Study on the dynamic behavior of articulated flexible drilling tools in wellbore based on semi-implicit method
本研究提出了一种半隐式数值方法来模拟井中铰接柔性钻具的非线性动力学行为和接触特性，揭示了轴向力在抑制横向振荡的同时会增大碰撞力，从而为超短半径水平井的安全钻井和减振设计提供了理论见解。
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在深层地下，地壳中蕴藏着古老的石油和天然气资源，工程师们面临着一个独特的挑战：如何触及那些隐藏在岩层之下的石油，而不仅仅是钻一个垂直的直孔。有时，最高效的路径并非直向下钻，而是向侧面进行一个尖锐且紧凑的转向，这种操作被称为超短半径水平井。为了在这些紧凑的曲线中导航，钻井人员使用一种特殊的工具，它看起来不像刚性的金属杆，更像是一个机械脊柱。该工具由许多通过球窝关节连接在一起的短而坚硬的节段组成，使其能够随着钻井路径的弯曲而弯曲和伸展。然而，这种灵活性也是一把双刃剑。虽然它允许工具转向，但松动的关节和细长的结构使其容易发生剧烈抖动，并与正在钻削的孔壁发生猛烈撞击。如果这些运动得不到理解和控制，工具可能会损坏，井路径可能会偏离航向，或者钻井过程会变得极其低效且危险。
为了解决这个问题，中国东北石油大学的一个研究团队致力于研究这些柔性工具在深井中旋转、推进和扭转时的具体行为。他们专注于一种特定的工具，该工具包括一根柔性钻杆和一根带有开槽的导向管。研究人员知道，该工具并不仅仅是平滑移动；它会以复杂且难以预测的方式自我碰撞以及与岩壁发生碰撞。为了在不实际钻井的情况下观察其内部情况，他们建立了一个详细的数字模型。该模型将工具视为一个由许多连接部件组成的系统，计算每一个节段如何运动、关节如何约束它们，以及工具在撞击井壁时如何反弹。他们开发了一种新的计算方法，这种方法可以处理通常会导致计算机模拟崩溃或产生错误结果的突然剧烈冲击。通过使用这种方法，他们能够观察虚拟工具的运行过程，观察它是如何振动以及在哪里撞击得最重。
模拟实验揭示了该工具行为的清晰图景。当工具钻进时，柔性内管在外部导向管内部移动，产生一种节奏性的、跳动式的运动。内管反复撞击导向管，就像摆锤来回摆动一样，但其力量足以产生显著的应力。与此同时，外部导向管则挤压着井壁。研究人员发现，工具并非仅仅是随机振动；在几秒钟后，它会进入一种稳定的运动模式，以一种可预测的方式进行振荡。其中最重要的发现之一是，从顶部施加的力是如何改变这种行为的。当钻井人员加大向下施压的力度时，外管的左右晃动实际上会减少。额外的重量起到了稳定器的作用，将工具更牢固地固定在原位。然而，这种稳定性是有代价的。虽然工具的移动幅度减小了，但其撞击井壁的力量却变得更加强大。向下施压越重，工具撞击岩石就越猛烈，这增加了设备磨损的风险。
研究还观察了工具的旋转速度。令人惊讶的是，改变旋转速度并不会显著改变工具左右摆动的幅度。无论工具转得快还是慢，其运动范围都保持相对稳定。然而，速度确实会影响运动的性质。当工具旋转速度加快时，它开始更频繁地振荡，即每秒钟来回摆动的次数更多。这种快速的抖动转化为钻头指向方向更频繁的变化，这可能会使保持井路径在预定轨道上变得更加困难。研究人员还发现，工具会产生一个持续的力，试图减小井的角度，从而帮助其转向，但同时也会产生一个较小的力，试图改变钻孔的方位角。
这些发现为钻井现场的工作人员提供了实用的指导。研究表明，虽然增加对工具的向下压力有助于保持其稳定并防止其过度偏移中心，但钻井人员必须小心，不要施加过大的压力，因为这会增加损坏工具和井壁的冲击力。同样，虽然加快旋转速度不会使工具摆动幅度变大，但它会让抖动变得更加频繁，这可能会使控制井路径的方向变得更加复杂。通过理解这些动态行为，工程师可以更好地设计钻机并选择合适的运行参数，以确保这些柔性工具能够安全、高效地穿越最紧凑的转向，从而帮助开发那些此前难以触及的石油储量。
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