钻具组合结构优化配置方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种钻具组合结构优化配置方法及装置，包括：基于欧拉伯努利理论，建立钻具组合微元体在至少一种状态条件下的受力平衡方程；通过求解各所述受力平衡方程，得到所述钻具组合微元体在相应状态条件下的状态矢量传递矩阵；根据钻头处状态矢量和各所述状态矢量传递矩阵，计算得到所述钻具组合微元体在相应状态条件下的状态矢量；所述钻头处状态矢量的元素包括横向位移、偏移角、弯矩及剪切应力中的一个或多个；根据所有所述状态条件下的所述状态矢量计算得到所述钻具组合微元体的总状态矢量，并根据所述总状态矢量的元素优化配置所述钻具组合微元体所属钻具组合的结构。本发明专利技术能够降低钻具组合发生横向振动的风险。

【技术实现步骤摘要】
钻具组合结构优化配置方法及装置
本专利技术涉及勘探
，尤其涉及一种钻具组合结构优化配置方法及装置。
技术介绍
钻进过程中，当钻柱在井内以一定转速按顺时针方向绕自身轴线旋转时，在压力、拉力、离心力和扭矩的联合作用下，扶正器、钻杆接头等在小环隙时将不规则地跳离井壁，这种接触方式产生的摩擦力会诱发一定位移振幅的BHA(钻具组合)横向振动，即多支点自激横振。其主要的表现特征是BHA自转的同时也会绕井眼中心线公转，称之为涡动(whirl)；随着横振频率的增加，BHA甚至会按逆时针方向绕井的轴线旋转，发生反转涡动(backwhirl)，如图1a至图1c所示，其中，图1a为模拟钻具组合旋转的示意图，图1b为按顺时针绕井轴线涡动的示意图，图1c为按逆时针绕井轴线涡动的示意图。反转运动产生的高频幅交变应力波沿整个BHA向井口传递且逐渐衰减，因此地表很难察觉，但对BHA的各构成单元会产生致命的破坏。
技术实现思路
本专利技术提供一种钻具组合结构优化配置方法及装置，以降低钻具组合发生横向振动的风险。本专利技术实施例提供一种钻具组合结构优化配置方法，包括：基于欧拉伯努利理论，建立钻具组合微元体在至少一种状态条件下的受力平衡方程；通过求解各所述受力平衡方程，得到所述钻具组合微元体在相应状态条件下的状态矢量传递矩阵；根据钻头处状态矢量和各所述状态矢量传递矩阵，计算得到所述钻具组合微元体在相应状态条件下的状态矢量；所述钻头处状态矢量的元素包括横向位移、偏移角、弯矩及剪切应力中的一个或多个；根据所有所述状态条件下的所述状态矢量计算得到所述钻具组合微元体的总状态矢量，并根据所述总状态矢量的元素优化配置所述钻具组合微元体所属钻具组合的结构。本专利技术实施例还提供一种钻具组合结构优化配置装置，包括：受力平衡方程建立单元，用于：基于欧拉伯努利理论，建立钻具组合微元体在至少一种状态条件下的受力平衡方程；状态矢量传递矩阵生成单元，用于：通过求解各所述受力平衡方程，得到所述钻具组合微元体在相应状态条件下的状态矢量传递矩阵；状态矢量生成单元，用于：根据钻头处状态矢量和各所述状态矢量传递矩阵，计算得到所述钻具组合微元体在相应状态条件下的状态矢量；所述钻头处状态矢量的元素包括横向位移、偏移角、弯矩及剪切应力中的一个或多个；钻具组合优化单元，用于：根据所有所述状态条件下的所述状态矢量计算得到所述钻具组合微元体的总状态矢量，并根据所述总状态矢量的元素优化配置所述钻具组合微元体所属钻具组合的结构。本专利技术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实施例所述方法的步骤。本专利技术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。本专利技术实施例的钻具组合结构优化配置方法、钻具组合结构优化配置装置、计算机可读存储介质及计算机设备，通过欧拉伯努利理论建立受力平衡方程，并根据该受力平衡方程得到钻具组合微元体的总状态矢量传递矩阵，通过该总状态矢量传递矩阵可以在钻井前对外激励条件下的不同配置的钻具组合的微元体分布进行受力分析，并模拟计算微元体的横向位移、偏移角、弯矩及剪切应力，以此能够量化评估不同配置钻具组合发生横向振动的风险，优化钻具组合的配置，从而提高破岩效率及降低钻具疲劳受损。附图说明为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施例，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1a为模拟钻具组合旋转的示意图；图1b为按顺时针绕井轴线涡动的示意图；图1c为按逆时针绕井轴线涡动的示意图；图2是本专利技术一实施例的钻具组合结构优化配置方法的流程示意图；图3是利用本专利技术方法得到的不同配置BHA结构的计算分析结果曲线图；图4是本专利技术一实施例的钻具组合结构优化配置装置的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本专利技术实施例做进一步详细说明。在此，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。图2是本专利技术一实施例的钻具组合结构优化配置方法的流程示意图。如图2所示，本实施例的钻具组合结构优化配置方法，可包括：步骤S110：基于欧拉伯努利理论，建立钻具组合微元体在至少一种状态条件下的受力平衡方程。该钻具组合微元体可以是钻具组合上的任一点处的一个微元体，可以以钻头处的微元体作为首个微元体。该至少一种状态条件可以包括静态状态和动态状态中至少一个。不同状态条件下的受力平衡方程可不同。各种状态条件下的受力平衡方程可包含钻具组合的参数，例如，钻具组合杆件的杨氏弹性模量、钻具组合的惯性矩、钻具组合杆体受到的轴向应力等。各种状态条件下的受力平衡方程可以包含钻具组合微元体的重量。各种状态条件下的受力平衡方程可以包含钻具组合微元体相对于井轴线的位移变量和钻具组合微元体相对于钻头的位移变量。静态状态条件下的受力平衡方程可以包含表示钻具组合微元体相对于井轴线的倾角。动态状态条件下的受力平衡方程可以包含外激励频率。步骤S120：通过求解各所述受力平衡方程，得到所述钻具组合微元体在相应状态条件下的状态矢量传递矩阵。通过求解所述在静态状态条件下的受力平衡方程可以得到所述钻具组合微元体在静态状态条件下的状态矢量传递矩阵；通过求解所述在动态状态条件下的受力平衡方程可以得到所述钻具组合微元体在动态状态条件下的状态矢量传递矩阵。具体实施例中，可以先求受力平衡方程的特征根，然后依据钻头处状态矢量的向量形式、受力平衡方程、以及钻具组合微元体用钻头处状态矢量表示的状态矢量的表达式推出状态矢量传递矩阵。步骤S130：根据钻头处状态矢量和各所述状态矢量传递矩阵，计算得到所述钻具组合微元体在相应状态条件下的状态矢量；所述钻头处状态矢量的元素包括横向位移、偏移角、弯矩及剪切应力中的一个或多个。根据钻头处状态矢量和所述在静态状态条件下的状态矢量传递矩阵可以计算得到所述钻具组合微元体在静态状态条件下的状态矢量；根据所述钻头处状态矢量和所述在动态状态条件下的状态矢量传递矩阵可以计算得到所述钻具组合微元体在动态状态条件下的状态矢量。实施例中，通过将每个状态矢量传递矩阵和钻头处状态矢量相乘可以到相应的钻具组合微元体的状态矢量。该钻头处状态矢量可以是由横向位移、偏移角、弯矩、剪切应力及常量构成的五行一列的向量。步骤S140：根据所有所述状态条件下的所述状态矢量计算得到所述钻具组合微元体的总状态矢量，并根据所述总状态矢量的元素优化配置所述钻具组合微元体所属钻具组合的结构。当状态条件包含多个，例如包含静态状态和动态状态时，可将在静态状态条件下的状态矢量和在动态状态条件下的状态矢量进行线性叠加得到所述钻具组合微元体的总状态矢量。可以根据所述总状态矢量的元素优化配置所述钻具组合微元体所属钻具组合的结构。当钻头处状态矢量的元素包括横向位移、偏移角、弯矩及剪切应力时，总状态矢量的元素也包括横向位移、偏移角、弯矩及剪切应力，横向位移、偏移角、弯矩及剪切应力的值越小，可以判断钻具组合结构配置本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种钻具组合结构优化配置方法，其特征在于，包括：基于欧拉伯努利理论，建立钻具组合微元体在至少一种状态条件下的受力平衡方程；通过求解各所述受力平衡方程，得到所述钻具组合微元体在相应状态条件下的状态矢量传递矩阵；根据钻头处状态矢量和各所述状态矢量传递矩阵，计算得到所述钻具组合微元体在相应状态条件下的状态矢量；所述钻头处状态矢量的元素包括横向位移、偏移角、弯矩及剪切应力中的一个或多个；根据所有所述状态条件下的所述状态矢量计算得到所述钻具组合微元体的总状态矢量，并根据所述总状态矢量的元素优化配置所述钻具组合微元体所属钻具组合的结构。

【技术特征摘要】
1.一种钻具组合结构优化配置方法，其特征在于，包括：基于欧拉伯努利理论，建立钻具组合微元体在至少一种状态条件下的受力平衡方程；通过求解各所述受力平衡方程，得到所述钻具组合微元体在相应状态条件下的状态矢量传递矩阵；根据钻头处状态矢量和各所述状态矢量传递矩阵，计算得到所述钻具组合微元体在相应状态条件下的状态矢量；所述钻头处状态矢量的元素包括横向位移、偏移角、弯矩及剪切应力中的一个或多个；根据所有所述状态条件下的所述状态矢量计算得到所述钻具组合微元体的总状态矢量，并根据所述总状态矢量的元素优化配置所述钻具组合微元体所属钻具组合的结构。2.如权利要求1所述的钻具组合结构优化配置方法，其特征在于，所述至少一种状态条件包括：静态状态和动态状态。3.如权利要求2所述的钻具组合结构优化配置方法，其特征在于，根据所有所述状态条件下的所述状态矢量计算得到所述钻具组合微元体的总状态矢量，包括：根据静态状态条件下的所述状态矢量和动态状态条件下的所述状态矢量进行线性叠加得到所述钻具组合微元体的总状态矢量。4.如权利要求3所述的钻具组合结构优化配置方法，其特征在于，进行线性叠加的公式为：μ(x,t)＝μs(x)+μd(x)sin(ωt)，其中，μ(x,t)表示总状态矢量，x表示钻具组合微元体位置和t表示时间，μs(x)表示静态状态条件下的状态矢量，μd(x)表示动态状态条件下的状态矢量，ω表示外激励频率。5.如权利要求2所述的钻具组合结构优化配置方法，其特征在于，静态状态条件下的状态矢量传递矩阵TS为：其中，L表示钻具组合微元体的长度，λ1表示静态状态条件下的受力平衡方程的特征根，P表示钻具组合所受拉力，W表示钻具组合微元体的重量，表示钻具组合微元体与井眼轴线的夹角，E表示钻具组合杆件的杨氏弹性模量，I表示钻具组合的惯性矩；动态状态条件下的状态矢量传递矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔猛，葛云华，汪海阁，曹权，郭卫红，崔柳，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油集团工程技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11