[发明专利]一种复杂结构井钻柱横向振动分析方法

说明书

本发明公开了一种复杂结构井钻柱横向振动分析方法，涉及油气开发技术领域，包括以下步骤S1：获得所述目标井的井眼轨迹；S2：建立随体坐标系，获得位移向量方程式；S3：进行坐标系变换，得到每一所述梁单元的随体坐标系与大地坐标系的转换关系；S4：根据拉格朗日方程，建立所述钻柱每一梁单元在随体坐标系下的非线性横向振动模型，进行坐标系转换并叠加得到所述钻柱在大地坐标系下的动力学模型；S5：设定边界条件，离散求解动力学模型，得到所述钻柱在负荷运行时的横向振动曲线。本发明建立钻柱在负荷运行过程中的非线性横向振动模型，得到钻柱的动态振动特性预测模型，对钻柱在动态负荷情况下的振动特性预测更加准确。

技术领域

本发明涉及石油和天然气开发技术领域，特别涉及一种复杂结构井钻柱横向振动分析方法。

背景技术

在油气井钻井施工中钻柱是最容易产生故障及损坏的部分，钻柱的疲劳寿命及使用强度限制这钻井施工的工艺和施工进程。钻柱在工况条件恶劣而且受力复杂的条件下，受到磨损、腐蚀以及非正常破坏时会加速钻柱的断裂、刺漏失效，钻具所处的工况条件，地质条件等因素的影响使钻柱的疲劳寿命难以预测，导致在设计钻井工艺及施工进程中难以有效控制钻柱的疲劳寿命。在深井、超深井、定向井和水平井等复杂结构井的井下，钻柱所受的应力更加复杂，钻柱失效问题尤为突出。

钻柱的失效形式包括磨损、裂纹、刺漏、变形等，不仅大大增加了钻井成本，而且增加了起下钻作业时间，极大地阻碍了正常钻井作业，降低了机械钻速。一般而言，造成钻柱失效最重要的原因是钻柱振动，但现有的钻柱振动预测集中在静态的钻柱或者平衡状态下，这难以准确的反应钻柱实际负荷运行过程中的振动，因此对钻柱失效预测和安全施工指导意义较小。因此如何预测钻柱在负荷过程中的动态振动，对于钻柱失效预测和钻井安全施工具有重要的意义。

发明内容

本申请的目的在于现有技术中预测钻柱疲劳寿命的方法结果有效性不高的问题，提供一种复杂结构井钻柱横向振动分析方法，建立钻柱在负荷运行过程中的非线性横向振动模型，得到钻柱的动态振动特性预测模型，对钻柱在动态负荷情况下的振动特性预测更加准确，为钻柱失效预测和为钻井安全施工提供可靠的数据参考。

为了实现上述发明目的，本申请提供了以下技术方案：一种复杂结构井钻柱横向振动分析方法，包括以下步骤：

S1：根据目标井的井深数据和方位角数据，获得所述目标井的井眼轨迹；

S2：将目标井的钻柱沿井眼轨迹分为若干梁单元，并以目标井的井眼轨迹向为X轴建立随体坐标系，获得每一所述梁单元的位移向量方程式；

S3：将每一梁单元建立的随体坐标系进行坐标系变换，得到每一所述梁单元的随体坐标系与大地坐标系的转换关系；

S4：根据拉格朗日方程，建立所述钻柱每一梁单元在随体坐标系下的非线性横向振动模型，并代入随体坐标系和大地坐标系的转换关系，叠加得到所述钻柱在大地坐标系下的动力学模型；

S5：设定所述钻柱边界条件，并将所述钻柱位移向量方程式带入所述动力学模型，离散求解动力学模型，得到所述钻柱在负荷运行时的横向振动曲线。

进一步地，在步骤S1中，所述井眼轨迹采用三次样条插值方法获得。

进一步地，所述井眼轨迹采用以下步骤得到：

S11：沿所述目标井选取若干个测点，测井获得若干个所述目标井的井深数据、方位角数据、井斜角数据；

S12：根据曲率半径法计算每一测点的坐标；

S13：根据三次样条插值方法得到所述目标井的井眼轨迹。

进一步地，每一所述梁单元的位移向量方程式为：