钻柱轴向振动减阻的实验和数值模拟研究

摘要

钻柱振动减摩阻技术是提高复杂结构井钻探效率和极限延伸位移的一项前沿技术，对我国复杂油气资源和深海油气资源的高效开发及我国油气资源安全具有重要的意义。本文以钻柱振动减摩阻技术研究为切入点，通过数值模拟与实验相结合的方式开展钻柱轴向振动对载荷传递规律的研究，从而为钻柱振动减摩阻技术的现场应用提供理论依据和指导。 首先，建立了包含轴向激振器的等直径钻柱在水平井段的有限元模型，并基于此模型进行了数值模拟研究，得到了激振力幅值、频率、及安装位置对载荷传递的影响规律，模拟结果表明：随着激振力幅值的增大，减阻效率增加；随着激振频率的增大，减阻效率先增大后减小；激振器安装位置对钻压的增大有一定的影响，需根据不同情况选择合适的激振器安装位置。通过数值模拟分析，获得了最优激振参数，从而为指导现场应用提供理论性的依据。 其次，利用相似原理对实验装置进行了改进，主要确定了钻柱的尺寸及材料参数，选择ABS塑料棒作为钻柱材料，选择PC透明管作为井筒材料；自主设计研制了实验所用激振装置，通过调研分析，确定了杠杆原理作为激振器研制的核心原理，完成装置的设计加工，相比原有激振装置，该激振装置最大优点为：频率与振幅控制的相互独立性。实验装置的成功改进为下一步实验研究奠定了基础。 最后，利用改装的实验装置，进行室内实验，实验主要研究不同激振力幅值、激振频率、轴向载荷及激振器安装位置对载荷传递的影响规律，实验结果表明：随着激振力幅值的增大，减阻效率增加；随着激振频率的增加，减阻效率先增大后减小；随着轴向力的增加，减阻效率减小；激振器安装在靠近底部位置时，获得较大底部力。室内实验与模拟结果相比具有较高的吻合度，从而证明了实验装置改装的成功性，也为振动减阻的实际应用提供了可靠的指导。 本文系统研究了钻柱轴向振动对载荷传递影响的机理，通过数值模拟与实验相结合的方法，分析了影响钻柱振动减阻的因素，获取了最优激振参数，为指导钻柱振动减阻技术的现场应用提供了理论依据。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究的目的及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 减摩降扭技术研究现状

1.2.2减摩降扭工具研究现状

1.2.3 振动减摩阻技术研究现状

1.2.4振动减摩机理研究现状

1.3 目前研究存在的问题

1.4 研究目标和研究内容

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究内容

第二章 钻柱轴向振动减阻的数值模拟分析

2.1 物理模型及基本假设

2.1.1 物理模型的建立

2.1.2 基本假设

2.2 数学模型

2.2.1 钻柱动力学控制方程

2.2.2 模型求解方法

2.2.3 有限元物理模型及网格划分

2.2.4 材料模型及参数设置

2.2.5 边界条件及载荷施加

2.3 数值模拟结果分析

2.3.1 减阻机理分析

2.3.2 激振力幅值对减阻效果的影响

2.3.3 激振力频率对减阻效果的影响

2.3.4 激振器安装位置对减阻效果的影响

2.4 本章小结

第三章 钻柱轴向振动减阻实验装置的改进

3.1钻杆及井筒材料的选择

3.2 钻杆及井筒几何尺寸的确定

3.2.1 利用微分方程的方法推导相似准则

3.2.2确定钻杆及井筒几何尺寸

3.3 激振装置的设计研制

3.3.1几种不同往复运动机构对比

3.3.2激振台架的尺寸设计及强度校核

3.4 轴向振动钻井模拟实验装置

（1）激振装置

（2）载荷传感器

（3）行星齿轮加压装置

3.5本章小结

第四章 钻柱轴向振动减阻实验研究

4.1 实验方案及流程

4.1.1 实验方案

4.1.2 实验流程

4.2 实验结果分析

4.2.1 钻柱轴向力对摩阻的影响

4.2.2 激振力幅值对底部载荷变化的影响

4.2.3 激振力频率对底部载荷变化的影响

4.2.4轴向力对底部载荷变化的影响

4.2.5 匀速施加、卸载轴向力，顶、底部载荷变化规律

4.2.6 激振器安放位置对底部载荷变化的影响

4.3 本章小结

结论与建议

参考文献

致谢