柔性钻杆屈曲碰摩井壁时的动力学研究

论文摘要

随着地质资源勘探开发程度越来越深入,钻杆动力学研究也愈发重要,有效利用钻杆动力学特性和运动规律实现井下钻杆、钻头轨迹的精确控制是目前急需深入掌握的关键技术。研究细长柔性钻杆的非线性动力学特征,不但有助于钻进工程师认清井下工作状态减少钻井事故,对于非线性力学研究,也是一个重要特例。因此,建立合理的动力学模型系统,并进行系统运动规律和力学特性研究成为当下的研究热点。本文从钻杆动力学理论建模、钻杆的刚柔耦合动力学仿真模拟、钻杆动力学室内模型试验三个方面对钻杆涡动和运动屈曲状态进行动力学分析与研究。论文对井下钻杆运动轨迹以及与轨迹形成相关的碰摩阻力和离心力力学特征进行了分析,结合有限元和弹性力学相关知识建立起钻杆动力学的理论模型,并建立了钻杆动力学的一般方程,通过MATLAB计算软件拟合出钻杆的涡动轨迹,最后分析了非线性动力学瞬态稳态运动的数值计算方法。同时,论文对实际钻杆—井壁—钻头模型进行了简化,通过ANSYS建立了钻杆的模态中性文件(MNF),导入ADAMS动力学仿真软件后添加约束和驱动,进行了柔性钻杆和刚性井壁、钻头的耦合仿真模拟,利用快速傅里叶变换(FFT)算法对钻杆部分点的位移、速度、加速度以及碰撞力数据进行了分析研究。基于相似准则设计并搭建了模型试验装置,采用多组摄像机拍摄方式记录钻杆的运动状态,通过视频编辑软件Video Studio X9结合传感器数据对钻杆轨迹以及转速、钻压对钻杆运动影响进行了试验分析。通过理论、模拟与试验三方面相结合,还原了钻杆轴向点在各自水平面方向上以及整个井筒中的运动轨迹,结果表明钻杆运动中伴随着横纵向、扭转、正反向涡动以及振动耦合现象,得出随着转速、钻压增加,钻杆屈曲变形、摆动频率与幅值、自转频率与摆动频率等参量的变化规律。论文结果为钻杆动力学研究和井眼轨迹控制探索与发展提供了参考依据。

论文目录

摘要

abstract

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究目的与意义

1.3 国内外研究状况

1.3.1 国外钻杆动力学研究现状

1.3.2 国内钻杆动力学研究现状

1.3.3 研究中存在的问题

1.4 研究内容及技术路线

2 柔性钻杆的非线性动力学理论模型

2.1 井下旋转钻杆运动状态与力学特征

2.1.1 钻杆的螺旋线运动

2.1.2 钻杆与井壁间的碰摩阻力

2.1.3 钻杆旋转时的离心力与弯曲应力

2.2 钻杆动力学模型

2.2.1 钻杆动力学一般方程推导

2.2.2 旋转钻杆涡动轨迹计算模型

2.2.3 非线性动力学瞬态及稳态运动计算方法

2.3 本章小结

3 基于有限元仿真的钻杆动力学分析

3.1 基本假设

3.2 仿真基本原理与流程

3.3 模型建立

3.3.1 柔性钻杆模型

3.3.2 井壁模型与刚柔耦合

3.4 动力学仿真结果分析

3.4.1 钻杆运动轨迹与响应分析

3.4.2 转速对钻杆运动状态的影响规律

3.4.3 钻压对钻杆运动状态的影响规律

3.5 本章小结

4 钻杆动力学室内模型试验

4.1 基于相似理论的试验模型建立

4.1.1 钻杆模型转化与失稳挠度推导

4.1.2 相似模型建立

4.2 室内试验装置与试验方案

4.2.1 试验装置设计

4.2.2 模型试验钻杆及井壁参数

4.2.3 试验方案与步骤

4.3 试验结果及分析

4.3.1 钻杆的屈曲与运动轨迹

4.3.2 旋转转速对钻杆运动的影响规律

4.3.3 轴向载荷对钻杆运动的影响规律

4.4 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郭峰

导师: 吕建国,薛启龙

关键词: 钻杆动力学,仿真,模型试验,涡动,屈曲

来源: 中国地质大学(北京)

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 地质学,矿业工程

单位: 中国地质大学(北京)

基金: 北京市自然科学基金:“细长柔性钻井管柱的非线性动力学研究”,项目编号:3174054

分类号: P634

DOI: 10.27493/d.cnki.gzdzy.2019.000895

总页数: 99

文件大小: 5393K

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