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勘查钻进钻杆的实验模型与仿真分析

作　者: 方鹏
导　师: 江进国
学　校: 中国地质大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 钻杆有限元受力变形模态分析仿真
分类号: TH113.22
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 284次
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内容摘要

回转钻进技术具有钻进效率高、功耗低、孔内事故少、钻头寿命长、设备质量轻等一系列优点，因此被广泛应用于石油钻井，水文水井钻井，大陆科学钻探，工程地质勘查等各种勘查钻进过程中。由于在实际的勘查钻进过程中，钻杆柱的受力情况比较复杂，外界的干扰因素很多，而且其自身的固有频率相对较低，钻杆柱的各阶振动模态容易被激振，共振会加大钻杆的疲劳和钻头的磨损，增加钻探工程的成本。因此有必要研究钻杆柱在实际的钻进过程中的力学性能与动力学特性，得到钻杆柱的受力变形特点，找出在尽可能接近实际钻进工况下的各种振动的规律。论文以勘查钻进中的钻杆柱为分析对象，并不只限于某种特定的型号，而是为了探讨钻杆柱的一般的规律性问题。所建立的基于ANSYS软件的钻杆参数化有限元仿真模型，具有较强的实用性和通用性，可以做到由特殊到一般，极大地提高了分析和研究的效率，并为进一步的分析和研究奠定了良好基础。建模过程中考虑了泥浆的压力和浮力影响等因素，与现有的钻杆柱有限元模型相比，仿真程度有很大的提高。本文首先说明了课题研究的目的及意义，分析了课题的国内外研究现状、发展趋势以及存在的主要问题，指出了本文的主要研究内容。介绍了钻杆柱的结构，工作状态和受力特点，并对钻杆柱的实验模型做了一定的探讨。从有限元方法入手，根据钻杆柱在勘查钻进中的实际工况，充分考虑了各种边界条件，利用有限元分析软件ANSYS，采用直接建模法建立了钻杆柱的有限元仿真模型。接着对不同钻进情况下的钻杆柱做了整体的受力与变形分析，说明了钻杆柱的受力形式和变形特点，总结了受力与变形的一般性规律。并对不同参数的钻杆柱进行了多种情况下的模态分析，分别计算了钻杆柱纵向振动、扭转振动、横向振动的各阶固有频率和振型，得到了大量的数据。通过对模态分析结果的比较和分析，找出了不同参数下钻杆柱各种振动固有频率的变化规律，分析了不同因素对钻杆柱固有频率的影响程度。最后对全文进行了总结，指出了今后还待解决的问题。文中所计算和分析得到的结果，对于优化钻杆结构，采用合理的钻进参数，提高钻杆和钻头的使用寿命是十分有利的。

全文目录

摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-16
  1.1 研究目的和意义  11-12
    1.1.1 研究目的  11-12
    1.1.2 研究意义  12
  1.2 国内外研究现状  12-15
    1.2.1 国外研究现状  12-13
    1.2.2 国内研究现状  13-15
    1.2.3 发展趋势及存在的问题  15
  1.3 研究的主要内容  15-16
第二章钻柱与实验模型  16-30
  2.1 钻柱的结构  16-17
  2.2 钻柱的工作状态  17-18
  2.3 钻柱上作用力概述  18-20
  2.4 钻柱受力分析  20-25
    2.4.1 钻柱轴向拉力和压力的确定  20-22
    2.4.2 钻压与扭矩联合作用下的钻柱稳定性  22-23
    2.4.3 离心力对钻柱弯曲的影响  23-25
  2.5 模型试验概述  25-26
    2.5.1 相似理论与模型试验  25
    2.5.2 模型试验的意义  25-26
    2.5.3 模型设计的基本原则  26
  2.6 钻杆实验模型的设计  26-30
    2.6.1 钻杆的结构  26-27
    2.6.2 确定模型的结构尺寸  27-28
    2.6.3 模型材料和边界条件的确定  28-29
    2.6.4 相似指标与准则  29-30
第三章钻杆有限元模型的建立  30-41
  3.1 有限元理论  30-32
    3.1.1 有限元的基本原理  31
    3.1.2 有限元的基本构成  31-32
  3.2 有限元分析软件  32-34
    3.2.1 ANSYS的主要功能  33
    3.2.2 ANSYS的分析过程  33-34
  3.3 有限元建模方法  34-35
  3.4 钻杆结构及参数  35-37
  3.5 钻杆柱有限元建模  37-41
    3.5.1 模型的基本假设  37-38
    3.5.2 单元的选取及其特性  38
    3.5.3 钻杆柱模型的建立  38-41
第四章钻杆的有限元静力分析  41-54
  4.1 钻杆的受力分析  41-50
    4.1.1 边界条件的确定  41
    4.1.2 有限元模型的加载  41-42
    4.1.3 钻杆的受力分析过程  42-43
    4.1.4 钻杆的受力分析结果  43-49
    4.1.5 钻杆的受力分析小结  49-50
  4.2 钻杆的弯曲变形分析  50-54
    4.2.1 钻杆的变形分析结果  50-53
    4.2.2 钻杆的弯曲变形分析小结  53-54
第五章钻杆的有限元振动分析  54-74
  5.1 有限元振动分析方法  54-55
    5.1.1 振动分析概述  54
    5.1.2 模态分析步骤  54-55
  5.2 钻杆的纵向振动分析  55-61
    5.2.1 钻进参数对钻杆纵向振动的影响  56-57
    5.2.2 钻杆规格对钻杆纵向振动的影响  57-58
    5.2.3 钻孔深度对钻杆纵向振动的影响  58-60
    5.2.4 钻杆纵向振动的振型分析  60-61
  5.3 钻杆的扭转振动分析  61-66
    5.3.1 钻杆规格对钻杆扭转振动的影响  62-64
    5.3.2 钻孔深度对钻杆扭转振动的影响  64-65
    5.3.3 钻杆扭转振动的振型分析  65-66
  5.4 钻杆的横向振动分析  66-72
    5.4.1 钻杆规格对钻杆横向振动的影响  67-68
    5.4.2 钻孔深度对钻杆横向振动的影响  68-70
    5.4.3 钻杆横向振动的振型分析  70-72
  5.5 各种振动分析小结  72-74
第六章结束语  74-76
  6.1 主要研究结论  74-75
  6.2 局限性与展望  75-76
致谢  76-77
参考文献  77-79

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