钻井系统动力学仿真研究及应用

序

前言

第一章绪论

§1.1钻井系统概述

§1.2钻井系统动力学概述

参考文献

第二章钻柱几何非线性动力学研究

§2.1直井段钻柱几何非线性动力学分析

2.1.1基本假设

2.1.2钻柱系统动力学的直线梁格式

2.1.3直线梁位移函数

2.1.4直线梁钻柱单元刚度矩阵

2.1.5直线梁钻柱单元质量矩阵

2.1.6直线梁钻柱单元阻尼矩阵

2.1.7直线梁钻柱单元组集整体矩阵

2.1.8直线梁钻柱的三维坐标转换

§2.2曲井段钻柱几何非线性动力学分析

2.2.1曲线梁位移函数

2.2.2钻柱系统动力学的曲线梁格式

2.2.3曲线梁钻柱单元刚度矩阵

2.2.4曲线梁钻柱单元质量矩阵和阻尼矩阵

参考文献

第三章钻柱参考构形及初始问题研究

§3.1基于数学描述的钻柱参考构形分析

3.1.1钻柱参考构形问题描述

3.1.2钻柱参考构形轴线位置坐标插值函数

3.1.3钻柱参考构形轴线位置坐标的导函数

3.1.4钻柱参考构形轴线的曲率和挠率

§3.2基于数学描述的钻柱初始问题分析

3.2.1初位移的计算

3.2.2单元畸变的计算

3.2.3单元内初始内力的等效节点力

参考文献

第四章井眼内钻柱与井壁接触非线性动力学研究

§4.1钻柱接触碰撞非线性动力学分析

4.1.1接触碰撞非线性问题

4.1.2钻柱与井壁接触碰撞定解条件

4.1.3接触非线性动力学有限元格式

§4.2基于元胞自动机的钻柱非线性动力学研究

4.2.1元胞自动机基本理论

4.2.2基于元胞自动机的钻柱非线性动力学求解方法

4.2.3元胞自动机计算实例

参考文献

第五章基于钻柱动力学气体钻井防斜技术研究

§5.1气体钻井井斜机理分析

§5.2气体钻井防斜技术

§5.3气体钻井下部钻具组合有限元分析

5.3.1气体钻井中钻柱动力学的有限元分析

5.3.2气体钻井中下部钻具组合动力学分析

§5.4气体钻井钻柱动力学特性仿真结果分析

参考文献

第六章小井眼侧钻水平井钻柱动力学分析

§6.1钻柱摩阻模型建立

6.1.1基本假设与坐标系的建立

6.1.2建立模型

6.1.3旋转钻进状态时的摩阻模型

6.1.4复合运动摩阻系数的确定

6.1.5黏滞力数学模型

§6.2小井眼侧钻水平井钻柱动力学分析

6.2.1钻柱系统动力学模型的建立

6.2.2钻柱的外载荷

6.2.3结构动力学非线性方程

6.2.4钻柱与井壁接触的动力学模型

§6.3动力学模型的边界条件

6.3.1上端边界条件

6.3.2下端边界条件

§6.4小井眼侧钻水平井动力学评价系统软件

6.4.1评价系统软件设计

6.4.2各个模块功能说明

6.4.3软件运行环境

§6.5小井眼侧钻水平井钻柱仿真分析

6.5.1小井眼侧钻水平井钻柱静力学仿真分析

6.5.2小井眼侧钻水平井钻柱动力学仿真分析

参考文献

第七章基于多自由度牙轮钻头动力学的井眼轨迹研究

§7.1岩石物理力学性能试验研究

7.1.1嘉陵江灰岩的物性描述

7.1.2岩石抗拉强度测定

7.1.3岩石单轴抗压强度试验

7.1.4岩石三轴强度试验

7.1.5岩石的硬度和塑性系数测定

7.1.6岩石的可钻性测定

7.1.7嘉一灰岩力学性能分析

§7.2钻头破岩机理研究

7.2.1分析破岩应力的理论基础

7.2.2岩石在不同硬质合金镶齿压入时的应力分布

7.2.3岩石在不同齿形压入时破碎的基本特点

§7.3牙轮钻头几何模型

7.3.1坐标系的建立

7.3.2牙轮上任一点的几何学基本方程

7.3.3牙轮结构仿真模型

§7.4九自由度牙轮钻头动力学模型

7.4.1三牙轮钻头动力学模型

7.4.2接触齿受力模型

§7.5井眼轨迹仿真模型

7.5.1井底和井壁几何模型描述

7.5.2钻头动坐标变换

7.5.3钻头位移模型

§7.6基于牙轮钻头动力学的井眼轨迹模拟

7.6.1计算方法

7.6.2仿真试验与结果分析

参考文献

第八章基于小波分析的井眼轨迹预测模型

§8.1基于小波分析的预测方法研究

8.1.1小波分析概述

8.1.2小波分析的基本理论

8.1.3小波分析在井眼轨迹预测研究中的应用

§8.2基于小波分析的井眼轨迹预测模型的建立和求解

8.2.1井眼轨迹的小波包分解

8.2.2井眼轨迹组合预测模型

§8.3仿真试验和结果分析

参考文献

第九章钻井系统动力学及井眼轨迹模拟研究

§9.1仿真策略

§9.2程序结构和算法设计

§9.3仿真试验结果分析

9.3.1边界条件及参数计算

9.3.2仿真实例

参考文献

附录1曲线梁形函数中非零元素表达式

附录2常用小波函数的主要性质

附录3仿真数据

　　本书综合利用了牙轮钻头破岩机理、岩石破碎力学、定向钻井技术、振动理论、弹性接触理论、有限元分析方法、元胞自动机理论、小波分析理论、计算机仿真技术等多学科交叉技术，通过理论研究、计算机仿真、单元实验、现场测试与现场数据统计分析相结合的科研方法，在构建钻井系统动力学行为理论体系方面进行了有益的探索和尝试。本书注重理论与实践相结合，在系统介绍钻井系统动力学理论的同时，给出大量的工程实例和实验分析，如开展了气体钻井优化设计理论和控制技术、小井眼侧钻水平井钻柱动力学分析等。这些内容将有助于读者对本书所介绍理论的理解与应用。　　本书构建了包括钻井系统动力学建模、钻头及钻柱动静态特性分析、钻柱与井壁接触问题、井眼轨迹预测与控制问题等内容的钻井系统动力学行为理论体系；分别建立了基于钻柱、BHA、钻头、井底岩石、井壁等相互作用下的钻井系统动力学模型、钻头在钻井过程中的位移模型和井眼轨迹预测模型等，并根据所建多重数学模型，开展了确定性与随机性、连续变量与离散变量耦合作用的大型非线性系统的数值求解方法研究；结合工程的应用阐述了与钻井系统密切相关的优化设计理论和防斜控制技术，以及自行研发的仿真分析软件。　　本书可作为石油高等院校研究生教材，也可作为石油工程、机械设计、应用力学和计算机科学等专业领域的工程技术人员的参考资料。