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三维弯曲井眼中管柱摩阻扭矩的实验研究

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第一章 绪 论

1.1 研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状分析

1.2.1 国外三维弯曲井眼中管柱摩阻扭矩研究现状

1.2.2 国内三维弯曲井眼中管柱摩阻扭矩研究现状

1.2.3 管柱摩阻扭矩的实验研究现状

1.3 研究内容与研究方法

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第二章 摩阻扭矩理论研究

2.1 软模型

2.2 纵横弯曲梁模型

2.3 弹性杆模型

2.4 本章小结

第三章 室内实验方案设计

3.1 实验装置组成

3.1.1 整体结构

3.1.2 组成部分

3.1.3 实验装置的特点

3.2 实验方案

3.3 实验步骤

3.4 本章小结

第四章 实验数据分析

4.1 典型实验结果

4.2 摩阻扭矩的影响因素分析

4.2.1 井眼曲率半径的影响

4.2.2 井眼扭转角的影响

4.2.3 模拟扶正器的影响

4.2.4 不同模拟工况的影响

4.3 理论模型的评价与优选

4.3.1 井筒曲率半径为5m

4.3.2 井筒曲率半径为4m

4.3.3 井筒曲率半径为3m

4.4 模拟钻柱断裂分析

4.5 Matlab编程介绍

4.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间获得的学术成果

致谢

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摘要

近年来,水平井、定向井得到快速发展,管柱的摩阻扭矩却成为阻碍其发展的关键问题之一。当前计算管柱摩阻扭矩的理论模型众多,却彼此之间存在差异,并且没有经过实验的验证。如何根据实际情况选择一种适应性强,计算精度高的理论模型是当前工作的重点。 本文设计并建立了三维弯曲井眼中管柱力学实验研究装置,对管柱的摩阻扭矩进行了实验研究。该实验装置可以改变模拟井筒参数,包括曲率半径和扭转角,可以模拟有扶正器和无扶正器的钻柱,也可以模拟下钻、起钻、旋转钻进和离底旋转等不同工况。 研究结果表明:三维弯曲井眼中管柱的摩阻力相对恒定,但在一定范围内呈小幅振动;摩扭矩围绕某一值呈周期性波动,其波动周期与模拟钻柱的旋转周期一致;在影响管柱摩阻扭矩的因素中,井眼的曲率越大时,钻柱的摩阻力和摩扭矩越大;相同条件下,井眼的扭转角度越大,模拟钻柱的摩阻力和摩扭矩越大;模拟扶正器的使用会增大钻柱的摩阻力和摩扭矩;不同的模拟工况下,钻柱的摩阻力和摩扭矩不同,模拟下钻和起钻时,钻柱的摩阻力基本相同,但均大于旋转钻进时钻柱的摩阻力;离底旋转时钻柱摩扭矩大于旋转钻进时的摩扭矩;经过与实验结果对比分析得到,不同的摩阻扭矩理论模型计算精确度不同,软模型在各种工况下计算所得的摩阻力和摩扭矩均小于实测数值,并且相差很大;除在模拟旋转钻进时其摩阻力与实测值相当,在其他工况下,纵横弯曲梁模型的计算所得摩扭矩均小于实测数值,计算所得的摩阻力均大于实测值;弹性杆模型计算所得的摩阻力和摩扭矩在不同的工况下均与实测数值比较接近;当减小钻柱的抗弯刚度或者减小井眼曲率时,软模型、纵横弯曲梁模型和弹性杆模型的计算结果趋向于一致;实验发现弯曲井眼中靠近井眼端部的位置存在两处管柱的薄弱环节,为管柱的设计、选择和强度校核提供了参考。

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