水平定向钻机钻杆振动特性研究

摘要

作为水平定向钻进施工中最主要的耗材，钻杆通常要在多种力学性能完全不同的土层中旋转钻进，承受拉、压、弯、扭力以及振动、冲击等载荷。这使得每一段钻杆都处于极端的机械应力状态，钻杆容易出现疲劳断裂给施工方造成巨大损失，而振动是钻杆产生疲劳断裂的主要原因。本文应用有限元分析软件ANSYS，对钻杆的振动特性进行研究，主要的工作内容和结论为:
　　 1)建立受力最恶劣的造斜段钻杆的有限元模型并进行静力分析，得到了钻杆应力的分布规律及造斜段曲率半径等因素对钻杆应力状态的影响规律，发现钻杆接头与土壤接触部分是应力集中区域，增大造斜段曲率半径可以减小钻杆的最大应力值;
　　 2)对钻孔中钻杆的横向振动、纵向振动和扭转振动分别进行分析，得到了钻杆不同形式振动的固有频率以及造斜段曲率半径、水平段长度、钻杆规格及推拉力等参数对钻杆振动特性的影响规律，发现水平段长度的增大和推拉力的提高会降低钻杆横向振动、纵向振动和扭转振动的固有频率，增大造斜段曲率半径会降低钻杆横向振动的固有频率而增大钻杆规格会提高钻杆的横向振动固有频率;
　　 3)结合工程算例分析了钻杆振动特性在工程中的应用，发现增大造斜段曲率半径或者增大钻杆规格均可以避免钻杆产生横向共振，对钻杆振动特性的研究结果对工程施工转速优选和钻孔轨迹设计具有一定的指导意义;
　　 4)设计实验测量悬臂钢管的固有频率并与仿真计算结果进行对比，验证了钻杆振动分析模型的正确性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究目的及意义

1．1．1 水平定向钻进技术简介

1．1．2 课题的研究目的及意义

1．2 课题的研究现状

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 钻柱力学发展趋势及存在的问题

1．3 课题研究的主要内容

第二章 水平定向钻杆弯扭应力分析

2．1 ANSYS软件在钻杆振动特性中的应用

2．1．1 ANSYS的程序功能及求解类型

2．1．2 ANSYS在钻杆振动特性研究中的应用

2．1．3 PIPE59单元简介

2．2 钻杆有限元模型的建立

2．2．1 钻杆的结构和工况

2．2．2 钻杆力学模型的建立及假设

2．2．3 钻杆有限元模型的建立

2．3 钻杆弯扭应力分析

2．3．1 仿真计算结果

2．3．2 钻杆的应力分析

2．3．3 钻杆最大应力与工况因素关系分析

2．4 本章小结

第三章 水平定向钻杆的横向振动特性

3．1 水平定向钻杆横向振动概述

3．2 钻杆的横向振动有限元模型

3．2．1 有限元模型的建立

3．2．2 算例验证

3．3 整体钻杆的横向振动分析

3．3．1 基本模型的求解结果及分析

3．3．2 造斜段曲率半径对钻杆横向振动的影响

3．3．3 水平段长度对钻杆横向振动的影响

3．3．4 钻杆规格对钻杆横向振动的影响

3．3．5 推拉力对钻杆横向振动的影响

3．4 水平段钻杆的振动分析

3．4．1 水平段长度对水平段钻杆横向振动的影响

3．4．2 钻杆规格对水平段钻杆横向振动的影响

3．5 本章小结

第四章 水平定向钻杆的纵向振动和扭转振动特性

4．1 水平定向钻杆的纵向振动

4．1．1 钻杆纵向振动概述

4．1．2 钻杆的纵向振动有限元模型

4．1．3 基本模型的求解结果及分析

4．1．4 造斜段曲率半径对钻杆纵向振动的影响

4．1．5 水平段长度对钻杆纵向振动的影响

4．1．6 钻杆规格对钻杆纵向振动的影响

4．1．7 推拉力对钻杆纵向振动的影响

4．2 水平定向钻杆的扭转振动

4．2．1 钻杆扭转振动概述

4．2．2 钻杆的扭转振动有限元模型

4．2．3 基本模型的求解结果及分析

4．2．4 造斜段曲率半径对钻杆扭转振动的影响

4．2．5 水平段长度对钻杆扭转振动的影响

4．2．6 钻杆规格对钻杆扭转振动的影响

4．2．7 推拉力对钻杆扭转振动的影响

4．3 本章小结

第五章 水平定向钻杆振动特性的应用

5．1 钻孔轨迹的设计

5．1．1 工程算例工况

5．1．2 钻孔轨迹的设计

5．2 钻杆横向振动对工程施工的影响

5．2．1 钻杆横向共振临界转速

5．2．2 横向共振对工程施工的影响

5．2．3 钻杆的谐响应分析

5．3 避免钻杆横向共振的措施

5．3．1 改变钻杆造斜段曲率半径

5．3．2 改变钻杆规格

5．4 本章小结

第六章 固支钢管的振动频率实验及分析

6．1 实验目的及内容

6．2 实验原理及方法

6．3 实验结果及分析

6．4 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要研究成果