基于应力刚化效应的直井钻柱横向振动分析

摘要

钻柱建模对象的选取和钻柱轴向力对直井钻柱的横向振动特性分析有很大的影响。本文根据求解几何非线性问题的有限变形理论,考虑钻柱自重和钻压的反向作用力产生的应力刚化效应,建立钻柱动力学方程。运用有限元法分别对整体钻柱和底部钻具进行无轴向力的横向振动分析,对比后选取整体钻柱作为后续研究对象,然后分别进行以轴向力作为预应力的模态分析、谐响应分析和瞬态动力学分析。结果表明,与底部钻具相比,无轴向力作用下整体钻柱的固有频率很低且钻铤处振动不明显;考虑轴向力时,自重产生的拉力会显著提高钻柱的固有频率,钻压产生的反向力会降低钻柱的固有频率,中性点附近钻铤的横向振型变化较大,钻杆的横向振动从井底到井口逐渐减弱;钻压为50 kN、钻柱转速在0~90 r/min之间时,存在0.4~0.6 Hz(对应转速为24~36 r/min)的共振微弱区,同时钻压越大,共振微弱区的频率越低;钻柱与井壁发生碰撞后,轴向力使钻柱中性点处的振动能量增大但振幅降低。