，会加剧钻柱振动现象的发生。 理论分析部分： 通过理论分析，我们进一步探究了钻井液对钻柱振动特性的影响。理论模型主要基于新著名力学模型，包括杠杆作用、冲击力和液力反馈效应等。 实验结果和理论分析表明，钻井液对钻柱振动有着重要的影响，具体表现为两方面。 第一，钻井液对钻柱的动态特性有着非常显著的影响。特别是其密度、粘度等物理特性，对钻柱的阻尼作用有着不可替代的作用。因此，为了防止钻柱振动，需要选择良好的钻井液，以确保其阻尼作用。 第二，钻井液对孔壁的影响也会导致钻柱振动。特别是在孔壁稳定性较差的情况下，钻井液的影响特别重要。因此，在挑选钻井液时，也需要考虑其孔壁稳定效果。 综上，在钻井液的选择和使用中，需要综合考虑钻柱振动特性和孔壁稳定性等因素，以确保钻井过程的高效可靠性。对于以上研究结果，我们认为钻井液与钻柱振动有密切联系的本质在于： 首先，钻井液在钻井过程中需要扮演多重角色，包括冷却钻头、清洗井孔、控制孔壁稳定等，这些角色均需要通过液体介质来
大位移井眼轨迹延伸能力与力学分析 摘要：大位移井的钻进同整个钻柱的受力有关,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。本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。 关键词：大位移井；钻柱力学；井眼轨道 前言 随着定向井、水平井钻井技术的发展，出现了大位移井，大位移井技术得到迅速发展始于20 世纪90 年代，目前大位移井的位移已经超过万米。大位移井的核心问题是位移延伸，大位移井延伸能力是钻井设计和钻井施工的关键参数之一，当前对于大位移井的延伸能力的研究相 对较少，研究一般只指出影响大位移井延伸能力的因素及趋势。钻柱的钻进首先依靠的是钻 头对岩石破碎，然后钻柱在保证不被破坏的情况下克服摩擦阻力向下移动，同时还要求钻柱 能够被安全起出。从中可看出摩擦阻力是影响大位移井延伸的一个主要因素，它直接影响钻 柱的钻进，而地层的可钻性、钻井参数以及钻井设备（如钻机、钻具等）也影响着大位移井 的延伸，因此研究大位移井钻柱力学对大位移井的延伸能力是十分必要的。 1 大位移井的定义及特点 大位移井（Extended Reach Well)目前有两种定义：一种是指测深大于或等于垂深2倍的定向 井或水平井，当大于3 倍时，则称为特大位移井，这是在第14 届世界石油大会上提出的；另一种是指水平位移大于或等于垂深2 倍的定向井或水平井，这种方法在垂直剖面图上看起来 比较直观。大位移井有以下优势：(1)用大位移井开发海上油气田,可大量节省费用；(2)靠近海岸的近海油田,可钻大位移井进行勘探开发；(3) 利用大位移井开发断块油藏,可以实现单井穿 越多个地质目标,减少钻井数量,节约成本。(4)不同类型油气田钻大位移井可提高经济效益；(5)使用大位移井可以代替复杂的海底井口开发油田,既可节省海底设备,又可节省大量投资；(6) 利用大位移井可以在环保要求高的地区钻井，以满足环保要求。 近十几年内，国外先后研制开发了大位移井设计优化软件、摩阻/扭矩预测监测软件、固井 计算软件及旋转导向马达、MWD、LWD、PWD、可控变径稳定器、漂浮下套管工具、非旋转 钻杆保护器、减扭接头水力加压器等工具，这些工具、软件与先进的钻井设备相配合，使大 位移井钻井技术有了突飞猛进的发展，持续不断地创出新的世界纪录。在钻井工程中，大位 移井技术是钻井技术水平的综合体现，体现了当代钻井技术水平。它涉及钻井、完井、测井、录井等专业领域。在钻井技术中，在井眼轨迹设计、摩阻扭预测与分析、钻井液技术和部分 减摩技术方面都与钻柱力学有关，因此研究大位移井钻柱力学对大位移井钻井技术是很重要的。 2 大位移井极限延伸能力的影响因素分析 2.1 门限钻压对大位移井极限延伸能力的影响 门限钻压是钻井施工中钻头必须克服的阻力，门限钻压越大，钻头需要克服的阻力就越大。 因此门限钻压是影响大位移井极限延伸能力的一个主要因素。由于地层的复杂性，地下岩石 组成是不同的，门限钻压也有所区别。不同的摩擦系数和不同的井眼曲率条件下延伸能力下 降规律基本相同，但可能钻深有所不同。随着门限钻压的增大，极限延伸能力基本呈下降趋势。这说明门限钻压越大，大位移井的延伸能力越差，而门限钻压越小，大位移井的延伸能 力越大。 图1 门限钻压对大位移井延伸能力的影响 2.2 转盘转速对大位移井极限延伸能力的影响