第一章 绪论 1
1.1 钻井系统概述 1
1.2 钻井系统动力学概述 3
参考文献 11
第二章 钻柱几何非线性动力学研究 15
2.1 直井段钻柱几何非线性动力学分析 15
2.1.1 基本假设 15
2.1.2 钻柱系统动力学的直线梁格式 16
2.1.3 直线梁位移函数 18
2.1.4 直线梁钻柱单元刚度矩阵 19
2.1.5 直线梁钻柱单元质量矩阵 21
2.1.6 直线梁钻柱单元阻尼矩阵 22
2.1.7 直线梁钻柱单元组集整体矩阵 23
2.1.8 直线梁钻柱的三维坐标转换 24
2.2 曲井段钻柱几何非线性动力学分析 26
2.2.1 曲线梁位移函数 27
2.2.2 钻柱系统动力学的曲线梁格式 30
2.2.3 曲线梁钻柱单元刚度矩阵 31
2.2.4 曲线梁钻柱单元质量矩阵和阻尼矩阵 32
参考文献 32
第三章 钻柱参考构形及初始问题研究 34
3.1 基于数学描述的钻柱参考构形分析 35
3.1.1 钻柱参考构形问题描述 35
3.1.2 钻柱参考构形轴线位置坐标插值函数 36
3.1.3 钻柱参考构形轴线位置坐标的导函数 38
3.1.4 钻柱参考构形轴线的曲率和挠率 38
3.2 基于数学描述的钻柱初始问题分析 39
3.2.1 初位移的计算 40
3.2.2 单元畸变的计算 41
3.2.3 单元内初始内力的等效节点力 42
参考文献 44
第四章 井眼内钻柱与井壁接触非线性动力学研究 45
4.1 钻柱接触碰撞非线性动力学分析 45
4.1.1 接触碰撞非线性问题 45
4.1.2 钻柱与井壁接触碰撞定解条件 46
4.1.3 接触非线性动力学有限元格式 48
4.2 基于元胞自动机的钻柱非线性动力学研究 48
4.2.1 元胞自动机基本理论 49
4.2.2 基于元胞自动机的钻柱非线性动力学求解方法 51
4.2.3 元胞自动机计算实例 53
参考文献 55
第五章 基于钻柱动力学气体钻井防斜技术研究 56
5.1 气体钻井井斜机理分析 56
5.2 气体钻井防斜技术 59
5.3 气体钻井下部钻具组合有限元分析 61
5.3.1 气体钻井中钻柱动力学的有限元分析 61
5.3.2 气体钻井中下部钻具组合动力学分析 63
5.4 气体钻井钻柱动力学特性仿真结果分析 74
参考文献 90
第六章 小井眼侧钻水平井钻柱动力学分析 91
6.1 钻柱摩阻模型建立 91
6.1.1 基本假设与坐标系的建立 91
6.1.2 建立模型 92
6.1.3 旋转钻进状态时的摩阻模型 96
6.1.4 复合运动摩阻系数的确定 96
6.1.5 黏滞力数学模型 97
6.2 小井眼侧钻水平井钻柱动力学分析 98
6.2.1 钻柱系统动力学模型的建立 98
6.2.2 钻柱的外载荷 98
6.2.3 结构动力学非线性方程 100
6.2.4 钻柱与井壁接触的动力学模型 100
6.3 动力学模型的边界条件 105
6.3.1 上端边界条件 105
6.3.2 下端边界条件 106
6.4 小井眼侧钻水平井动力学评价系统软件 107
6.4.1 评价系统软件设计 107
6.4.2 各个模块功能说明 110
6.4.3 软件运行环境 115
6.5 小井眼侧钻水平井钻柱仿真分析 115
6.5.1 小井眼侧钻水平井钻柱静力学仿真分析 116
6.5.2 小井眼侧钻水平井钻柱动力学仿真分析 119
参考文献 125
第七章 基于多自由度牙轮钻头动力学的井眼轨迹研究 127
7.1 岩石物理力学性能试验研究 127
7.1.1 嘉陵江灰岩的物性描述 127
7.1.2 岩石抗拉强度测定 128
7.1.3 岩石单轴抗压强度试验 129
7.1.4 岩石三轴强度试验 131
7.1.5 岩石的硬度和塑性系数测定 134
7.1.6 岩石的可钻性测定 135
7.1.7 嘉一灰岩力学性能分析 137
7.2 钻头破岩机理研究 138
7.2.1 分析破岩应力的理论基础 138
7.2.2 岩石在不同硬质合金镶齿压入时的应力分布 139
7.2.3 岩石在不同齿形压入时破碎的基本特点 146
7.3 牙轮钻头几何模型 147
7.3.1 坐标系的建立 147
7.3.2 牙轮上任一点的几何学基本方程 147
7.3.3 牙轮结构仿真模型 148
7.4 九自由度牙轮钻头动力学模型 149
7.4.1 三牙轮钻头动力学模型 150
7.4.2 接触齿受力模型 151
7.5 井眼轨迹仿真模型 152
7.5.1 井底和井壁几何模型描述 153
7.5.2 钻头动坐标变换 154
7.5.3 钻头位移模型 155
7.6 基于牙轮钻头动力学的井眼轨迹模拟 155
7.6.1 计算方法 155
7.6.2 仿真试验与结果分析 156
参考文献 161
第八章 基于小波分析的井眼轨迹预测模型 163
8.1 基于小波分析的预测方法研究 163
8.1.1 小波分析概述 163
8.1.2 小波分析的基本理论 164
8.1.3 小波分析在井眼轨迹预测研究中的应用 165
8.2 基于小波分析的井眼轨迹预测模型的建立和求解 168
8.2.1 井眼轨迹的小波包分解 168
8.2.2 井眼轨迹组合预测模型 170
8.3 仿真试验和结果分析 173
参考文献 175
第九章 钻井系统动力学及井眼轨迹模拟研究 177
9.1 仿真策略 177
9.2 程序结构和算法设计 180
9.3 仿真试验结果分析 182
9.3.1 边界条件及参数计算 182
9.3.2 仿真实例 185
参考文献 196
附录1 曲线梁形函数中非零元素表达式 198
附录2 常用小波函数的主要性质 199
附录3 仿真数据 200