[发明专利]基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测方法

说明书

本发明公开了一种基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测方法，涉及油气开发技术领域，包括以下步骤：S1：建立坐标轴，获得每一所述单元的底部钻具组合位移向量形式；S2：根据拉格朗日方程，获得钻柱动力学模型；S3：获得所述钻具组合与井壁接触时的受力模型；S4：离散求解每一所述单元的钻柱动力学模型，并根据所述受力模型得到所述底部钻具组合的等效应力；S5：得到所述底部钻具组合的疲劳寿命。本发明考虑底部钻具组合在负荷状态下的动态振动特性，建立了基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测模型，使计算得到预测疲劳寿命有效性更好。

技术领域

本发明涉及石油和天然气开发技术领域，特别涉及一种基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测方法。

背景技术

钻机下部钻柱，通常由底部钻具组合(BHA)、加重钻杆(HWDP)和钻杆组成，其中底部钻具组合是指离钻头100～500m的钻柱，这部分的钻柱主要由钻铤、加重钻杆和其他辅助工具组成。在负荷运行过程中，底部钻具组合受到轴向和横向载荷、扭矩、压力、摩擦力和粘滞阻力的共同作用，同时还受到井壁的约束。

在油气井钻井施工中底部钻具组合是最容易产生故障及损坏的部分，底部钻具组合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。钻具在工况条件恶劣而且受力复杂的条件下，收到受到磨损、腐蚀以及非正常破坏时会加速底部钻具组合的断裂、刺漏失效，钻具所处的工况条件，地质条件等因素的影响使底部钻具组合的疲劳寿命难以预测，导致在设计钻井工艺及施工进程找那个难以有效控制底部钻具组合的疲劳寿命。

为了解决上述问题，研究人员对底部钻具组合的疲劳寿命预测主要集中在两个方面，一是钻具材料，二是钻具的动力学特性，目前这两种方式在预测底部钻具组合的疲劳寿命时均是建立在底部钻具组合处于一种或几种平衡状态的受力假设情况下。但由于底部钻具组合在负荷运转的过程中，底部钻具组合时刻处于运动状态，其运动状态时刻发生变化，所受到的力也时刻发生改变，所以采用稳定平衡的状态来进行疲劳寿命预测很难保证结果的有效性，其与底部钻具组合的实际负荷情况可能相聚甚远。

发明内容

本申请的目的在于现有技术中预测底部钻具组合疲劳寿命的方法结果有效性不高的问题，提供一种基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测方法，考虑底部钻具组合在负荷状态下的动态振动特性，建立了基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测模型，使计算得到预测疲劳寿命有效性更好。

为了实现上述发明目的，本申请提供了以下技术方案：基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测方法，包括以下步骤：

S1：将目标井的底部钻具组合沿井眼轴线分为若干单元，并以目标井的井眼轴线向为Z轴、以正东方向为X轴、以正南方向为Y轴，建立坐标轴，获得每一所述单元的底部钻具组合位移向量方程式；

S2：根据拉格朗日方程，获得所述底部钻具组合的钻柱动力学模型；

S3：假设所述目标井井壁为刚性、所述底部钻具组合和所述目标井井壁随机接触，获得所述底部钻具组合与井壁接触时的受力模型；

S4：设定所述底部钻具组合和边界条件，并将所述底部钻具组合位移向量方程式带入所述钻柱动力学模型，离散求解每一所述单元的钻柱动力学模型，并根据所述受力模型得到所述底部钻具组合的等效应力；

S5：设定所述底部钻具组合的初始条件，并根据Walker模型和所述底部钻具组合的等效应力得到所述底部钻具组合的疲劳寿命。

进一步地，每一所述单元的底部钻具组合位移向量方程式为：