鑽井系統動力學仿真研究及應用

序
前言
第一章 緒論
§1.1 鑽井系統概述
§1.2 鑽井系統動力學概述
參考文獻
第二章 鑽柱幾何非線性動力學研究
§2.1 直井段鑽柱幾何非線性動力學分析
2.1.1 基本假設
2.1.2 鑽柱系統動力學的直線梁格式
2.1.3 直線梁位移函數
2.1.4 直線梁鑽柱單元剛度矩陣
2.1.5 直線梁鑽柱單元質量矩陣
2.1.6 直線梁鑽柱單元阻尼矩陣
2.1.7 直線梁鑽柱單元組集整體矩陣
2.1.8 直線梁鑽柱的三維坐標轉換
§2.2 曲井段鑽柱幾何非線性動力學分析
2.2.1 曲線梁位移函數
2.2.2 鑽柱系統動力學的曲線梁格式
2.2.3 曲線梁鑽柱單元剛度矩陣
2.2.4 曲線梁鑽柱單元質量矩陣和阻尼矩陣
參考文獻
第三章 鑽柱參考構形及初始問題研究
§3.1 基于數學描述的鑽柱參考構形分析
3.1.1 鑽柱參考構形問題描述
3.1.2 鑽柱參考構形軸線位置坐標插值函數
3.1.3 鑽柱參考構形軸線位置坐標的導函數
3.1.4 鑽柱參考構形軸線的曲率和撓率
§3.2 基于數學描述的鑽柱初始問題分析
3.2.1 初位移的計算
3.2.2 單兀畸變的計算
3.2.3 單元內初始內力的等效節點力
參考文獻
第四章 井眼內鑽柱與井壁接觸非線性動力學研究
§4.1 鑽柱接觸踫撞非線性動力學分析
4.1.1 接觸踫撞非線性問題
4.1.2 鑽柱與井壁接觸踫撞定解條件
4.1.3 接觸非線性動力學有限元格式
§4.2 基于元胞自動機的鑽柱非線性動力學研究
4.2.1 元胞自動機基本理論
4.2.2 基于元胞自動機的鑽柱非線性動力學求解方法
4.2.3 元胞自動機計算實例
參考文獻
第五章 基于鑽柱動力學氣體鑽井防斜技術研究
§5.1 氣體鑽井井斜機理分析
§5.2 氣體鑽井防斜技術
§5.3 氣體鑽井下部鑽具組合有限元分析
5.3.1 氣體鑽井中鑽柱動力學的有限元分析
5.3.2 氣體鑽井中下部鑽具組合動力學分析
§5.4 氣體鑽井鑽柱動力學特性仿真結果分析
參考文獻
第六章 小井眼側鑽水平井鑽柱動力學分析
§6.1 鑽柱摩阻模型建立
6.1.1 基本假設與坐標系的建立
6.1.2 建立模型
6.1.3 旋轉鑽進狀態時的摩阻模型
6.1.4 復合運動摩阻系數的確定
6.1.5 黏滯力數學模型
§6.2 小井眼側鑽水平井鑽柱動力學分析
6.2.1 鑽柱系統動力學模型的建立
6.2.2 鑽柱的外載荷
6.2.3 結構動力學非線性方程
6.2.4 鑽柱與井壁接觸的動力學模型
§6.3 動力學模型的邊界條件
6.3.1 上端邊界條件
6.3.2 下端邊界條件
§6.4 小井眼側鑽水平井動力學評價系統軟件
6.4.1 評價系統軟件設計
6.4.2 各個模塊功能說明
6.4.3 軟件運行環境
§6.5 小井眼側鑽水平井鑽柱仿真分析
6.5.1 小井眼側鑽水平井鑽柱靜力學仿真分析
6.5.2 小井眼側鑽水平井鑽柱動力學仿真分析
參考文獻
第七章 基于多自由度牙輪鑽頭動力學的井眼軌跡研究
§7.1 岩石物理力學性能試驗研究
7.1.1 嘉陵江灰岩的物性描述
7.1.2 岩石抗拉強度測定
7.1.3 岩石單軸抗壓強度試驗
7.1.4 岩石三軸強度試驗
7.1.5 岩石的硬度和塑性系數測定
7.1.6 岩石的可鑽性測定
7.1.7 嘉—灰岩力學性能分析
§7.2 鑽頭破岩機理研究
7.2.1 分析破岩應力的理論基礎
7.2.2 岩石在不同硬質合金瓖齒壓入時的應力分布
7.2.3 岩石在不同齒形壓下時破碎的基本特點
§7.3 牙輪鑽頭幾何模型
7.3.1 坐標系的建立
7.3.2 牙輪上任一點的幾何學基本方程
7.3.3 牙輪結構仿真模型
§7.4 九自由度牙輪鑽頭動力學模型
7.4.1 三牙輪鑽頭動力學模型
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 鑽頭動坐標變換
7.5.3 鑽頭位移模型
§7.6 基于牙輪鑽頭動力學的井眼軌跡模擬
7.6.1 計算方法
7.6.2 仿真試驗與結果分析
第八章 基于小波分析的井眼軌跡預測模型
§8.1 基于小波分析的預測方法研究
8.1.1 小波分析概述
8.1.2 小波分析的基本理論
8.1.3 小波分析在井眼軌跡預測研究中的應用
§8.2 基于小波分析的井眼軌跡預測模型的建立和求解
8.2.1 井眼軌跡的小波包分解
8.2.2 井眼軌跡組合預測模型
§8.3 仿真試驗和結果分析
參考文獻
第九章 鑽井系統動力學及井眼軌跡模擬研究
§9.1 仿真策略
§9.2 程序結構和算法設計
§9.3 仿真試驗結果分析
9.3.1 邊界條件及參數計算
9.3.2 仿真實例
參考文獻
附錄1 曲線梁形函數中非零元素表達式
附錄2 常用小波函數的主要性質
附錄3 仿真數據

鑽井系統動力學是鑽井工程應用基礎理論的重要組成部分，也是確保油氣鑽井成功的技術關鍵。自20世紀50年代，Lubinski首次對鑽柱靜力學進行了較為系統的研究以來，鑽柱動力學研究一直是國內外鑽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逐漸由淺部向深部發展，包括氣體鑽井等特殊工藝井鑽井工作量不斷增大，如何準確地了解鑽井系統動力學特性及科學的井眼軌跡預測方法，是確保特殊工藝井和深井超深井鑽井成功、提高鑽井質量及鑽井效率、降低鑽井成本的理論基礎和關鍵技術問題，也是目前油氣資源勘探開發中急需解決的重要課題之一。為了能夠實現對鑽井系統的動力學性能及井眼軌跡的合理設計與有效控制，人們始終堅持開展鑽井系統動力學特性規律的探索和研究，其中，利用非線性科學理論方法研究鑽井系統動力學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鑽井系統動力學行為，並取得了可喜的進展。他的研究範圍主要涉及鑽井系統動力學建模、基于鑽頭與岩石相互作用下鑽柱靜動態特性仿真分析、鑽柱與井壁接觸問題、井眼軌跡預測與控制問題等內容。他承擔了多項國家自然科學基金項目、國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目、國家科技支撐計劃項目、國家技術創新工程項目、教育部博士學科點專項基金項目、國際合作項目、石油科技中青年創新基金項目、四川省杰出青年學科帶頭人培養基金項目，等等。這些工作對于促進鑽井系統動力學行為研究做出了有益的貢獻。

本書綜合利用了牙輪鑽頭破岩機理、岩石破碎力學、定向鑽井技術、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、計算機仿真技術等多學科交叉技術，通過理論研究、計算機仿真、單元實驗、現場測試與現場數據統計分析相結合的科研方法，在構建鑽井系統動力學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合，在系統介紹鑽井系統動力學理論的同時，給出大量的工程實例和實驗分析，如開展了氣體鑽井優化設計理論和控制技術、小井眼側鑽水平井鑽柱動力學分析等。這些內容將有助于讀者對本書所介紹理論的理解與應用。

現在，他們將多年研究成果結集出版，該著作具有一定的理論前沿性、方法實用性和內容系統性，特色突出。祝賀此書正式出版，相信它對于進一步推動鑽井系統動力學行為的深入研究、進一步完善鑽井系統動力學理論體系會有積極的意義。

中國工程院院士 蘇文腦
2008年11月11日