CN109165374A - 井下钻具横向振动评估方法及装置 - Google Patents

井下钻具横向振动评估方法及装置 Download PDF

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CN109165374A CN201810839514.4A CN201810839514A CN109165374A CN 109165374 A CN109165374 A CN 109165374A CN 201810839514 A CN201810839514 A CN 201810839514A CN 109165374 A CN109165374 A CN 109165374A
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Abstract

本发明提供了一种井下钻具横向振动评估方法及装置，该评估方法包括：基于牛顿运动微分方程，建立钻具组合微元体的动力学平衡方程；建立该微元体的欧拉伯努利方程；根据该动力学平衡方程求解得到该微元体的质量传递矩阵；根据该欧拉伯努利方程求解得到该微元体的刚度传递矩阵；利用该质量传递矩阵和该刚度传递矩阵计算得到该微元体的总传递矩阵；利用该总传递矩阵和钻头处状态向量计算得到该微元体的状态向量；该钻头处状态向量的元素包含剪切应力；利用扶正器处的该微元体的状态向量计算得到钻具组合的横向振动强度量化评估指数，并利用该横向振动强度量化评估指数实时评估钻具组合的横向强度。本发明能够有效预测钻具组合横向振动强度。

Description

井下钻具横向振动评估方法及装置
技术领域
本发明涉及油气勘探技术领域，尤其涉及一种井下钻具横向振动评估方法及装置。
背景技术
随着钻探目标不断向更深更复杂的油气藏以及非常规储层迈进，钻井难度日益增大。机械钻速变低，一般认为是由地层强度增大、钻头磨损、井眼净化不足、泥浆性能差等因素引起，这忽略了钻柱振动引发破岩效率降低的瓶颈因素。钻柱由钻杆和底部BHA(钻具组合)组成，其主要作用是给钻头传递钻压、扭矩和建立钻井液的循环。但由于钻头与所钻地层、钻柱与井壁的相互作用，加之地层的不均质性、钻头工作参数不合理及钻头结构形状等诸多影响因素，常常导致钻头在井底运动状态的不均匀性及钻头上载荷的不定常性。因此，井下钻柱的振动是无法避免的，通常，轻微的振动并无害处，但剧烈的振动却会导致钻柱的失效(冲蚀、疲劳、扭断)，甚至造成钻头先期受损和机械钻速下降。据Baker Hughes的统计结果可知，全世界钻井中与振动相关的失效和破坏的经济损失每年达3亿美元，其中，BHA横向振动时常诱发的反向晃震导致钻具断裂的事故占比最大。并且振动强度很难通过地表的工程参数(钩载、扭矩等)或钻井效能评价指标(钻时、MSE(Mechanical Strength Energy，机械比能)等)实时量化评估，同时BHA横向振动控制方法尚未形成。
发明内容
本发明提供了一种井下钻具横向振动评估方法及装置，以有效预测评估钻具组合横向振动强度。
本发明实施例提供一种井下钻具横向振动评估方法，包括：基于牛顿运动微分方程，建立钻具组合微元体的动力学平衡方程；建立所述钻具组合微元体的欧拉伯努利方程；根据所述动力学平衡方程求解得到所述钻具组合微元体的质量传递矩阵；根据所述欧拉伯努利方程求解得到所述钻具组合微元体的刚度传递矩阵；利用所述质量传递矩阵和所述刚度传递矩阵计算得到所述钻具组合微元体的总传递矩阵；利用所述总传递矩阵和钻头处状态向量计算得到所述钻具组合微元体的状态向量；所述钻头处状态向量的元素包含剪切应力；利用钻具组合中扶正器处的所述钻具组合微元体的状态向量计算得到钻具组合的横向振动强度量化评估指数，并利用所述横向振动强度量化评估指数实时评估钻具组合的横向强度。
本发明实施例还提供一种井下钻具横向振动控制方法，包括：在钻具组合发生横向振动的情况下，将初始钻具转速按设定比例降低至第一钻具转速，并将初始钻具钻压按所述设定比例提高至第一钻具钻压；在钻具组合继续横向振动的情况下，将所述第一钻具转速按所述设定比例降低第二钻具转速，并将所述第一钻具钻压按所述设定比例提高至第二钻具钻压，直至所述第二钻具钻压超过极限转压；将钻具组合提离井底以释放钻柱扭矩，在所述第二钻具转速下重新钻进，钻具钻压增加至所述第一钻具钻压，将钻具转速增加至所述初始钻具转速；在钻具组合恢复横向振动的情况下，将钻具组合再次提离井底以释放钻柱扭矩，在所述第二钻具转速下再次重新钻进，钻具钻压再次增加至所述第一钻具钻压，将钻具转速增加至第三钻具转速；所述第三钻具转速相对于所述初始钻具转速增加比例大于所述设定比例；其中，钻具组合的横向振动的情况是利用上述实施例所述的井下钻具横向振动评估方法实时评估得到。
本发明实施例还提供一种井下钻具横向振动评估装置，包括：方程建立单元，用于：基于牛顿运动微分方程，建立钻具组合微元体的动力学平衡方程；建立所述钻具组合微元体的欧拉伯努利方程；质量及刚度传递矩阵生成单元，用于：根据所述动力学平衡方程求解得到所述钻具组合微元体的质量传递矩阵；根据所述欧拉伯努利方程求解得到所述钻具组合微元体的刚度传递矩阵；总传递矩阵生成单元，用于：利用所述质量传递矩阵和所述刚度传递矩阵计算得到所述钻具组合微元体的总传递矩阵；状态向量生成单元，用于：利用所述总传递矩阵和钻头处状态向量计算得到所述钻具组合微元体的状态向量；所述钻头处状态向量的元素包含剪切应力；横向强度评估单元，用于：利用钻具组合中扶正器处的所述钻具组合微元体的状态向量计算得到钻具组合的横向振动强度量化评估指数，并利用所述横向振动强度量化评估指数实时评估钻具组合的横向强度。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述各实施例所述方法的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述实施例所述方法的步骤。
本发明实施例的井下钻具横向振动评估方法、井下钻具横向振动控制方法、井下钻具横向振动评估装置、计算机可读存储介质及计算机设备，基于牛顿运动微分方程和欧拉伯努利方程得到钻具组合微元体的总传递矩阵，并利用该总传递矩阵和包含剪切应力的钻头处状态向量得到钻具组合微元体的状态向量，以及通过扶正器处的微元体状态向量得到横向振动强度量化评估指数，以此能够有效预测评估钻具组合的横向振动强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本发明一实施例的井下钻具横向振动评估方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例的井下钻具横向振动控制方法的流程示意图；
图3是本发明一实施例的BHA横向振动强度的量化评估及控制方法流程示意图；
图4是本发明一实施例中对BHA微元受力状态分析的示意图；
图5是本发明一实施例中井下横向振动强度缓解方法的流程示意图；
图6是利用本发明实施例的评估方法实施计算井下横向振动强度的曲线图；
图7是本发明一实施例的井下钻具横向振动评估装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
图1是本发明一实施例的井下钻具横向振动评估方法的流程示意图。如图1所示，本实施例的井下钻具横向振动评估方法，可包括：
步骤S110：基于牛顿运动微分方程，建立钻具组合微元体的动力学平衡方程；建立所述钻具组合微元体的欧拉伯努利方程。
该动力学平衡方程可以包括钻具组合微元体的一种或多种状态条件下的动力学平衡方程，例如静止条件、动态条件等。不同状态条件下的动力学平衡方程可以是一个方程或一个方程组，即可以包含一个方程或多个方程。该动力学平衡方程可以是微分方程，可以以钻具组合微元体相对于井眼轴线的位移作为微分变量，可以包含钻具组合微元体的质量、相邻两个钻具组合微元体的剪切应力、井斜角、钻具组合微元体与井壁接触刚度系数、阻尼系数等参数。该欧拉伯努利方程的变量可以包含钻具组合微元体相对于井眼轴线的位移和钻具组合微元体相对于钻头的位移。该欧拉伯努利方程的参数可以包含杨氏模量、惯性矩、钻具组合微元体收到的轴向应力等。
步骤S120：根据所述动力学平衡方程求解得到所述钻具组合微元体的质量传递矩阵；根据所述欧拉伯努利方程求解得到所述钻具组合微元体的刚度传递矩阵。
可以根据不同状态条件下的动力学平衡方程得到不同状态条件下的质量传递矩阵，例如根据。实施例中，可以先将动力学平衡方程中的小量(例如二阶微分和一阶微分)略去，然后将略去小量的方程改写成相邻两个微元体的状态矢量(形式可如后续所述)之间的计算关系，根据该计算关系可以推出钻具组合微元体的质量传递矩阵。类似地，可以由欧拉伯努利方程得到钻具组合微元体的刚度传递矩阵。可以通过半解析求解、数值求解等方法得到质量传递矩阵和刚度传递矩阵。利用半解析求解的方法，求解结果的精度更高。
步骤S130：利用所述质量传递矩阵和所述刚度传递矩阵计算得到所述钻具组合微元体的总传递矩阵。
可以通过将所述质量传递矩阵和所述刚度传递矩阵相乘得到所述钻具组合微元体的总传递矩阵。
步骤S140：利用所述总传递矩阵和钻头处状态向量计算得到所述钻具组合微元体的状态向量；所述钻头处状态向量的元素包含剪切应力。
可以从钻头开始，通过每个微元的总传递矩阵的迭代，并利用迭代结果乘以钻头处状态向量可以得到钻具组合微元体的状态向量。钻头处状态向量的元素中除了包含剪切应力，还可以包含钻具组合微元体相对井眼轴向横向位移、微元体相对井眼轴线倾角、微元体弯矩等。
步骤S150：利用钻具组合中扶正器处的所述钻具组合微元体的状态向量计算得到钻具组合的横向振动强度量化评估指数，并利用所述横向振动强度量化评估指数实时评估钻具组合的横向强度。
可以利用扶正器位置处的钻具组合微元体的状态向量和扶正器的数量计算钻具组合的横向振动强度量化评估指数。实施例中，可以利用所有扶正器位置处的钻具组合微元体的状态向量中的剪切应力计算钻具组合的横向振动强度量化评估指数。具体地，例如可以利用所有扶正器位置处的钻具组合微元体的状态向量中的剪切应力的按特定公式进行计算(例如方均根、平均等)，并将计算结果作为钻具组合的横向振动强度量化评估指数。
本实施例中，基于牛顿运动微分方程和欧拉伯努利方程得到钻具组合微元体的总传递矩阵，并利用该总传递矩阵和包含剪切应力的钻头处状态向量得到钻具组合微元体的状态向量，以及通过扶正器处的微元体状态向量得到横向振动强度量化评估指数，以此能够有效预测评估钻具组合的横向振动强度。
一些实施例中，所述钻头处状态向量的元素还包含钻具组合微元体相对于井眼轴线的位移、钻具组合微元体相对于井眼轴线的倾角及钻具组合微元体的弯矩。
一些实施例中，上述步骤S120，根据所述动力学平衡方程求解得到所述钻具组合微元体的质量传递矩阵，可包括：根据在静止状态条件下的所述动力学平衡方程求解得到所述钻具组合微元体在静止状态条件下的质量传递矩阵；根据在运动状态条件下的所述动力学平衡方程求解得到所述钻具组合微元体在运动状态条件下的质量传递矩阵。该实施例中，充分考虑钻具组合的静止状态和运动状态，可使所得横向振动强度量化评估指数更符合实际情况。静止状态条件下的质量传递矩阵和运动状态条件下的质量传递矩阵可以分条件分别用来得到总传递矩阵。
一些实施例中，在静止状态条件下的质量传递矩阵MS可为：
其中，k表示钻具组合微元体与井壁接触刚度系数，可为0，m表示钻具组合微元体的质量，g表示重力加速度，表示井斜角。
在运动状态条件下的质量传递矩阵MS可为：
其中，i表示虚数，b表示阻尼系数，ω表示转速。
一些实施例中，在静止状态条件下的所述动力学平衡方程可包括：
其中，m表示钻具组合微元体的质量，y表示钻具组合微元体相对于井眼轴线的位移，Vi表示第i个钻具组合微元体的剪切应力，Vi-1表示第i-1个钻具组合微元体的剪切应力，g表示重力加速度，表示井斜角，k表示钻具组合微元体与井壁接触刚度系数，b表示阻尼系数。
在运动状态条件下的所述动力学平衡方程可包括：
其中，ε表示钻具组合微元体偏离距离与井眼半径的比值。
一些实施例中，所述刚度传递矩阵B可为：
其中，L表示钻具组合微元体的长度，p表示钻具组合微元体收到的轴向应力，E表示杨氏模量，I表示惯性矩，
一些实施例中，所述欧拉伯努利方程可为：
E表示杨氏模量，I表示惯性矩，p表示钻具组合微元体收到的轴向应力，y表示钻具组合微元体相对于井眼轴线的位移，x表示钻具组合微元体相对于钻头的位移。
一些实施例中，所述横向振动强度量化评估指数LSE可为：
其中，N表示钻具组合中扶正器的数量，V表示扶正器处的剪切应力。
本发明实施例还提供一种井下钻具横向振动控制方法，可以用于控制根据上述实施例的井下钻具横向振动评估方法识别出的井下钻具横向振动。图2是本发明一实施例的井下钻具横向振动控制方法的流程示意图，如图2所示，本实施例的井下钻具横向振动控制方法，可包括：
步骤S210：在钻具组合发生横向振动的情况下，将初始钻具转速按设定比例降低至第一钻具转速，并将初始钻具钻压按所述设定比例提高至第一钻具钻压；
步骤S220：在钻具组合继续横向振动的情况下，将所述第一钻具转速按所述设定比例降低第二钻具转速，并将所述第一钻具钻压按所述设定比例提高至第二钻具钻压，直至所述第二钻具钻压超过极限转压；
步骤S230：将钻具组合提离井底以释放钻柱扭矩，在所述第二钻具转速下重新钻进，钻具钻压增加至所述第一钻具钻压，将钻具转速增加至所述初始钻具转速；
步骤S240：在钻具组合恢复横向振动的情况下，将钻具组合再次提离井底以释放钻柱扭矩，在所述第二钻具转速下再次重新钻进，钻具钻压再次增加至所述第一钻具钻压，将钻具转速增加至第三钻具转速；所述第三钻具转速相对于所述初始钻具转速增加比例大于所述设定比例。
其中，钻具组合的横向振动的情况是利用上述实施例所述的井下钻具横向振动评估方法实时评估得到。
在上述步骤S210～步骤S240中，钻具组合是否发生横向振动，钻具组合是否继续横向振动，钻具组合是否恢复横向振动，可以通过利用上述实施例所述的井下钻具横向振动评估方法计算得到钻具组合的横向振动强度量化评估指数，若该评估指数超过一设定值，则可认为钻具组合正处于横向振动的状态。该设定比例例如可以为10％；上述步骤S210～步骤S220可使降低RPM(转速)和提升WOB(转压)的动作重复两次，在其他实施例中可以重复其他次数，例如三次。直至超过WOB极限即可。所述第三钻具转速相对于所述初始钻具转速增加比例例如可以为25％。
本实施例的井下钻具横向振动控制方法，根据上述井下钻具横向振动评估方法实时评估钻具组合的横向振动的情况，并进行相应的调整，能够有效控制减少钻具组合的横向振动。
下面将以一具体实施例说明本发明的实施方式及其效果。
图3是本发明一实施例的BHA横向振动强度的量化评估及控制方法流程示意图。如图3所示，基于频率域下的、有阻尼单自由度BHA横向振动强度预测模型，可以利用钻具组合数据、井眼轨迹数据、泥浆性能数据、地质数据及随钻过程中一个或多个动态工程参数，通过传递矩阵法描述地表工程参数状态与钻头处状态的响应关系，为钻井技术人员实时提供实时井下BHA横向振动强度量化评价，提高破岩效率降低钻具疲劳损坏。考虑了钻井工程中对BHA横向振动强度的量化评估及有害振动的实时控制，BHA横向振动强度的量化评估及控制方法可包括以下四个关键步骤：
步骤一，对BHA微元受力状态分析，建立用于评估BHA微元横向振动强度量化评估指数LSE。图4是本发明一实施例中对BHA微元受力状态分析的示意图，微元体受到轴向拉力P，剪切力(一端V，另一端V+dV)，弯矩(一端M，另一端M+dM)共同作用影响，当BHA发生横向运动时，定义BHA微元体状态向量μ。其表达式为：
其中，y为微元体相对井眼轴向横向位移，单位为m；θ为微元体相对井眼轴线倾角，单位为°；M为微元体弯矩，单位为N/m；V为微元体所受剪切应力，单位为N。
一套BHA由一定数量有质量的微元体组成，通过传递矩阵迭代，每个微元体的状态向量μi的计算模型可为：
其中，Mi为第i个微元体的质量传递矩阵；Bi为第i个微元体的刚度传递矩阵，Ti为第i个微元体的总传递矩阵；μ0为钻头处状态向量。
步骤二，基于牛顿运动方程，建立BHA微元体当前钻井条件下的质量传递矩阵，其具体模型可为：
基于牛顿运动方程，BHA微元体动力学平衡方程可表示为：
静止状态，
运动状态，
其中，m为微元体质量，单位为Kg；g为重力加速度；y为微元体相对于井眼轴线位移，单位为m；k为与井壁接触刚度系数；b为阻尼系数；φ为井斜角，单位为°；ω为转速，单位为弧度；ε为微元体偏离距离与井眼半径比值(取值范围可为0～1)；Vi为第i个微元体的剪切应力，Vi-1第i-1个微元体的剪切应力。
BHA运动状态为受迫简谐振动，运动状态下动力学平衡方程的解可为y＝eiωt，i为虚数，且
将公式(3)、(3’)中的一阶微分和二阶微分小量略去，并与矩阵公式μi＝Msμi-1中第四行对应的方程进行比较，推出矩阵MS，其中μi和μi-1为分别表示相邻微元体的状态矢量，如公式(1)所示，区别在于，在μi中V为Vi，在μi-1中V为Vi-1。由此求解得，横向振动条件下单一钻柱微元体上下端参数的质量传递矩阵模型MS可以为：
在静止条件下：
在动态条件下：
步骤三，基于欧拉伯努利方程，建立BHA微元体当前钻井条件下的刚度传递矩阵，其具体模型为：
欧拉伯努利方程：
式中，E为杨氏模量，单位为pa；I为惯性矩，单位为m4；p为微元体受到的轴向应力，单位为N；y为微元体相对于轴线的位移，单位为m；x为微元体相对于钻头的位移。
方程(6)的通解为：
y＝a+bx+ceβx+de-βx
式中a、b、c、d、β为参数。
钻具微元体的位移、倾角、弯矩以及剪切应力为：
进一步化简得：
y＝a+bx+ceβx+de-βx
θ＝b+cβeβx-dβe-βx
M＝EI(cβ2eβx+dβ2e-βx)
V＝-EI(cβ3eβx-dβ3e-βx)
将x＝l带入上式，横向振动条件下单一钻柱微元上下端参数的刚度传递矩阵模型：
其中，B表示刚度传递矩阵。
步骤四，基于步骤一至步骤三，建立BHA微元体当前钻井条件下的横向振动强度量化评估指数。其具体模型可为：
其中，LSE为钻具横向振动强度评估指数，无量纲；N为扶正器的个数；V为扶正器处的剪切力，单位为牛顿。V可根据扶正器处的状态向量中的剪切力元素值得到。
步骤五，井下横向有害振动缓解方法，可如图5所示。
利用本发明实施例的井下钻具横向振动量化评估方法能够对井下横向振动强度实时计算评估。图6是利用本发明实施例的评估方法实施计算井下横向振动强度的曲线图，如图6所示，记录了横向振动的GLATRMS(横向加速度)变化曲线和位移变化曲线。图6中，上方曲线为井下振动测量短节实测数据相应的横向振动强度随时间变化的曲线，下方曲线为以钻具组合中加速度传感器深度处的计算点位移(y值)随时间变化的曲线，位移越大说明横向振动越剧烈，反之亦然。根据测量结果可以实时提示优化措施，提高破岩效率。本发明实施例的有益效果是解决了当不具备井下振动测量短节时，传统无法对井下横向振动进行实时、准确进行判断的局限性。最主要的优势在于它能够对井下横向振动进行量化评价，并能够为技术人员提供相应解决措施。
本发明实施例的方法，基于牛顿动力学微分方程及欧拉伯努利梁理论，利用传递矩阵法，建立了频率域下，单自由度、阻尼条件下的BHA横向振动强度预测评估模型。能够实时计算特定BHA条件下不同钻进参数组合下的BHA(Bottom Hole Assembly，钻具组合)横向振动状态，通过计算扶正器处的侧向力，得到BHA横向振动强度评估指数。利用该指数随钻过程中根据地面数据可靠且方便地预测评估BHA横向振动强度。通过指定横向振动缓解流程能够有效缓解井下BHA横向振动强度，对提高破岩效率及降低钻井过程中钻具疲劳受损具有重要意义。本发明实施例的量化评估方法，打破了井下BHA横向振动地表无法判断识别及强度评估的局限性，随钻过程中为井场技术人员提供了一种实时、定量评价井下BHA横向振动状态的方法。钻井过程中可以实时描述BHA横向振动的严重性，实现振动强度的量化评价。评估方法在模型求解过程中可采用半解析方式，显著提高了计算效率，适用于钻井过程中对井下BHA横向振动强度及时有效地评估。
基于与图1所示的井下钻具横向振动评估方法相同的发明构思，本申请实施例还提供了一种井下钻具横向振动评估装置，如下面实施例所述。由于该井下钻具横向振动评估装置解决问题的原理与井下钻具横向振动评估方法相似，因此该井下钻具横向振动评估装置的实施可以参见井下钻具横向振动评估方法的实施，重复之处不再赘述。
图7是本发明一实施例的井下钻具横向振动评估装置的结构示意图。如图7所示，本实施例的井下钻具横向振动评估装置，可包括：方程建立单元310、质量及刚度传递矩阵生成单元320、总传递矩阵生成单元330、状态向量生成单元340及横向强度评估单元350，上述各单元顺序连接。
方程建立单元310，用于：基于牛顿运动微分方程，建立钻具组合微元体的动力学平衡方程；建立所述钻具组合微元体的欧拉伯努利方程；
质量及刚度传递矩阵生成单元320，用于：根据所述动力学平衡方程求解得到所述钻具组合微元体的质量传递矩阵；根据所述欧拉伯努利方程求解得到所述钻具组合微元体的刚度传递矩阵；
总传递矩阵生成单元330，用于：利用所述质量传递矩阵和所述刚度传递矩阵计算得到所述钻具组合微元体的总传递矩阵；
状态向量生成单元340，用于：利用所述总传递矩阵和钻头处状态向量计算得到所述钻具组合微元体的状态向量；所述钻头处状态向量的元素包含剪切应力；
横向强度评估单元350，用于：利用钻具组合中扶正器处的所述钻具组合微元体的状态向量计算得到钻具组合的横向振动强度量化评估指数，并利用所述横向振动强度量化评估指数实时评估钻具组合的横向强度。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述各实施例所述方法的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现上述各实施例所述方法的步骤。
综上所述，本发明实施例的井下钻具横向振动评估方法、井下钻具横向振动控制方法、井下钻具横向振动评估装置、计算机可读存储介质及计算机设备，基于牛顿运动微分方程和欧拉伯努利方程得到钻具组合微元体的总传递矩阵，并利用该总传递矩阵和包含剪切应力的钻头处状态向量得到钻具组合微元体的状态向量，以及通过扶正器处的微元体状态向量得到横向振动强度量化评估指数，以此能够有效预测评估钻具组合的横向振动强度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本发明的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种井下钻具横向振动评估方法，其特征在于，包括：
基于牛顿运动微分方程，建立钻具组合微元体的动力学平衡方程；建立所述钻具组合微元体的欧拉伯努利方程；
根据所述动力学平衡方程求解得到所述钻具组合微元体的质量传递矩阵；根据所述欧拉伯努利方程求解得到所述钻具组合微元体的刚度传递矩阵；
利用所述质量传递矩阵和所述刚度传递矩阵计算得到所述钻具组合微元体的总传递矩阵；
利用所述总传递矩阵和钻头处状态向量计算得到所述钻具组合微元体的状态向量；所述钻头处状态向量的元素包含剪切应力；
利用钻具组合中扶正器处的所述钻具组合微元体的状态向量计算得到钻具组合的横向振动强度量化评估指数，并利用所述横向振动强度量化评估指数实时评估钻具组合的横向强度。
2.如权利要求1所述的井下钻具横向振动评估方法，其特征在于，所述钻头处状态向量的元素还包含钻具组合微元体相对于井眼轴线的位移、钻具组合微元体相对于井眼轴线的倾角及钻具组合微元体的弯矩。
3.如权利要求1所述的井下钻具横向振动评估方法，其特征在于，根据所述动力学平衡方程求解得到所述钻具组合微元体的质量传递矩阵，包括：
根据在静止状态条件下的所述动力学平衡方程求解得到所述钻具组合微元体在静止状态条件下的质量传递矩阵；根据在运动状态条件下的所述动力学平衡方程求解得到所述钻具组合微元体在运动状态条件下的质量传递矩阵。
4.如权利要求3所述的井下钻具横向振动评估方法，其特征在于，
在静止状态条件下的质量传递矩阵MS为：
其中，k表示钻具组合微元体与井壁接触刚度系数，m表示钻具组合微元体的质量，g表示重力加速度，表示井斜角；
在运动状态条件下的质量传递矩阵MS为：
其中，i表示虚数，b表示阻尼系数，ω表示转速。
5.如权利要求3所述的井下钻具横向振动评估方法，其特征在于，
在静止状态条件下的所述动力学平衡方程包括：
其中，m表示钻具组合微元体的质量，y表示钻具组合微元体相对于井眼轴线的位移，Vi表示第i个钻具组合微元体的剪切应力，Vi-1表示第i-1个钻具组合微元体的剪切应力，g表示重力加速度，表示井斜角，k表示钻具组合微元体与井壁接触刚度系数，b表示阻尼系数；
在运动状态条件下的所述动力学平衡方程包括：
其中，ε表示钻具组合微元体偏离距离与井眼半径的比值。
6.如权利要求1所述的井下钻具横向振动评估方法，其特征在于，
所述刚度传递矩阵B为：
其中，L表示钻具组合微元体的长度，p表示钻具组合微元体收到的轴向应力，E表示杨氏模量，I表示惯性矩，
7.如权利要求1所述的井下钻具横向振动评估方法，其特征在于，
所述欧拉伯努利方程为：
E表示杨氏模量，I表示惯性矩，p表示钻具组合微元体收到的轴向应力，y表示钻具组合微元体相对于井眼轴线的位移，x表示钻具组合微元体相对于钻头的位移。
8.如权利要求1所述的井下钻具横向振动评估方法，其特征在于，
所述横向振动强度量化评估指数LSE为：
其中，N表示钻具组合中扶正器的数量，V表示扶正器处的剪切应力。
9.一种井下钻具横向振动控制方法，其特征在于，包括：
在钻具组合发生横向振动的情况下，将初始钻具转速按设定比例降低至第一钻具转速，并将初始钻具钻压按所述设定比例提高至第一钻具钻压；
在钻具组合继续横向振动的情况下，将所述第一钻具转速按所述设定比例降低第二钻具转速，并将所述第一钻具钻压按所述设定比例提高至第二钻具钻压，直至所述第二钻具钻压超过极限转压；
将钻具组合提离井底以释放钻柱扭矩，在所述第二钻具转速下重新钻进，钻具钻压增加至所述第一钻具钻压，将钻具转速增加至所述初始钻具转速；
在钻具组合恢复横向振动的情况下，将钻具组合再次提离井底以释放钻柱扭矩，在所述第二钻具转速下再次重新钻进，钻具钻压再次增加至所述第一钻具钻压，将钻具转速增加至第三钻具转速；所述第三钻具转速相对于所述初始钻具转速增加比例大于所述设定比例；
其中，钻具组合的横向振动的情况是利用如权利要求1至8任一项所述的井下钻具横向振动评估方法实时评估得到。
10.一种井下钻具横向振动评估装置，其特征在于，包括：
方程建立单元，用于：基于牛顿运动微分方程，建立钻具组合微元体的动力学平衡方程；建立所述钻具组合微元体的欧拉伯努利方程；
质量及刚度传递矩阵生成单元，用于：根据所述动力学平衡方程求解得到所述钻具组合微元体的质量传递矩阵；根据所述欧拉伯努利方程求解得到所述钻具组合微元体的刚度传递矩阵；
总传递矩阵生成单元，用于：利用所述质量传递矩阵和所述刚度传递矩阵计算得到所述钻具组合微元体的总传递矩阵；
状态向量生成单元，用于：利用所述总传递矩阵和钻头处状态向量计算得到所述钻具组合微元体的状态向量；所述钻头处状态向量的元素包含剪切应力；
横向强度评估单元，用于：利用钻具组合中扶正器处的所述钻具组合微元体的状态向量计算得到钻具组合的横向振动强度量化评估指数，并利用所述横向振动强度量化评估指数实时评估钻具组合的横向强度。
11.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1至9所述方法的步骤。
12.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至9所述方法的步骤。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110673469A (zh) * 2019-07-23 2020-01-10 华南理工大学 一种基于反步迭代学习的欧拉-伯努利梁的振动控制方法
CN113591178A (zh) * 2021-07-07 2021-11-02 南京航空航天大学 变高度非对称梁纵-弯耦合振动的动力学建模方法
CN114705289A (zh) * 2022-04-13 2022-07-05 中国石油天然气集团有限公司 随钻钻具振动测量方法及系统和设备

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102687041A (zh) * 2009-08-07 2012-09-19 埃克森美孚上游研究公司 根据地面测量估计井下钻探振动指标的方法
CN105401935A (zh) * 2015-11-30 2016-03-16 中国石油天然气集团公司 一种钻井钻压计算方法、装置及钻压指示设备
CN107038142A (zh) * 2016-11-10 2017-08-11 江苏师范大学 一种阶梯梁弯曲振动一阶固有圆频率的计算方法
EP3236384A1 (en) * 2008-11-21 2017-10-25 Exxonmobil Upstream Research Company Methods and systems for modeling, designing, and conducting drilling operations that consider vibrations

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3236384A1 (en) * 2008-11-21 2017-10-25 Exxonmobil Upstream Research Company Methods and systems for modeling, designing, and conducting drilling operations that consider vibrations
CN102687041A (zh) * 2009-08-07 2012-09-19 埃克森美孚上游研究公司 根据地面测量估计井下钻探振动指标的方法
CN105401935A (zh) * 2015-11-30 2016-03-16 中国石油天然气集团公司 一种钻井钻压计算方法、装置及钻压指示设备
CN107038142A (zh) * 2016-11-10 2017-08-11 江苏师范大学 一种阶梯梁弯曲振动一阶固有圆频率的计算方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
韩加庚等: "基于地表数据的井下振动识别与控制", 《石油钻采工艺》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110673469A (zh) * 2019-07-23 2020-01-10 华南理工大学 一种基于反步迭代学习的欧拉-伯努利梁的振动控制方法
CN110673469B (zh) * 2019-07-23 2021-04-02 华南理工大学 一种基于反步迭代学习的欧拉-伯努利梁的振动控制方法
CN113591178A (zh) * 2021-07-07 2021-11-02 南京航空航天大学 变高度非对称梁纵-弯耦合振动的动力学建模方法
CN113591178B (zh) * 2021-07-07 2024-03-29 南京航空航天大学 变高度非对称梁纵-弯耦合振动的动力学建模方法
CN114705289A (zh) * 2022-04-13 2022-07-05 中国石油天然气集团有限公司 随钻钻具振动测量方法及系统和设备

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