一种深水弃井切割工具施工参数选择方法

摘要

本发明涉及一种深水弃井切割工具施工参数选择方法，其包括以下步骤：1)根据现场深水弃井切割工具的实际情况建立力学模型；2)根据弃井切割工具力学模型建立平面坐标系；3)根据弃井作业现场工作情况，为弃井切割工具的力学模型设定边界条件；4)根据上述步骤所得到的方程，进一步得到弃井切割工具在受到径向支反力作用下的挠曲方程；5)在根据弃井切割工具力学模型得到的挠曲方程的基础上，采用瑞雷方法求解，得到弃井切割工具的基频方程和钻柱谐振转速；6)避开步骤5)得到的谐振转速，确定深水弃井切割工具施工参数。本发明与现有技术相比，工作中可以根据现场条件选择切割参数有效避开谐振转速，以便避免谐振对切割工具造成的损坏，有效地提高了工作效率，降低了昂贵的海上深水钻井费用。

主权项

一种深水弃井切割工具施工参数选择方法，其包括以下步骤：1)根据现场深水弃井切割工具的实际情况建立力学模型：将钻柱假设为力学模型中的一个梁，将两稳定器假设为力学模型中的两个支点A、B，两所述稳定器之间的钻铤长度为l_B；假设水力割刀在切割套管时张开角度为α，其受到的作用力为钻压P和所述套管内壁的径向支反力N，二者关系式为：$N=\frac{P}{\mathrm{tg\alpha }};$在径向支反力N的作用下所述支点A和所述支点B受力方程为：$\begin{array}{cc}\Sigma M_A=0& R_B{l}_B=\mathrm{Nd}\Rightarrow R_B=\frac{\mathrm{Nd}}{l_B};\end{array}$$\begin{array}{cc}\Sigma M_B=0& R_A{l}_B=\mathrm{Nb}\Rightarrow R_A=\frac{\mathrm{Nb}}{l_B};\end{array}$式中，M_A为所述支点A处力矩、M_B为所述支点B处力矩，R_A为所述支点A处支座反力、R_B为所述支点B处支座反力，b为所述水力割刀到所述支点B的距离，d为所述水力割刀到所述支点A的距离；2)根据力学模型建立平面坐标系，并确定外伸梁的变形情况：假设所述支点A为坐标原点，所述支点B位于x轴正方向上，所述支点B的外伸端为所述外伸梁，所述外伸梁的端点为E；得到在受到径向支反力N的作用下所述外伸梁的变形情况，分为以下三种情况：当0≦X≦d时，${\mathrm{EJy}}_1=\frac{{\mathrm{NbX}}^3}{{6l}_B}+C_{1}X+D_1;$当d≦X≦l_B时，${\mathrm{EJy}}_2=\frac{{\mathrm{NbX}}^3}{{6l}_B}-\frac{N{(X-d)}^3}{6}+C_{2}X+D_2;$当l_B≦X≦l_C时，${\mathrm{EJy}}_3=\frac{{\mathrm{NbX}}^3}{{6l}_B}+\frac{\mathrm{Nd}{(X-l_B)}^3}{{6l}_B}-\frac{N{(X-d)}^3}{6}+C_{3}X+D_3;$式中，X为距坐标原点的距离，E为杨氏模量，J为极惯性矩，y₁、y₂、y₃为所述外伸梁的变形量，C₁、C₂、C₃、D₁、D₂、D₃为积分常数；3)根据现场情况，为力学模型设定边界条件，并利用边界条件确定积分常数：其中，设定边界条件为：当X＝0时，y₁＝0；当X＝l_B时，y₂＝0；当X＝l_B时，y₂′＝y₃′；当X＝l_B时，y²＝y³；当X＝d时，y₂′＝y₃′；当X＝d时，y₁＝y₂；根据上述边界条件，即确定积分常数：$C_1=C_2=C_3=\frac{\mathrm{Nb}}{{6l}_B}(b^2-{l_B}^2);$D₁＝D₂＝D₃＝0；4)根据上述步骤得到深水弃井切割工具在径向支反力N作用下三种情况下的挠曲方程：当0≦X≦d，${\mathrm{EJy}}_1=\frac{{\mathrm{NX}}^3}{10}+\frac{{\mathrm{Nl}}_B}{10}(\frac{9}{25}-1)=\frac{N}{10}(X^3-\frac{16}{25}{l_B}^2);$当d≦X≦l_B，${\mathrm{EJy}}_2=\frac{N}{30}[{3X}^3-5{(X-\frac{2}{5}{l}_B)}^3-\frac{{{48}_B}^2}{25}];$当l_B≦X≦l_C，$\mathrm{EJy}=\frac{N}{5}[\frac{X^3}{2}+\frac{1}{{3l}_B}{(X-l_B)}^3-\frac{1}{6}(5X-{2l}_B)-\frac{8}{25}{l_B}^2];$5)将各挠曲方程代入瑞雷方程：${\omega }^2=\frac{g\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{W}_i{y}_i}{\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{W}_i{y_i}^2};$得到深水弃井切割工具的基频方程，即所述钻柱的固有频率表达式为：$\omega =\sqrt{\frac{30\mathrm{EJg}[\frac{W_1{l}_B}{5}(\frac{24}{25}{l}_B-16)-W_2(\frac{63}{5}{l}_B+\frac{3}{8})]}{{\mathrm{Nl}}_B[\frac{W_1{l_B}^2}{25}{(\frac{24}{25}{l}_B-16)}^2+W_2{(\frac{63}{5}{l}_B+\frac{3}{8})}^2]}};$式中，W_i为所述梁的重量，W₁为l_B段所述梁的重量，W₂为所述外伸梁的重量，y_i为所述外伸梁的变形量，g为重力加速度；将所述钻柱的固有频率ω转换成所述钻柱的谐振转速N_n：$N_n=\frac{30\omega }{\pi };$6)避开步骤5)得到的谐振转速，确定深水弃井切割工具的施工参数：将现场实际的深水弃井切割工具施工参数代入深水弃井切割工具的基频方程和钻柱谐振转速公式，只要能够避开步骤5)得到的谐振转速，即能够确定施工参数的选择结果。