捷联式旋转导向钻井底部钻具组合动态应力分析

摘要

旋转导向钻井底部钻具组合由于导向力的存在，使其受力更加复杂，钻具损坏的风险也随之增大。论文在研究钻柱动态力学已有成果的基础之上，建立了捷联式旋转导向钻井底部钻具组合动力学计算模型，应用ABAQUS软件，从钻柱初始构型出发，加载钻压、扭矩、推靠力、碰撞接触力、阻尼分布力等载荷，实时探测并改变边界条件，形成了钻柱动应力计算方法。忽略钻柱组合具体结构，随着钻压的增加，节点动应力的峰值随之增加；转速增大时，应力变化周期相应改变，且应力峰值随着转速的增大而增大；钻柱直径越小，动应力峰值越大；钻柱长度改变，应力波动周期几乎不变，应力峰值变化较小。 对捷联式旋转导向钻井底部钻具组合进行动力学计算表明，钻具组合上等效应力最大点位于钻具底部；钻压增大时，平均应力水平增大，动应力峰值也增大，峰值应力点具体位置不同；转速增大时，底部钻具组合的动应力峰值随之增大，应力峰值点位置不同；改变扶正器位置对动应力的影响较大，扶正器与钻头的距离加大，危险应力点的位置改变，应力峰值明显增大；增加扶正器的数量，动应力峰值未减小。 钻具组合横向振动的各阶固有频率密集分布，完全避开钻柱临界转速是困难的，因此钻柱容易发生横向共振，在固有频率附近，钻具组合的横向振动位移响应很大，有时接近常用转速值，如34r/min、92r/min。发生局部共振时，钻具各节点的运动轨迹更为复杂，危险应力点位置发生变化，且峰值应力增加了约25MPa；钻压增大时，同一节点的应力波动幅度变大；局部共振频率增大，同一节点的应力波动频率增大；当转速增大时，同一节点应力波动幅值增大，钻柱振动更为剧烈。论文研究工作对捷联式旋转导向钻井钻具组合和操作参数的优化有一定的指导意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 钻井系统底部钻具组合的构成和受力分析

1.1.1 钻具组合的组成和作用

1.1.2 底部钻具组合受力分析

1.2 捷联式旋转导向钻井底部钻具组合构成与导向原理

1.3 钻柱动力学研究现状

1.3.1 国外钻柱动力学研究现状

1.3.2 国内钻柱动力学研究现状

1.4 研究目的意义及研究思路

1.4.1 研究目的及意义

1.4.2 研究思路

第二章 钻具组合载荷分析与模型验证

2.1 捷联式底部钻具组合动力学计算模型

2.1.1 几何模型

2.1.2 物理模型

2.2 捷联式底部钻具组合载荷函数模型分析

2.2.1 接触碰撞载荷模型

2.2.2 推靠激励载荷模型

2.2.3 钻头激励载荷

2.2.4 偏心质量激励载荷

2.2.5 钻井液阻尼效应

2.3 数值计算方法

2.4 模型验证

2.4.1 跌落碰撞验证

2.4.2 简谐振动井筒约束验证

2.4.3 钻柱井筒内碰撞应力验证

2.5 小结

第三章 钻柱动力学计算方法研究

3.1 初始构型计算

3.1.1 建立模型及结果分析

3.1.2 钻柱尺寸的影响

3.1.3 钻柱长度的影响

3.1.4 钻压的影响

3.2 推靠激励载荷研究

3.2.1 接触碰撞载荷计算流程

3.2.2 模型的建立

3.2.3 结果分析

3.3 钻柱动应力计算方法

3.4 小结

第四章 钻具组合动应力分析

4.1 钻柱动应力影响因素研究

4.1.1 计算条件

4.1.2 钻压对钻柱动应力的影响

4.1.3 转速对钻柱动应力的影响

4.1.4 钻柱尺寸对钻柱动应力的影响

4.1.5 长度对钻柱动应力的影响

4.2 底部钻具组合动应力计算分析

4.2.1 典型钻具组合动力学分析

4.2.2 不同钻压条件下的动应力

4.2.3 不同转速条件下的动应力

4.2.4 扶正器对动应力的影响

4.3 钻具组合建模插件

4.3.1 ABAQUS二次开发方法

4.3.2 二次开发在ABAQUS中的实现

4.3.3 钻具组合建模插件的安装与使用

4.4 小结

第五章 局部共振条件下钻具组合动力学分析

5.1 钻具组合固有振动特性分析

5.1.1 计算模型

5.1.2 振动特性分析

5.2 钻柱横向振动谐响应分析

5.3 局部共振条件下的钻具组合动力学分析

5.3.1 典型局部共振条件下的钻具组合动力学分析

5.3.2 钻压的影响

5.3.3共振频率的影响

5.3.4 转速的影响

5.4 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢