油田钻井底部钻具组合固有振动特性模拟计算研究

摘要

在钻井过程中，钻头与地层相互作用，钻具组合受力复杂，振动破坏是引起钻具组合失效的主要原因之一。论文针对油田钻井底部钻具组合，基于ABAQUS软件建立了钻柱固有振动特性计算模型，提出了计算流程，分析了边界条件的处理方法，从考虑钻井液影响的管柱模型单元质量矩阵出发，推导得到了内部附加质量系数与外部附加质量系数。 针对外部附加质量系数求解困难的问题，应用CFD方法和动网格技术，对钻柱运动时环空钻井液流场进行了计算，得出环空中钻井液的压力分布和速度分布，进一步求出钻井液作用在钻柱上的附加质量力和外部附加质量系数。研究表明，外部附加质量系数与钻柱自身简谐振动的振幅和频率无关，主要受钻柱和井壁之间环空间隙大小影响；屈曲变形钻柱平动时，屈曲程度增大，外部附加质量系数略有减小，在钻柱屈曲平面内振动时影响较大；钻柱动态弯曲变形对外部附加质量系数影响不大。 设计并建造了模拟管柱固有振动特性实验装置，通过锤击试验模态分析法得出了试验管柱的固有振动频率，与ABAQUS软件计算值对比分析，研究了自由支撑、固支和铰支等约束条件的实现方法，模拟了几种条件对管柱固有频率的影响。研究表明，钻压存在使管柱固有频率降低；管柱屈曲形变，改变了管柱约束条件，固有频率有所降低；考虑钻井液的影响，固有频率降低，环空间隙越小影响越大；实验数据验证了数值计算方法。 基于前述研究结果，对底部钻具组合固有振动特性计算方法进行了修正，计算了几种实际钻具组合的固有振动特性，分析了不同屈曲构型下钻柱的固有振动频率变化规律。在正弦屈曲构型下，随着钻压增大，接触点数目增加，钻柱的各阶固有振动频率出现了较明显的下降，钻柱低阶振动增强，一定频率区间内固有振动频率阶数增加，增大了钻柱发生共振的概率。在螺旋屈曲构型下，随着钻压增大，各阶固有振动频率下降，但下降幅度逐渐减小，钻压增大到一定值后，频率趋于一个固定值。 论文研究成果对优化底部钻具组合、提高钻井作业安全性有一定的指导意义。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 研究的目的与意义

1.2 钻柱动力学研究现状

1.3 固有振动特性实验研究现状

1.3.1 实验方法

1.3.2 锤击试验模态分析法

1.4 论文主要研究内容

第二章 固有振动特性计算方法研究

2.1 钻柱振动计算模型

2.1.1 几何模型

2.1.2 动力学模型

2.2 数值模拟计算流程

2.3 边界条件处理

2.3.1 约束条件

2.3.2 钻压

2.3.3 钻柱屈曲形变

2.4 考虑钻井液的管柱单元质量矩阵

2.5 附加质量的处理

2.5.1 内部钻井液附加质量

2.5.2 环空内钻井液附加质量

2.6 本章小结

第三章 流体动力学方法求解外部附加质量系数

3.1 计算模型及求解方法

3.1.1 几何模型建立

3.1.2 数值计算方法

3.1.3 网格无关性验证

3.2 管柱振动数值计算结果分析

3.2.1 结果分析

3.2.2 结果验证

3.2.3 振动振幅的影响

3.2.4 振动频率的影响

3.2.5 环空间隙大小的影响

3.3 管柱弯曲的影响

3.3.1 单向弯曲

3.3.2 双向弯曲

3.4 管柱动态振动变形的影响

3.4.1 单向弯曲变形

3.4.2 正弦屈曲变形

3.4.3 实际尺寸模型计算

3.5 本章小结

第四章 固有振动特性实验验证

4.1 实验目的

4.2 实验装置

4.2.1 锤击试验测试装置

4.2.2 模拟管柱固有振动特性实验装置

4.3 实验方案

4.3.1 实验设计

4.3.2 参数测试方法

4.3.3 模态分析识别原理

4.3.4 模态参数分析方法

4.4 约束条件实现方式的探索

4.4.1 自由支撑实现方式

4.4.2 铰支支撑实现方式

4.4.3 固支支撑实现方式

4.5 约束条件的影响

4.5.1 施加约束条件

4.5.2 约束条件的影响

4.6 屈曲形变的影响

4.7 钻井液的影响

4.7.1 内外钻井液的影响

4.7.2 环空间隙大小的影响

4.8 结构阻尼比的测量

4.9 误差分析

4.10 本章小结

第五章 底部钻具组合固有振动特性计算研究

5.1 数值计算方法修正

5.2 实际钻具组合受钻压屈曲对固有振动特性的影响

5.2.1 实际钻具组合屈曲构型

5.2.2 屈曲构型固有特性计算

5.3 实际钻具组合固有振动特性计算实例

5.3.1 钻具组合一

5.3.2 钻具组合二

5.3.3 钻具组合三

5.3 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 主要结论

6.2 对今后工作的展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢