钻柱动力学仿真方法及模型研究进展.pdf

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1、2014正天然气技术与经济VO1．8．No．1第8卷·第1期NaturalGasTechnologyandEconomyFeb．2014doi：10．3969／j．issn．2095—1132．2014．01．011钻柱动力学仿真方法及模型研究进展王希勇胡大梁况雨春蒋祖军(1．中国石油化工股份有限公司西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳618000；2．西南石油大学机电工程学院，四川成都610500)摘要钻柱长期工作在充满钻井液的狭长井眼里，受力情况非常复杂。钻柱动力学研究对实际的钻井作业有重要指导意义。国外钻井服务公司在深入研究钻柱动

2、力学理论的基础上开发出了各自的钻柱动力学仿真软件。介绍了美国BakersHughes、SmithTool以及法国Drillscan公司开发的钻柱动力学软件及其理论模型，着重介绍了它们的建模方法及数值求解技术，最后指出了国内开发钻柱动力学仿真软件的重要性，提出在利用成熟商业有限元软件的基础上，通过二次开发实现钻柱动力学仿真的方法。关键词钻柱动力学数值模拟软件仿真模型有限元方法文献标志码：B文章编号：2095一l132(2014)01—0037—05美国Smith公司的I—DRILL软件、法国Drillscan公司O引言的wellscan软件

3、等，由于这类软件采用了有限元方钻柱系统动力学是优化钻具组合、优选钻井参法或其他数值算法，结合井下测试技术，这些有限数以及提高钻柱安全性等钻井工程问题的理论基元软件在工程中已经有一些成熟的应用；另外，部础。动力学的研究分析结果被广泛地运用在优化控分公司开发的钻井服务软件中也有一些钻柱力学分制井眼轨迹、校核钻柱的强度、优化设计钻柱、诊析模块，可用于计算摩阻、拖曳力等参数，主要采断和处理井下问题和优选钻井参数等方面。随着欠用了经验公式、解析模型等，计算结果与实际情况平衡、侧钻、水平井、大位移井、深井和超深井、有较大差异，也不能模拟钻柱的动态工作

4、行为。由小井眼、多分支井、套管等复杂钻井施工工艺的日于静力分析及频域模型固有的限制(小的振动振幅，益发展，钻柱系统动力学的研究对于指导生产实际忽略钻柱部分与地层的影响，摩擦力等)，笔者主要具有重要的意义。对前3家公司的动力学仿真软件及其时域理论模型进钻柱系统动力学是将钻柱、井眼、钻头、井底行分析，同时对国内的钻柱动力学研究提出一种基岩石、钻井液等多种因素的相互影响作为一个系统于商业有限元软件的钻柱动力学分析方法及其软件来进行研究，尽可能地使模拟结果接近工程实际。实现方式。影响钻柱动态行为的因素较多，包括岩性、钻头类1BHASYS软件及其理

5、论模型型、钻具组合、阻尼等。目前国内外许多研究人员或专业公司都对钻柱动力学进行了深入的研究并取BHASYS主要是由BAKERHUGHESINTEQ和得了许多成果。特别是一些国外公司研制出实用的HUGHESCHRISTENSEN公司联合开发出来的。该钻柱动力学特性仿真软件系统，并用开发的系统对软件包含有测量装置、分析工具和培训功能，由钻柱结构及钻进参数等进行优化，力争使钻柱在最BHASYS、BHASYSPRO和BHASYSTD3个核心的优工作环境下工作。产品组成。BHASYS用于在简单的倾斜井眼中的临界目前国外比较有影响的钻柱动力学的仿真软

6、件速度分析，主要被现场的操作人员使用，BHASYS包括美国BakersHughes公司开发的BHASYS软件、PRO用于三维井眼井下钻具组合的静力学和动力学收稿日期：20l3—07—25修订日期：2013—11—25琏项¨：家科技重大々项课题“低渗气藏复杂地层高效钻井关键技术”(课题编号：2011ZX05022—005)资且JJ成果。作者简介：E希(1974一)，高级T程师，从书钻升技术研究和科研管理工作。E-mail：wxyong131@163．COrn。天然气技术与经济／37第8卷王希勇，等：钻柱动力学仿真方法及模拟研究进展第1期分析

7、，由工程服务人员使用，这两个软件模块主要2I—Drill4D软件用于钻井工程设计，BHASYSTD采用时域模型，主要是由研究人员用于分析井下钻具组合，随钻测量美国Smith公司基于有限元方法开发了I—DRILL工具设计和现场工具失效分析。BHASYS动力学服务4D软件用于钻柱系统动力学的研究。该软件可以用项目由3个主要部分组成：①使用动力学模型是为于决定直井、定向井方向控制、工具可靠性、钻柱了获得一种优化的BHA设计，使它不易受振动的影完整性、钻井性能等因素。模拟扭转、侧向、纵向响；②使用井底和表面测量装置探测有害的钻柱振振动用于钻井工程

8、师进行钻井参数调整及钻具组合动；③训练教程增加了井队人员对关于振动问题的优化。除了性能参数之外，该系统还能提供BHA的注意事项，可以及时采取补救措施。绘图、钻头中心轨迹、钻压、侧向力和侧向加速