深井、超深井鉆柱的非線性動力學特性分析

1）針對鉆柱的變截面、變剛度旋轉(zhuǎn)長軸和雙重非線性特征，考慮鉆柱與井壁的非線性碰摩特性，本研究基于哈密頓原理建立了深井、超深井鉆柱動力學模型，并重點分析了非線性項對鉆柱動態(tài)特性的影響。2）提出了運用直梁和空間曲梁單元混合求解動力學模型的新型有限元節(jié)點迭代方法，避免了大型矩陣的處理，使得利用普通計算機求解分析大型結構和非線性力學問題成為可能，從而實現(xiàn)了超深井鉆柱的動力學特性求解，得到了超深井鉆柱不同位置的渦動軌跡、渦動速度、渦動加速度。3）針對節(jié)點迭代法計算費時難題，考慮鉆柱與井壁碰摩的具體特征，提出采用彈塑性邊界的接觸問題處理方法，對迭代過程進行了優(yōu)化，使計算時間得到了大幅度縮短（7000m鉆柱動力學特性的模擬由原來的14小時縮短到3小時）。4）提出了一種考慮鉆柱動態(tài)應力和碰撞應力的深井、超深井鉆柱動態(tài)安全因子計算方法，并提出了一套基于鉆柱動力學動態(tài)安全性的實用評價技術。結合塔里木油田生產(chǎn)實際，分析了塔里木油田3套井身結構鉆柱的動力學特性，初步明確了不同井身結構條件下鉆柱動力學特性的具體特征，相關研究成果已在塔里木油田的鉆井設計中加以應用。同時，研究了鉆柱結構參數(shù)和施工參數(shù)對鉆柱動力學特性的影響，形成了以鉆柱動態(tài)安全性為依據(jù)的參數(shù)優(yōu)化方法。5）結合超深井鉆柱在復雜載荷作用下的空間構形特征，探討了這種雙重非線性問題的固有頻率計算方法，分析了載荷激勵下鉆柱的模態(tài)響應。6）結合氣體鉆井特征，分析了氣體鉆井過程中的鉆柱動力學特性，并與泥漿鉆井進行了對比，研究了鉆井液性能對鉆柱動力學特性的耦合效應。結果表明，氣體鉆井的渦動頻率和渦動速度明顯高于泥漿鉆井，氣體鉆井時鉆柱與井壁的碰撞更為頻繁且沖擊應力遠大于泥漿鉆井。7）利用井下實測工具，測量了塔里木油田超深井鉆柱的井下振動特性，獲得了井下鉆柱的渦動、粘滑、軸向振動等有用信息。利用FFT和STFT信號處理分析，得出了振動的主要頻率。8）利用彈塑性模型對復雜載荷作用下鉆具接頭絲扣的三維力學特性進行了研究，得到了鉆具接頭絲扣的受力特征，研發(fā)了鉆柱接頭的極限工作扭矩圖板；9）為了使鉆柱動態(tài)安全性評估和動力學特性仿真平臺更能具有實際應用價值，研發(fā)了一套鉆柱動態(tài)安全性仿真平臺，并在塔里木油田得到較好的應用。 2100433B

進入21世紀后，深井、超深井技術發(fā)展迅速，與之相關的鉆柱失效問題也備受關注。本研究針對深井、超深井鉆柱工作環(huán)境的特殊性，基于哈密頓原理建立鉆柱動力學分析模型，并根據(jù)實際井眼的復雜空間三維形態(tài)和鉆柱超長細比特性所帶來的鉆柱雙重非線性特征，有機結合直梁單元和曲梁單元，利用有限元節(jié)點迭代法求解具有復雜邊界條件的鉆柱動力學模型，研究考慮鉆柱變形、接觸位置和碰摩特征的新型接觸非線性算法，使其充分反映鉆柱與井壁之間的動態(tài)碰摩接觸關系。探討以底部鉆具組合動力學響應為激勵的全井鉆柱動力學特性分析方法。詳細描述深井、超深井鉆柱的動態(tài)特征，分析結構參數(shù)、施工參數(shù)對鉆柱動態(tài)應力的影響規(guī)律。研究鉆柱動態(tài)安全因子表示方法，探討深井、超深井鉆柱動態(tài)安全性。研究以動態(tài)安全性為目標函數(shù)的鉆柱結構參數(shù)和施工參數(shù)優(yōu)化方法，為降低深井、超深井動態(tài)應力、提高鉆柱安全性提供有效工具。形成深井、超深井鉆柱動力學特性仿真分析平臺。

《天然氣深井超深井鉆井技術》系統(tǒng)闡述了國內(nèi)復雜地層深井超深井鉆井工程面臨“噴、漏、卡、塌、毒、硬、斜、磨”等技術問題的解決方案，對解決我國復雜地層深井超深井鉆井井下復雜問題有很好的參考價值。全書最后由蔣祖軍、郭新江、王希勇統(tǒng)稿定稿。

第一章 深井超深井鉆井技術發(fā)展現(xiàn)狀

第一節(jié) 國外深井超深井鉆井技術現(xiàn)狀

一、國外深井超深井鉆井概況

二、國外深井超深井鉆井技術

第二節(jié) 國內(nèi)深井超深井鉆井技術現(xiàn)狀

一、國內(nèi)深井超深井鉆井概況

二、國內(nèi)深井超深井主要鉆井技術

第三節(jié) 天然氣深井超深井鉆井技術發(fā)展方向

一、國外深井超深井鉆井技術發(fā)展趨勢

二、國內(nèi)天然氣深井超深井鉆井技術發(fā)展方向

第四節(jié) 天然氣深井超深井鉆井技術難點及對策

一、天然氣井特點

二、天然氣深井超深井鉆井主要技術難點

三、天然氣井深井超深井鉆井技術對策

參考文獻

第二章 天然氣深井超深井井身結構設計

第一節(jié) 地層壓力理論及預測方法

一、基本概念

二、地層孔隙壓力預測方法

三、地層破裂壓力預測方法

四、井眼坍塌應力預測方法

第二節(jié) 井身結構設計理論

一、井身結構設計原理

二、井身結構設計的基礎參數(shù)

第三節(jié) 井身結構設計方法

一、井身結構設計方法及步驟

二、套管尺寸與井眼尺寸選擇和配合

第四節(jié) 套管選型及強度校核

一、套管選型

二、強度校核

三、等安全系數(shù)法套管強度設計

第五節(jié) 應用實例

參考文獻

第三章 鉆頭選型技術

第一節(jié) 地層巖石力學參數(shù)

一、巖石力學參數(shù)求取方法

二、利用測井資料計算巖石力學參數(shù)

第二節(jié) 鉆頭選型方法

一、鉆頭選型考慮的因素

二、鉆頭選型方法

第三節(jié) 鉆頭選型

一、鉆頭分類

二、巖石分類

三、地層硬度分級

四、鉆頭選型實例

參考文獻

第四章 復合鉆井技術

第一節(jié) 井下動力鉆具工作原理

一、螺桿鉆具工作原理

二、渦輪鉆具工作原理

第二節(jié) 井下動力鉆具的選擇

一、螺桿鉆具的選擇

二、渦輪鉆具的選擇

第三節(jié) 復合鉆井配套技術

一、螺桿鉆具配套技術

二、渦輪鉆具配套技術

參考文獻

第五章 液體欠平衡鉆井技術

第一節(jié) 液體欠平衡鉆井井筒多相流技術

一、氣液兩相流的流型判別

二、欠平衡鉆井環(huán)空流動模型的建立

三、多相流井底壓力計算基本模型

第二節(jié) 合理欠壓值設計

一、欠平衡鉆井井內(nèi)基本壓力關系

二、井底欠壓值的確定依據(jù)

三、井底欠壓值的設計流程

四、地層壓力的計算

五、鉆井液密度窗口的確定

第三節(jié) 液體欠平衡鉆井工藝技術

一、主要設備及工藝流程

二、井底欠壓的控制

參考文獻

第六章 深井超深井氣體鉆井技術

第一節(jié) 氣體鉆井技術概述

第二節(jié) 注人參數(shù)優(yōu)化設計

一、最小動能法原理

二、最小注氣量計算方程

三、計算結果校正

四、氣體鉆井欠壓值合理設計分析

第三節(jié) 氣體鉆井工藝技術

一、氣體鉆井主體設備

二、氣體鉆井輔助設備

三、氣體鉆井工藝技術及應用

第四節(jié) 井下著火及燃爆監(jiān)測

一、井下燃燒方式概述

二、燃爆機理與井下滅火

三、井下燃燒的計算機模擬

四、實驗研究

五、井下燃爆監(jiān)測系統(tǒng)

第五節(jié) 地層出水監(jiān)測技術

一、出水監(jiān)測原理

二、出水監(jiān)測儀器研制

三、出水監(jiān)測儀器的現(xiàn)場應用

第六節(jié) 氣液轉(zhuǎn)換技術

一、氣體鉆進結束后井壁失穩(wěn)復雜情況實例

二、井壁失穩(wěn)原因分析

三、氣液轉(zhuǎn)換技術

參考文獻

第七章 深井超深井防斜鉆井技術

第一節(jié) 深井防斜鉆井技術

一、井斜機理分析

二、防斜鉆井技術

第二節(jié) 單彎螺桿鉆具防斜技術

一、防斜單彎螺桿鉆具力學特性分析

二、應用實例

第三節(jié) 鐘擺鉆具組合防斜技術

一、常規(guī)鐘擺鉆具組合力學特性分析

二、預彎鐘擺鉆具結構設計與力學性能分析

三、應用實例

第四節(jié) 偏軸組合防斜打快技術

一、偏軸組合防斜原理

二、應用實例

第五節(jié) 垂直鉆井防斜技術

一、垂直鉆井技術進展及井斜控制機理

二、國內(nèi)外自動垂直鉆井系統(tǒng)

三、應用實例

參考文獻

第八章 天然氣深井超深井井控技術

第一節(jié) 天然氣井壓力變化特點

一、天然氣的特性

二、天然氣侵入井內(nèi)的方式及影響

三、環(huán)空氣體運移特征

第二節(jié) 溢流控制原理

一、U形管原理

二、井底常壓原理

三、關井允許的最大套管壓力

四、關井立管壓力

五、壓井液密度的確定

第三節(jié) 天然氣井井控裝備

一、防噴器組合

二、節(jié)流、壓井管匯

三、其他裝置

第四節(jié) 天然氣井壓井方法及應用

一、常規(guī)壓井方法及應用

二、非常規(guī)壓井方法及應用

參考文獻

第九章 深井超深井鉆井液技術

第一節(jié) 鉆井液體系控制因素及作用機理

一、高密度鉆井液體系

二、抗高溫鉆井液體系

第二節(jié) 深井超深井鉆井液體系

一、復合金屬離子聚磺鉆井液

二、硅醇聚磺鉆井液

三、甲酸鹽鉆井液

四、油基鉆井液

五、仿油基鉆井液

第三節(jié) 井下復雜情況預防及處理

一、井壁穩(wěn)定鉆井液技術

二、防漏堵漏鉆井液技術

參考文獻

第十章 深井超深井儲層保護技術

第一節(jié) 天然氣儲層損害的評價方法

一、室內(nèi)評價方法

二、礦場評價方法

三、氣藏損害評價方法和裝置

第二節(jié) 天然氣儲層傷害因素

一、氣層潛在損害因素

二、氣層外部損害因素

第三節(jié) 天然氣儲層保護的鉆井完井液技術

一、儲層保護對鉆井液的基本要求及鉆完井液類型

二、屏蔽暫堵儲層保護技術

三、高酸溶防漏堵漏技術

參考文獻

第十一章 深井超深井油層套管防磨技術

第一節(jié) 套管磨損機理分析

一、影響套管磨損的主要因素分析

二、套管磨損機理分析

三、套管磨損預測

第二節(jié) 套管防磨減磨技術

一、主動防磨技術

二、被動防磨技術

第三節(jié) 套管磨損評價技術

一、鐵屑監(jiān)測評價技術

二、測井評價技術

參考文獻2100433B

內(nèi)容簡介

深層油氣資源的勘探開發(fā)是實現(xiàn)我國油氣資源戰(zhàn)略的主要途徑。本書圍繞復雜地質(zhì)條件下深井超深井鉆井的關鍵技術，匯集了這一領域的最新研究與應用成果，主要內(nèi)容包括：鉆井地質(zhì)環(huán)境描述技術、深井超深井優(yōu)化設計技術、鹽膏層鉆井技術、深井水平井鉆井技術、欠平衡鉆井技術、旋轉(zhuǎn)沖擊鉆井技術、深井優(yōu)快鉆井技術、井壁穩(wěn)定技術、油氣層保護技術、鉆井完井一體化工作液技術、高壓油氣井防氣竄固井技術、高強低密度固井技術、脈沖振動固井工藝技術以及系列固井工具的開發(fā)及應用。理論聯(lián)系實際，新穎實用，是國內(nèi)深井超深井鉆井技術的研究現(xiàn)狀和水平的一個縮影。

本書可供從事石油鉆井的研究人員和現(xiàn)場工程技術人員閱讀，也可供高等院校相關專業(yè)的青年教師、研究生和高年級學生參考。