鉆井系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究及應(yīng)用

前言

鉆井系統(tǒng)動力學(xué)是鉆井工程應(yīng)用基礎(chǔ)理論的重要組成部分，也是確保油氣鉆井成功的技術(shù)關(guān)鍵。自20世紀50年代，Lubinski首次對鉆柱靜力學(xué)進行了較為系統(tǒng)的研究以來，鉆柱動力學(xué)研究一直是國內(nèi)外鉆井界專家研究的重要課題之一。隨著我國油氣資源的勘探開發(fā)逐漸由淺部向深部發(fā)展，包括氣體鉆井等特殊工藝井鉆井工作量不斷增大，如何準確地了解鉆井系統(tǒng)動力學(xué)特性及科學(xué)的井眼軌跡預(yù)測方法，是確保特殊工藝井和深井超深井鉆井成功、提高鉆井質(zhì)量及鉆井效率、降低鉆井成本的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)問題，也是目前油氣資源勘探開發(fā)中急需解決的重要課題之一。為了能夠?qū)崿F(xiàn)對鉆井系統(tǒng)的動力學(xué)性能及井眼軌跡的合理設(shè)計與有效控制，人們始終堅持開展鉆井系統(tǒng)動力學(xué)特性規(guī)律的探索和研究，其中，利用非線性科學(xué)理論方法研究鉆井系統(tǒng)動力學(xué)問題是近年來石油工程界熱衷的研究課題。本書第一作者劉清友教授早在20世紀80年代就開始致力于研究鉆井系統(tǒng)動力學(xué)行為，并取得了可喜的進展。他的研究范圍主要涉及鉆井系統(tǒng)動力學(xué)建模、基于鉆頭與巖石相互作用下鉆柱靜動態(tài)特性仿真分析、鉆柱與井壁接觸問題、井眼軌跡預(yù)測與控制問題等內(nèi)容。他承擔(dān)了多項國家自然科學(xué)基金項目、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目、國家科技支撐計劃項目、國家技術(shù)創(chuàng)新工程項目、教育部博士學(xué)科點專項基金項目、國際合作項目、石油科技中青年創(chuàng)新基金項目、四川省杰出青年學(xué)科帶頭人培養(yǎng)基金項目，等等。這些工作對于促進鉆井系統(tǒng)動力學(xué)行為研究做出了有益的貢獻。本書綜合利用了牙輪鉆頭破巖機理、巖石破碎力學(xué)、定向鉆井技術(shù)、振動理論、彈性接觸理論、有限元分析方法、元胞自動機理論、小波分析理論、計算機仿真技術(shù)等多學(xué)科交叉技術(shù)，通過理論研究、計算機仿真、單元實驗、現(xiàn)場測試與現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析相結(jié)合的科研方法，在構(gòu)建鉆井系統(tǒng)動力學(xué)行為理論體系方面進行了有益的探索和嘗試。本書注重理論與實踐相結(jié)合，在系統(tǒng)介紹鉆井系統(tǒng)動力學(xué)理論的同時，給出大量的工程實例和實驗分析，如開展了氣體鉆井優(yōu)化設(shè)計理論和控制技術(shù)、小井眼側(cè)鉆水平井鉆柱動力學(xué)分析等。

內(nèi)容概要

　　構(gòu)建了包括鉆井系統(tǒng)動力學(xué)建模、鉆頭及鉆柱動靜態(tài)特性分析、鉆柱與井壁接觸問題、井眼軌跡預(yù)測與控制問題等內(nèi)容的鉆井系統(tǒng)動力學(xué)行為理論體系；分別建立了基于鉆柱、BHA、鉆頭、井底巖石、井壁等相互作用下的鉆井系統(tǒng)動力學(xué)模型、鉆頭在鉆井過程中的位移模型和井眼軌跡預(yù)測模型等，并根據(jù)所建多重數(shù)學(xué)模型，開展了確定性與隨機性、連續(xù)變量與離散變量耦合作用的大型非線性系統(tǒng)的數(shù)值求解方法研究；結(jié)合工程的應(yīng)用闡述了與鉆井系統(tǒng)密切相關(guān)的優(yōu)化設(shè)計理論和防斜控制技術(shù)，以及自行研發(fā)的仿真分析軟件?！　　躲@井系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究及應(yīng)用》可作為石油高等院校研究生教材，也可作為石油工程、機械設(shè)計、應(yīng)用力學(xué)和計算機科學(xué)等專業(yè)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員的參考資料。

作者簡介

劉清友，男，l965年10月出生于重慶開縣。1986年畢業(yè)于西南石油大學(xué)礦機專業(yè)，隨后留校任教。1991年獲得重慶大學(xué)機械工程碩士學(xué)位，1997年獲得西南石油大學(xué)博士學(xué)位，1999年完成了在重慶大學(xué)機械傳動國家重點實驗室的博士后研究工作?，F(xiàn)擔(dān)任西南石油大學(xué)研究生部主任，為西南石油大學(xué)油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室固定研究人員、學(xué)術(shù)骨干，教授．博士生導(dǎo)師。先后主持了國家863、國家支持計劃、國家自然科學(xué)基金、教育部、三大石油公司和四川省等各類基金項目26項．其他各類研究項目30余項；已獲得省部級科技進步一等獎2項、二等獎2項，三等獎3項：獲得國家專利22項；開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專用仿真軟件6套：發(fā)表論文l40余篇，其中被三大檢索機構(gòu)收錄53篇：參加國際學(xué)術(shù)會議8次，大會特邀報告3次：撰寫專著3部，先后獲得“新世紀百千萬人才工程”國家級人選、“國務(wù)院政府津貼專家”、“四川省學(xué)術(shù)和技術(shù)帶頭人”、”四川省科技創(chuàng)新優(yōu)秀人才獎”、“四川省有突出貢獻的優(yōu)秀專家”、“孫越崎科技教育基金第十一屆能源科學(xué)技術(shù)獎青年科技獎”、四川省第六屆“高校十佳青年教師”、“四川省青年科技獎”等榮譽稱號。孟慶華，女，1975年11月出生于黑龍江省，博士。2004年獲得哈爾濱師范大學(xué)理學(xué)專業(yè)碩士學(xué)位，2007年獲得東北林業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院工學(xué)博士學(xué)位。目前正在西南石油大學(xué)石油與天然氣工程科研流動站從事博士后研究工作．主要從事系統(tǒng)動態(tài)性能分析與數(shù)值模擬方面科研工作。參與科研課題7項．其中國家級科研課題3項，省部級科研課題4項。

書籍目錄

序前言第一章 緒論§1.1 鉆井系統(tǒng)概述§1.2 鉆井系統(tǒng)動力學(xué)概述參考文獻第二章 鉆柱幾何非線性動力學(xué)研究§2.1 直井段鉆柱幾何非線性動力學(xué)分析2.1.1 基本假設(shè)2.1.2 鉆柱系統(tǒng)動力學(xué)的直線梁格式2.1.3 直線梁位移函數(shù)2.1.4 直線梁鉆柱單元剛度矩陣2.1.5 直線梁鉆柱單元質(zhì)量矩陣2.1.6 直線梁鉆柱單元阻尼矩陣2.1.7 直線梁鉆柱單元組集整體矩陣2.1.8 直線梁鉆柱的三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換§2.2 曲井段鉆柱幾何非線性動力學(xué)分析2.2.1 曲線梁位移函數(shù)2.2.2 鉆柱系統(tǒng)動力學(xué)的曲線梁格式2.2.3 曲線梁鉆柱單元剛度矩陣2.2.4 曲線梁鉆柱單元質(zhì)量矩陣和阻尼矩陣參考文獻第三章 鉆柱參考構(gòu)形及初始問題研究§3.1 基于數(shù)學(xué)描述的鉆柱參考構(gòu)形分析3.1.1 鉆柱參考構(gòu)形問題描述3.1.2 鉆柱參考構(gòu)形軸線位置坐標(biāo)插值函數(shù)3.1.3 鉆柱參考構(gòu)形軸線位置坐標(biāo)的導(dǎo)函數(shù)3.1.4 鉆柱參考構(gòu)形軸線的曲率和撓率§3.2 基于數(shù)學(xué)描述的鉆柱初始問題分析3.2.1 初位移的計算3.2.2 單兀畸變的計算3.2.3 單元內(nèi)初始內(nèi)力的等效節(jié)點力參考文獻第四章 井眼內(nèi)鉆柱與井壁接觸非線性動力學(xué)研究§4.1 鉆柱接觸碰撞非線性動力學(xué)分析4.1.1 接觸碰撞非線性問題4.1.2 鉆柱與井壁接觸碰撞定解條件4.1.3 接觸非線性動力學(xué)有限元格式§4.2 基于元胞自動機的鉆柱非線性動力學(xué)研究4.2.1 元胞自動機基本理論4.2.2 基于元胞自動機的鉆柱非線性動力學(xué)求解方法4.2.3 元胞自動機計算實例參考文獻第五章 基于鉆柱動力學(xué)氣體鉆井防斜技術(shù)研究§5.1 氣體鉆井井斜機理分析§5.2 氣體鉆井防斜技術(shù)§5.3 氣體鉆井下部鉆具組合有限元分析5.3.1 氣體鉆井中鉆柱動力學(xué)的有限元分析5.3.2 氣體鉆井中下部鉆具組合動力學(xué)分析§5.4 氣體鉆井鉆柱動力學(xué)特性仿真結(jié)果分析參考文獻第六章 小井眼側(cè)鉆水平井鉆柱動力學(xué)分析§6.1 鉆柱摩阻模型建立6.1.1 基本假設(shè)與坐標(biāo)系的建立6.1.2 建立模型6.1.3 旋轉(zhuǎn)鉆進狀態(tài)時的摩阻模型6.1.4 復(fù)合運動摩阻系數(shù)的確定6.1.5 黏滯力數(shù)學(xué)模型§6.2 小井眼側(cè)鉆水平井鉆柱動力學(xué)分析6.2.1 鉆柱系統(tǒng)動力學(xué)模型的建立6.2.2 鉆柱的外載荷6.2.3 結(jié)構(gòu)動力學(xué)非線性方程6.2.4 鉆柱與井壁接觸的動力學(xué)模型§6.3 動力學(xué)模型的邊界條件6.3.l 上端邊界條件6.3.2 下端邊界條件§6.4 小井眼側(cè)鉆水平井動力學(xué)評價系統(tǒng)軟件6.4.1 評價系統(tǒng)軟件設(shè)計6.4.2 各個模塊功能說明6.4.3 軟件運行環(huán)境§6.5 小井眼側(cè)鉆水平井鉆柱仿真分析6.5.l 小井眼側(cè)鉆水平井鉆柱靜力學(xué)仿真分析6.5.2 小井眼側(cè)鉆水平井鉆柱動力學(xué)仿真分析參考文獻第七章 基于多自由度牙輪鉆頭動力學(xué)的井眼軌跡研究§7.1 巖石物理力學(xué)性能試驗研究7.1.1 嘉陵江灰?guī)r的物性描述7.1.2 巖石抗拉強度測定7.1.3 巖石單軸抗壓強度試驗7.1.4 巖石三軸強度試驗7.1.5 巖石的硬度和塑性系數(shù)測定7.1.6 巖石的可鉆性測定7.1.7 嘉一灰?guī)r力學(xué)性能分析§7.2 鉆頭破巖機理研究7.2.1 分析破巖應(yīng)力的理論基礎(chǔ)7.2.2 巖石在不同硬質(zhì)合金鑲齒壓人時的應(yīng)力分布7.2.3 巖石在不同齒形壓人時破碎的基本特點§7.3 牙輪鉆頭幾何模型7.3.1 坐標(biāo)系的建立7.3.2 牙輪上任一點的幾何學(xué)基本方程7.3.3 牙輪結(jié)構(gòu)仿真模型§7.4 九自由度牙輪鉆頭動力學(xué)模型7.4.1 三牙輪鉆頭動力學(xué)模型7.4.2 接觸齒受力模型§7.5 井眼軌跡仿真模型7.5.1 井底和井壁幾何模型描述7.5.2 鉆頭動坐標(biāo)變換7.5.3 鉆頭位移模型§7.6 基于牙輪鉆頭動力學(xué)的井眼軌跡模擬7.6.1 計算方法7.6.2 仿真試驗與結(jié)果分析參考文獻第八章 基于小波分析的井眼軌跡預(yù)測模型第九章 鉆井系統(tǒng)動力學(xué)及井眼軌跡模擬研究附錄1 曲線梁形函數(shù)中非零元素表達式附錄2 常用小波函數(shù)的主要性質(zhì)附錄3 仿真數(shù)據(jù)

章節(jié)摘錄

第一章 緒論§1.1 鉆井系統(tǒng)概述鉆井系統(tǒng)動力學(xué)是研究在不同鉆井條件下，包括鉆機、鉆柱、鉆頭、巖石及鉆井液等組成的系統(tǒng)的力學(xué)行為。為此，必須對影響鉆井系統(tǒng)動力學(xué)的主要因素、工藝技術(shù)和生產(chǎn)作業(yè)環(huán)境等有所了解。在油氣勘探開發(fā)中，鉆井起著十分重要的作用，如尋找和證實含油氣構(gòu)造、獲得工業(yè)油流、探明已證實的含油（氣）構(gòu)造的含油（氣）面積和儲量，以及取得有關(guān)油田的地質(zhì)資料和開發(fā)數(shù)據(jù)等。鉆井是勘探與開采石油及天然氣資源的一個重要環(huán)節(jié)，是勘探和開發(fā)石油的重要手段。在不同的工程階段，鉆井的目的和任務(wù)也不一樣，一些是為了探明儲油構(gòu)造，另一些則是為了開發(fā)油田、開采原油。為了適應(yīng)不同階段、不同任務(wù)的需要，鉆井的種類可分為基準井、剖面井、參數(shù)井、構(gòu)造井、探井、資料井、生產(chǎn)井、注水（氣）井、檢查井、觀察井、調(diào)整井等不同類型。在整個油氣田的開發(fā)中，有勘探、建設(shè)、生產(chǎn)三個階段，各階段彼此相互聯(lián)系，都需要進行大量鉆井作業(yè)。到目前為止，旋轉(zhuǎn)鉆井方法仍是石油鉆井的主要方法。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，旋轉(zhuǎn)鉆井工藝技術(shù)也得到迅速發(fā)展，其特點是：從經(jīng)驗鉆井發(fā)展到科學(xué)化鉆井；從淺井、中深井發(fā)展到深井、超深井；從鉆直井（垂直井）、定向井發(fā)展到大斜度定向井、叢式井、水平井、大位移井等；從陸地鉆井發(fā)展到近海和深海鉆井。在石油鉆井中，盡管鉆井目的不同，井的深淺各異，但是不論是在陸地還是在海上，一口井的建井過程從確定井位到最后試油、投產(chǎn)要完成許多作業(yè)，按其順序均可分為三個階段，即鉆前準備、鉆進和固完井，而每個階段又包括許多具體工藝作業(yè)。

編輯推薦

《鉆井系統(tǒng)動力學(xué)仿真研究及應(yīng)用》由科學(xué)出版社出版。

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