[发明专利]一种基于尖点突变理论的钻井井壁竖向稳定性分析方法

说明书

本发明公开一种基于尖点突变理论的钻井井壁竖向稳定性分析方法，包括：S1、构建钻井井壁竖向力学模型，基于所述力学模型获取钻井井壁变形挠度曲线；S2、基于所述钻井井壁竖向力学模型、所述钻井井壁变形挠度曲线，构建等断面钻井井壁的总势能函数；S3、基于所述等断面钻井井壁的总势能函数，构建等断面钻井井壁的失稳突变模型；S4、基于等断面钻井井壁的失稳突变模型，通过尖点突变理论获取钻井井壁的临界深度值；所述钻井井壁的临界深度值包括满水状态下钻井井壁的临界深度值、非满水状态下钻井井壁的临界深度值。本发明适用于不同水位状态下的稳定性分析，分析结果可靠性高，为钻井井壁竖向稳定性分析提供了一种新的定量分析方法。

技术领域

本发明涉及钻井井壁竖向稳定性分析技术领域，特别是涉及一种基于尖点突变理论的钻井井壁竖向稳定性分析方法。

背景技术

钻井法是一种机械化特殊凿井技术，在世界范围内的煤矿、铜矿、铅矿及市政工程中都有一定的应用。其采用大型钻机钻凿出井孔，同期进行泥浆护壁，再将地面预制好的井壁逐节接长并悬浮下沉至井孔内，最后用水泥浆置换出泥浆进行固井充填，以形成钻井井筒。然而在钻井井壁悬浮下沉至孔底，但尚未进行固井充填时，如存在微小的偏心或横向力都会使井壁突然倾斜、滑移，进而造成井壁结构竖向失稳。且立井井筒越深，井壁发生竖向失稳的可能性越大，因此钻井井壁在施工过程中，如何保证其竖向稳定性是煤矿深井建设的技术难题。

国内相关学者对钻井井壁竖向稳定性进行了一些有益的研究。洪伯潜最早提出该问题，并将井壁视为一个两端铰支的细长杆，假定井壁截面等刚度且井筒内注满配重水，建立了等断面满水钻井井壁竖向稳定临界深度计算公式，为后续研究奠定了良好的研究基础；林鸿苞也将配重水视为自重，基于井壁断面连续变化的假定，建立了变断面钻井井壁结构在满水和非满水情况下的临界深度计算公式。但将配重水视为自重得出的临界深度值往往偏小，在深立井钻井井壁稳定性验算的工程实践中有一定的局限性。牛学超等将内侧配重水压力和外侧泥浆的压力视为侧向均布荷载，分别建立了等断面满水和非满水钻井井壁结构竖向稳定临界深度计算公式；程桦、刘吉敏等用外推法进一步建立了变断面钻井井壁竖向稳定临界深度计算公式，并首次采用 ABAQUS数值模拟计算方法验证了理论解；蒋万军、肖立、张庆贺将井壁结构视为上端自由、下端固定的压杆，分别考虑井壁自重和泥浆浮力作用，建立了临界深度计算公式；王彦超、邓长根通过稳定系数判定钻井井壁稳定性的各项影响因素，并考虑了由于测量误差和井壁的收缩变形造成的初始缺陷对井壁竖向稳定性的影响。上述研究均是基于能量法建立钻井井壁临界深度计算公式，并根据最小势能原理建立井壁稳定性判定准则，建立的临界深度计算表达式较复杂，研究手段也较单一。而钻井井壁在漂浮下沉过程中的竖向失稳破坏是一个复杂的非线性不可逆演化过程，随着井壁结构的不断接长和井筒内注入的配重水不断增多，井壁结构开始积聚弹性能，当系统弹性势能积聚到一定程度时，钻井井壁由缓慢稳定的连续变化阶段逐渐发展到状态突然变化的失稳破坏阶段，造成井壁结构倾斜、滑移，具有明显的突发性。因此，将突变理论引入到井壁结构竖向稳定性分析和参数计算是一个好的思路。但现有技术中并没有一种方法将突变理论应用于钻井井壁的竖向稳定性分析。可见，有必要提供一种基于突变理论的钻井井壁竖向稳定性分析方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于尖点突变理论的钻井井壁竖向稳定性分析方法，以解决现有技术中存在的技术问题，能够得到满水和非满水状态下钻井井壁的临界深度值，适用于不同水位状态下的稳定性分析，稳定性分析结果可靠性高，计算过程简单，为钻井井壁竖向稳定性分析提供了一种新的定量分析方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种基于尖点突变理论的钻井井壁竖向稳定性分析方法，包括如下步骤：

S1、构建钻井井壁竖向力学模型，基于所述力学模型获取钻井井壁变形挠度曲线；

S2、基于所述钻井井壁竖向力学模型、所述钻井井壁变形挠度曲线，构建等断面钻井井壁的总势能函数；

S3、基于所述等断面钻井井壁的总势能函数，构建等断面钻井井壁的失稳突变模型；