基于液固耦合作用下钻柱纵向振动分析

摘要

石油钻井中,井下湍流环境下柔性多体系统的强非线性固-液耦合动力学机理研究、其动力学行为与结构参数的关系、井眼内钻具的动力学特性及钻井液水力因素对井眼轨迹的影响一直是实现井眼轨迹的预测和仿真技术的关键问题,且是开发钻井轨道设计和井眼轨迹监测三维可视化系统的基础内容。本论文和以往单独分析钻杆纵向振动不同,将井架、游动系统、顶驱装置、钻杆柱等作为一个柔性多体系统,开展基于液固耦合作用下起下钻和钻进过程中钻柱系统纵向振动特性分析,对优化钻井参数以及钻具组合来避免共振、延长钻柱寿命、提升钻井速度有具有重大的工程实际意义。
　　 起下钻过程中,由于上提或下放钻柱时速度的变化以及在进入钻井液或离开钻井液时钻杆工作环境的突变,导致钻柱与钻井液、井壁相互作用,激励柔性多体系统产生振动,其激振频率也会对随钻测量系统泥浆脉冲信号的传输产生干扰。本文把起下钻时内外钻井液对钻柱系统的作用力折算成等效的附加质量,首先推导了多体钻柱系统在固液耦合条件下纵振方程和频率方程,同时比较MATLAB固有频率计算值和ANSYS模拟值,验证了理论推导的合理性。针对钻柱提升或下放速度与加速或减速所延续的时间的比值与动载的线性关系,对钻柱系统进行谐响应分析,得出了不同v/t值下钻柱系统的动力响应。为起下钻钻井参数的优化提供一定的参考。
　　 其次,结合柔性多体钻柱系统和顶部驱动钻井装置的特性,基于弹性振动理论及有限单元法,建立了钻进过程中柔性多体钻柱系统纵向振动固液耦合动力学方程。采用ANSYS有限元计算软件对1700m柔性多体钻柱系统在垂直井中的整体固液耦合纵向振动模态进行了分析,以及对承受自重、钻头静钻压等轴向载荷时的柔性钻柱系统纵向振动瞬态进行了分析。通过固有频率的转换,得到了引起共振的临界转速;对不同钻具组合下的固有频率及振型的分析,总结了轴向载荷以及不同钻具组合对钻柱固有频率的影响规律。瞬态仿真分析中,得出了井眼内钻井液对柔性钻柱系统的影响规律:井口处纵振强度最为微弱;井眼内钻井液能有效的降低了钻杆柱在钻井过程中的纵振振幅,大大地削弱了钻柱的纵向振动强度,使钻杆柱在钻井过程中得到了合理的保护,延长了钻柱的工作寿命。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题研究意义

1.2 井下多体系统动力学国内外研究现状

1.3 本论文主要研究工作

第二章 基于液固耦合作用钻柱纵向振动理论分析

2.1 起下钻时液固耦合作用下钻柱的动力学特性分析

2.1.1 起下钻时钻柱纵向振动方程

2.1.2 起下钻时纵向振动的频率方程

2.1.3 起下钻钻柱液固耦合动力学分析

2.2 柔性多体钻柱系统固液耦合动力学特性分析

2.2.1 多体系统动力学理论

2.2.2 钻柱、钻井液动力学特性理论分析

2.2.3 内、外钻井液流体对钻柱的作用力

2.2.4 钻井液流体动力学分析

2.2.5 钻柱、井壁及钻井液固.液耦合理论分析

2.2.6 柔性钻柱系统纵向振动理论分析

2.3 牙轮钻头与地层相互作用钻进模型

2.3.1 地层各向异性指数

2.3.2 钻头各向异性指数

2.3.3 钻头与地层相互作用钻进模型

2.4 本章小结

第三章 柔性多体钻柱系统固液耦合纵向振动分析

3.1 基于有限元Ansys起下钻钻柱纵向振动分析

3.1.1 纵向振动模态分析

3.1.2 有限元Ansys模态分析及Malab计算结果

3.1.3 谐响应分析

3.2 钻进时柔性多体钻柱系统固液耦合纵向振动模态分析

3.2.1 井下钻具共振的临界转速

3.2.2 井下柔性多体钻柱系统固液耦合有限元模型

3.2.3 井下柔性多体钻柱系统纵向振动固有频率分析

3.2.4 井下柔性多体钻柱系统纵向振动固有振型分析

3.3 本章小结

第四章 柔性多体钻柱系统纵向振动瞬态动力学仿真

4.1 基本假设与有限元模型的建立

4.2 考虑钻井液影响时钻柱系统纵振瞬态动力学仿真分析结果……

4.3 不考虑钻井液影响时钻柱系统纵振瞬态动力学仿真分析结果

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢