钻井系统动力学仿真研究及应用

　　序
　　前言
　　第一章 绪论
　　§1.1 钻井系统概述
　　§1.2 钻井系统动力学概述
　　参考文献
　　第二章 钻柱几何非线性动力学研究
　　§2.1 直井段钻柱几何非线性动力学分析
　　2.1.1 基本假设
　　2.1.2 钻柱系统动力学的直线梁格式
　　2.1.3 直线梁位移函数
　　2.1.4 直线梁钻柱单元刚度矩阵
　　2.1.5 直线梁钻柱单元质量矩阵
　　2.1.6 直线梁钻柱单元阻尼矩阵
　　2.1.7 直线梁钻柱单元组集整体矩阵
　　2.1.8 直线梁钻柱的三维坐标转换
　　§2.2 曲井段钻柱几何非线性动力学分析
　　2.2.1 曲线梁位移函数
　　2.2.2 钻柱系统动力学的曲线梁格式
　　2.2.3 曲线梁钻柱单元刚度矩阵
　　2.2.4 曲线梁钻柱单元质量矩阵和阻尼矩阵
　　参考文献
　　第三章 钻柱参考构形及初始问题研究
　　§3.1 基于数学描述的钻柱参考构形分析
　　3.1.1 钻柱参考构形问题描述
　　3.1.2 钻柱参考构形轴线位置坐标插值函数
　　3.1.3 钻柱参考构形轴线位置坐标的导函数
　　3.1.4 钻柱参考构形轴线的曲率和挠率
　　§3.2 基于数学描述的钻柱初始问题分析
　　3.2.1 初位移的计算
　　3.2.2 单兀畸变的计算
　　3.2.3 单元内初始内力的等效节点力
　　参考文献
　　第四章 井眼内钻柱与井壁接触非线性动力学研究
　　§4.1 钻柱接触碰撞非线性动力学分析
　　4.1.1 接触碰撞非线性问题
　　4.1.2 钻柱与井壁接触碰撞定解条件
　　4.1.3 接触非线性动力学有限元格式
　　§4.2 基于元胞自动机的钻柱非线性动力学研究
　　4.2.1 元胞自动机基本理论
　　4.2.2 基于元胞自动机的钻柱非线性动力学求解方法
　　4.2.3 元胞自动机计算实例
　　参考文献
　　第五章 基于钻柱动力学气体钻井防斜技术研究
　　§5.1 气体钻井井斜机理分析
　　§5.2 气体钻井防斜技术
　　§5.3 气体钻井下部钻具组合有限元分析
　　5.3.1 气体钻井中钻柱动力学的有限元分析
　　5.3.2 气体钻井中下部钻具组合动力学分析
　　§5.4 气体钻井钻柱动力学特性仿真结果分析
　　参考文献
　　第六章 小井眼侧钻水平井钻柱动力学分析
　　§6.1 钻柱摩阻模型建立
　　6.1.1 基本假设与坐标系的建立
　　6.1.2 建立模型
　　6.1.3 旋转钻进状态时的摩阻模型
　　6.1.4 复合运动摩阻系数的确定
　　6.1.5 黏滞力数学模型
　　§6.2 小井眼侧钻水平井钻柱动力学分析
　　6.2.1 钻柱系统动力学模型的建立
　　6.2.2 钻柱的外载荷
　　6.2.3 结构动力学非线性方程
　　6.2.4 钻柱与井壁接触的动力学模型
　　§6.3 动力学模型的边界条件
　　6.3.l 上端边界条件
　　6.3.2 下端边界条件
　　§6.4 小井眼侧钻水平井动力学评价系统软件
　　6.4.1 评价系统软件设计
　　6.4.2 各个模块功能说明
　　6.4.3 软件运行环境
　　§6.5 小井眼侧钻水平井钻柱仿真分析
　　6.5.l 小井眼侧钻水平井钻柱静力学仿真分析
　　6.5.2 小井眼侧钻水平井钻柱动力学仿真分析
　　参考文献
　　第七章 基于多自由度牙轮钻头动力学的井眼轨迹研究
　　§7.1 岩石物理力学性能试验研究
　　7.1.1 嘉陵江灰岩的物性描述
　　7.1.2 岩石抗拉强度测定
　　7.1.3 岩石单轴抗压强度试验
　　7.1.4 岩石三轴强度试验
　　7.1.5 岩石的硬度和塑性系数测定
　　7.1.6 岩石的可钻性测定
　　7.1.7 嘉一灰岩力学性能分析
　　§7.2 钻头破岩机理研究
　　7.2.1 分析破岩应力的理论基础
　　7.2.2 岩石在不同硬质合金镶齿压人时的应力分布
　　7.2.3 岩石在不同齿形压人时破碎的基本特点
　　§7.3 牙轮钻头几何模型
　　7.3.1 坐标系的建立
　　7.3.2 牙轮上任一点的几何学基本方程
　　7.3.3 牙轮结构仿真模型
　　§7.4 九自由度牙轮钻头动力学模型
　　7.4.1 三牙轮钻头动力学模型
　　7.4.2 接触齿受力模型
　　§7.5 井眼轨迹仿真模型
　　7.5.1 井底和井壁几何模型描述
　　7.5.2 钻头动坐标变换
　　7.5.3 钻头位移模型
　　§7.6 基于牙轮钻头动力学的井眼轨迹模拟
　　7.6.1 计算方法
　　7.6.2 仿真试验与结果分析
　　参考文献
　　第八章 基于小波分析的井眼轨迹预测模型
　　第九章 钻井系统动力学及井眼轨迹模拟研究
　　附录1 曲线梁形函数中非零元素表达式
　　附录2 常用小波函数的主要性质
　　附录3 仿真数据

　　刘清友，男，l965年10月出生于重庆开县。1986年毕业于西南石油大学矿机专业，随后留校任教。1991年获得重庆大学机械工程硕士学位，1997年获得西南石油大学博士学位，1999年完成了在重庆大学机械传动国家重点实验室的博士后研究工作。现担任西南石油大学研究生部主任，为西南石油大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室固定研究人员、学术骨干，教授．博士生导师。先后主持了国家863、国家支持计划、国家自然科学基金、教育部、三大石油公司和四川省等各类基金项目26项．其他各类研究项目30余项；已获得省部级科技进步一等奖2项、二等奖2项，三等奖3项：获得国家专利22项；开发了具有自主知识产权的专用仿真软件6套：发表论文l40余篇，其中被三大检索机构收录53篇：参加国际学术会议8次，大会特邀报告3次：撰写专著3部，先后获得“新世纪百千万人才工程”国家级人选、“国务院政府津贴专家”、“四川省学术和技术带头人”、”四川省科技创新优秀人才奖”、“四川省有突出贡献的优秀专家”、“孙越崎科技教育基金第十一届能源科学技术奖青年科技奖”、四川省第六届“高校十佳青年教师”、“四川省青年科技奖”等荣誉称号。
　　孟庆华，女，1975年11月出生于黑龙江省，博士。2004年获得哈尔滨师范大学理学专业硕士学位，2007年获得东北林业大学机电工程学院工学博士学位。目前正在西南石油大学石油与天然气工程科研流动站从事博士后研究工作．主要从事系统动态性能分析与数值模拟方面科研工作。参与科研课题7项．其中国家级科研课题3项，省部级科研课题4项。

　　构建了包括钻井系统动力学建模、钻头及钻柱动静态特性分析、钻柱与井壁接触问题、井眼轨迹预测与控制问题等内容的钻井系统动力学行为理论体系；分别建立了基于钻柱、BHA、钻头、井底岩石、井壁等相互作用下的钻井系统动力学模型、钻头在钻井过程中的位移模型和井眼轨迹预测模型等，并根据所建多重数学模型，开展了确定性与随机性、连续变量与离散变量耦合作用的大型非线性系统的数值求解方法研究；结合工程的应用阐述了与钻井系统密切相关的优化设计理论和防斜控制技术，以及自行研发的仿真分析软件。
　　《钻井系统动力学仿真研究及应用》可作为石油高等院校研究生教材，也可作为石油工程、机械设计、应用力学和计算机科学等专业领域的工程技术人员的参考资料。