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Artificial intelligence method for predicting the maximum stress of an off-center casing under non-uniform ground stress with support vector machine

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Science China(Technological Sciences) 2020年第12期63卷 2553-2561页

作者： di qinfeng WU ZhiHao CHEN Tao CHEN Feng WANG WenChang QIN GuangXu CHEN Wei Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics School of Mechanics and Engineering ScienceShanghai UniversityShanghai 200444China School of Computer Engineering and Science Shanghai UniversityShanghai 200444China School of Mechatronics Engineering and Automaton Shanghai UniversityShanghai 200444China

The situation of an off-center casing under non-uniform ground stress can occur in the process of drilling a salt-gypsum formation,and the related casing stress calculation has not yet been solved analytically. In addition,the experimental equipment in many cases cannot meet the actual conditions and the experimental cost is very high. These comprehensive factors cause the existing casing design to not meet the actual conditions and cause casing deformation,affecting the drilling operation in Tarim oil field. The finite element method is the only effective method to solve this problem at present,but the re-modelling process is time-consuming because of the changes in the parameters,such as the cement properties,casing centrality,and the casing size. In this article,an artificial intelligence method based on support vector machine(SVM) to predict the maximum stress of an offcenter casing under non-uniform ground stress has been proposed. After a program based on a radial basis function(RBF)-support vector regression(SVR)(ε-SVR) model was established and validated,we constructed a data sample with a capacity of 120 by using the finite element method,which could meet the demand of the nine-factor ε-SVR model to predict the maximum stress of the casing. The results showed that the artificial intelligence prediction method proposed in this manuscript had satisfactory prediction accuracy and could be effectively used to predict the maximum stress of an off-center casing under complex downhole conditions.

关键词： support vector machine maximum stress off-center casing non-uniform ground stress oil and gas wells

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Power-V诱导的钻柱黏滑振动特征分析

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上海大学学报（自然科学版） 2024年第2期30卷 299-307页

作者：王文昌段浩宇李宁王孝亮狄勤丰上海大学力学与工程科学学院上海200072 上海大学上海市应用数学和力学研究所上海200072 中国石油塔里木油田公司新疆库尔勒841000

黏滑是石油钻井过程中影响钻井效率和井下钻柱安全的一种振动形式.垂直钻井系统Power-V在提供有效控斜力的同时,还会诱导钻柱黏滑振动.通过研究垂直钻井系统Power-V与井壁的接触作用及钻头与地层的相互作用模型,基于钻柱动力学有限元方... 详细信息

黏滑是石油钻井过程中影响钻井效率和井下钻柱安全的一种振动形式.垂直钻井系统Power-V在提供有效控斜力的同时,还会诱导钻柱黏滑振动.通过研究垂直钻井系统Power-V与井壁的接触作用及钻头与地层的相互作用模型,基于钻柱动力学有限元方法,深入分析Power-V的作用机理,研究其对扭转振动的影响,指出Power-V和井壁间的相互作用会导致钻柱与井壁的摩阻显著增加,进而引起摩阻扭矩的增大,诱导井下黏滑振动.实测振动数据证实,Power-V与井壁间的相互作用是引起钻柱黏滑振动的关键因素.这对于揭示黏滑振动的成因和更好地发挥Power-V的作用具有重要意义.

关键词：黏滑振动钻柱动力学振动信号测量 Power-V

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特深井钻柱动力学特性模拟与分析

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石油钻探技术 2024年第2期52卷 108-117页

作者：狄勤丰尤明铭李田心周星杨赫源王文昌上海大学力学与工程科学学院上海200444

随着钻井深度不断增加,钻柱运动所涉及的力学问题变得更加复杂,钻柱动力学特性模拟及分析可为安全优质高效钻井提供支撑。为了探求特深井钻柱的运动特性,将钻柱运动的控制方程采用Newmark法对时间离散后,运用SOR节点迭代法,对每一时间... 详细信息

随着钻井深度不断增加,钻柱运动所涉及的力学问题变得更加复杂,钻柱动力学特性模拟及分析可为安全优质高效钻井提供支撑。为了探求特深井钻柱的运动特性,将钻柱运动的控制方程采用Newmark法对时间离散后,运用SOR节点迭代法,对每一时间步的钻柱整体构形进行求解,实现了总长超9000 m的钻柱动力学特性模拟,不仅给出了钻柱4个典型位置的涡动轨迹、涡动速度和横向加速度,还分析了钻柱的粘滑特性。分析结果表明,上部钻柱的涡动及粘滑现象不明显;随着位置下移,出现不规则涡动及不充分粘滑现象;近钻头位置的钻柱会出现较剧烈涡动,也会出现粘滑振动;中性点位置处钻柱的涡动最为剧烈、碰摩严重,可能给钻柱带来安全隐患。研究结果为特深井安全钻井提供了理论依据。

关键词：特深井钻柱动力学 SOR节点迭代法涡动粘滑

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钻柱动力学研究进展及发展趋势

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石油科学通报 2024年第2期9卷 224-239页

作者：狄勤丰杨赫源王文昌骆大坤张鹤陈锋上海大学力学与工程科学学院

钻柱动力学是安全、高效钻井的基础，许多研究人员对此进行了深入研究，成果累累。然而，钻柱具有超大长细比，工作环境恶劣，非线性特征显著，使得钻柱的安全性面临严峻挑战，这在超万米特深井中尤为突出。因此，把握钻柱动力学研究历... 详细信息

钻柱动力学是安全、高效钻井的基础，许多研究人员对此进行了深入研究，成果累累。然而，钻柱具有超大长细比，工作环境恶劣，非线性特征显著，使得钻柱的安全性面临严峻挑战，这在超万米特深井中尤为突出。因此，把握钻柱动力学研究历程，提炼钻柱动力学核心关键问题十分必要。本文在简要回顾3种基本钻柱振动形式的研究进展基础上，重点阐述了这3种基本振动的耦合振动的研究进展，详细讨论了粘滑和涡动这2种复杂振动的危害、形成机制、研究方法、测量技术和控制方法，并对近十年来备受关注的高频扭转振动(HFTO)的研究进展进行了归纳。现有研究成果表明，涡动是井下钻柱最易出现的一种复杂振动形式，包括向前、向后规则涡动和不规则涡动形式，且大都体现为不规则涡动。其中，反向涡动对钻柱的危害很大，不但会加剧钻具的疲劳破坏，而且会降低钻头的机械钻速。粘滑振动是另一种危害极大的复杂振动形式，其形成机制在于钻头与岩石之间的相互作用，并可用速度弱化效应进行很好描述；粘滑振动与涡动密切相关，粘滑振动中的滑脱阶段的最大转速可能达到地面转速的3倍以上，并伴随着剧烈的涡动。而振动频率远高于涡动和粘滑振动的高频扭转振动的危害不容忽视，但相关机理远未探明，迫切需要攻关研究。

关键词：钻柱动力学复杂振动测量技术实验方法仿真技术

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钛合金/钢钻杆复合钻柱动力学特性分析与优化设计

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中国石油大学学报（自然科学版） 2024年第3期48卷 75-83页

作者：陈锋宾国成刘志虎张建军郭文婷吴永清王文昌刘强狄勤丰上海大学机电工程与自动化学院上海200444 中国石油集团川庆钻探工程有限公司井下作业公司四川成都610213 中国石油集团测井有限公司长庆分公司陕西西安710201 上海大学力学与工程科学学院上海市应用数学和力学研究所上海200027 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室中国石油集团工程材料研究院有限公司陕西西安710077

钻井深度的持续增加使钻柱面临的载荷工况越来越严苛。钛合金具有密度小、屈服强度高和弹性模量低等特点,基于井口钻杆抗拉余量设计要求,设计3种钛合金/钢钻杆复合钻柱,即复合钻柱1(Φ101.6 mm钻杆段全段使用钛合金钻杆)、复合钻柱2(Φ1... 详细信息

钻井深度的持续增加使钻柱面临的载荷工况越来越严苛。钛合金具有密度小、屈服强度高和弹性模量低等特点,基于井口钻杆抗拉余量设计要求,设计3种钛合金/钢钻杆复合钻柱,即复合钻柱1(Φ101.6 mm钻杆段全段使用钛合金钻杆)、复合钻柱2(Φ101.6 mm钻杆上半段使用钛合金钻杆)和复合钻柱3(Φ101.6 mm钻杆下半段使用钛合金钻杆)。为了探究钛合金/钢钻杆复合钻柱(简称为复合钻柱)的动力学特性,基于Hamiton原理建立复合钻柱的动力学模型,并采用节点迭代法和Newmark-β法对模型进行求解,分析3种复合钻柱的涡动特征、动态应力和振动特性,并与常规钢钻柱进行比较。结果表明:钛合金钻杆的使用可有效减缓钻柱涡动速度、动态应力,其中复合钻柱3的涡动速度、动态应力最小;基于振动特征强度对钻井作业参数进行优化,形成复合钻柱3的钻井作业参数推荐图版并给出合理的施工参数范围。

关键词：钛合金钻杆复合钻柱超深井动力学特性钻井参数

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SDTK1井钻铤接头二次上扣特性分析与井下等效冲击扭矩预测

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石油勘探与开发 2024年第3期51卷 608-615页

作者：王春生明传中张豪陈家磊曲豪王文昌狄勤丰中国石油塔里木油田公司新疆库尔勒841000 上海大学上海市应用数学和力学研究所上海200072

基于8"(203.2mm)钻铤接头三维弹塑性有限元模型,分析复杂载荷条件下NC56钻铤接头内、外螺纹的受力特征和井下二次上扣特性,通过有限元分析,根据接头内、外螺纹台肩处相对偏移量计算井下等效冲击扭矩,形成井下等效冲击扭矩的预测模型,利... 详细信息

基于8"(203.2mm)钻铤接头三维弹塑性有限元模型,分析复杂载荷条件下NC56钻铤接头内、外螺纹的受力特征和井下二次上扣特性,通过有限元分析,根据接头内、外螺纹台肩处相对偏移量计算井下等效冲击扭矩,形成井下等效冲击扭矩的预测模型,利用塔里木盆地GT1井井下实测结果验证该模型正确性,并应用于中国第1口超万米特深井——深地塔科1井(SDTK1井)。结果表明:复杂载荷作用下钻铤接头应力分布不均匀,台肩处和靠近台肩的螺纹牙处vonMises应力水平相对较高;对于按API(美国石油学会)标准上扣的203.2mm钻铤接头,当井下等效冲击扭矩超过65 kN·m时,钻铤接头的上扣预紧平衡被打破,钻铤接头发生二次上扣;随井下等效冲击扭矩的增大,内、外螺纹台肩处相对偏移量增加。SDTK1井井下存在较大冲击扭矩,井下载荷环境复杂,需要采用双台肩钻铤接头以提高接头的抗冲击扭矩能力或优化作业参数来降低井下冲击扭矩,从而有效防止钻具失效。

关键词：深地塔科1井钻具螺纹接头二次上扣刻痕偏移量等效冲击扭矩

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Comparative study of two lattice Boltzmann multiphase models for simulating wetting phenomena: implementing static contact angles based on the geometric formulation

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Applied Mathematics and Mechanics(English Edition) 2018年第4期39卷 513-528页

作者： Feng YE qinfeng di Wenchang WANG Feng CHEN Huijuan CHEN Shuai HUA Shanghai Institute of Applied Mathematics and Mechanics Shanghai University Shanghai Key Laboratory of Mechanics in Energy Engineering Shanghai University

Wetting phenomena are widespread in nature and industrial applications. In general, systems concerning wetting phenomena are typical multicomponent/multiphase complex fluid systems. Simulating the behavior of such systems is important to both scientific research and practical applications. It is challenging due to the complexity of the phenomena and difficulties in choosing an appropriate numerical method. To provide some detailed guidelines for selecting a suitable multiphase lattice Boltzmann model, two kinds of lattice Boltzmann multiphase models, the modified S-C model and the H-C-Z model, are used in this paper to investigate the static contact angle on solid surfaces with different wettability combined with the geometric formulation(ding, H. and Spelt, P.D. M. Wetting condition in diffuse interface simulations of contact line motion. Physical Review E, 75(4), 046708(2007)). The specific characteristics and computational performance of these two lattice Boltzmann method(LBM) multiphase models are analyzed including relationship between surface tension and the control parameters, the achievable range of the static contact angle, the maximum magnitude of the spurious currents(MMSC), and most importantly, the convergence rate of the two models on simulating the static contact angle. The results show that a wide range of static contact angles from wetting to non-wetting can be realized for both models. MMSC mainly depends on the surface tension. With the numerical parameters used in this work, the maximum magnitudes of the spurious currents of the two models are on the same order of magnitude. MMSC of the S-C model is universally larger than that of the H-C-Z model. The convergence rate of the S-C model is much faster than that of the H-C-Z model. The major foci in this work are the frequently-omitted important details in simulating wetting phenomena. Thus, the major findings in this work can provide suggestions for simulating wetting phenomena with LBM multiphase models along with the geometric formulation.

关键词： lattice Boltzmann method(LBM) wetting phenomenon static contact angle

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Concentration breaking on two optimization problems

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Science China Mathematics 2024年第7期67卷 1555-1570页

作者： Yong Huang qinfeng Li Qiuqi Li School of Mathematics Hunan UniversityChangsha410082China

In the present paper, we study the boundary concentration-breaking phenomena on two thermal insulation problems considered on Lipschitz domains, based on Serrin's overdetermined result, the perturbation argument, and a comparison of Laplacian eigenvalues with different boundary conditions. Since neither of the functionals in the two problems is C^(1), another key ingredient is to obtain the global H?lder regularity of minimizers of both problems on Lipschitz domains. Also, the exact dependence on the domain of breaking thresholds is given in the first problem, and the breaking values are obtained in the second problem on ball domains, which are related to 2π in dimension 2.

关键词： spectral inequalities symmetry breaking Laplacian eigenvalue

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基于状态依赖时滞的钻柱动力学稳定性分析

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振动与冲击 2022年第22期41卷 233-240,283页

作者：张鹤狄勤丰王文昌陈锋段浩宇上海大学上海市应用数学和力学研究所上海200072 上海市能源工程力学重点实验室上海200072 上海大学机电工程与自动化学院上海200072

在石油深井钻探中,钻头与岩石相互作用诱发钻柱系统的自激振动,严重时导致钻头磨损和钻柱疲劳失效,影响钻井效率。钻柱动力系统不稳定的主要原因是钻头与岩石的相互作用引起钻柱动力系统中出现了状态依赖时滞变量,该研究考虑钻井液阻尼... 详细信息

在石油深井钻探中,钻头与岩石相互作用诱发钻柱系统的自激振动,严重时导致钻头磨损和钻柱疲劳失效,影响钻井效率。钻柱动力系统不稳定的主要原因是钻头与岩石的相互作用引起钻柱动力系统中出现了状态依赖时滞变量,该研究考虑钻井液阻尼的影响,给出了控制钻头轴向和扭转运动的状态依赖时滞微分方程(state-dependent delay differential equation, SDDDE),引入钻头运动轨迹函数对状态依赖时滞变量进行描述,将状态依赖时滞微分方程转化为非线性耦合的偏微分方程(partial differential equation, PDE)和常微分方程(ordinary differential equations, ODE),并利用谱方法和伽辽金方法分析了上述耦合方程的线性稳定性,给出了钻柱动力学系统随钻井参数变化的稳定性图谱,对多自由度钻柱动力学系统的稳定性进行了分析。最后,与相关文献中的结果及数值模拟结果进行对比,验证了该研究稳定性数值分析方法的准确性,并研究了阻尼对钻柱动力学系统稳定性的影响。通过基于状态依赖时滞的钻柱动力学稳定性分析,有助于控制或避免钻柱的自激振动,进而延长钻头使用寿命,提高机械钻速。

关键词：钻头-岩石相互作用状态依赖时滞稳定性分析黏滑振动钻柱

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横向主动控斜力作用下底部钻具组合动力学特征

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石油学报 2023年第9期44卷 1552-1561,1573页

作者：狄勤丰骆大坤周星王文昌陈锋上海大学力学与工程科学学院上海200444 上海大学机电工程与自动化学院上海200444

垂直钻井工具通过对井壁施加横向主动控斜力实现高效控斜快速钻井,但也使底部钻具组合的动力学特性更加复杂,甚至引起井下复杂振动和钻具失效,因而掌握带垂直钻井工具钻柱的动力学特性十分必要。以Power-V工具为例,首先建立了横向主动... 详细信息

垂直钻井工具通过对井壁施加横向主动控斜力实现高效控斜快速钻井,但也使底部钻具组合的动力学特性更加复杂,甚至引起井下复杂振动和钻具失效,因而掌握带垂直钻井工具钻柱的动力学特性十分必要。以Power-V工具为例,首先建立了横向主动控斜力模型,随后基于Hamilton原理,建立了钻柱动力学模型,并利用节点迭代法和Newmark-β方法对存在横向主动控斜力的钻柱动力学特性进行了求解。在验证模型正确性的基础上,以现场实际超深井为例,分析了钻柱形心的涡动轨迹、涡动速度特征。研究结果表明,Power-V的加入,使得靠近垂直钻井工具的钻铤做偏向井眼低边一侧的向前涡动,而且钻铤形心的涡动轨迹呈现椭圆形特征,同时,使钻柱受到较大的井壁反作用力的同时,会使钻柱在钻头、稳定器处也承受较大的横向作用力,进而改变钻柱的运动特征。地面扭矩和井下转速波动较大,底部钻柱的横向振动较剧烈,与井下实测和地面观察结果吻合。实际应用时,应该尽可能采取措施,减少这种振动,提高钻井作业效率。

关键词：动力学特性主动控斜力垂钻工具钻柱节点迭代法

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