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石油钻进工程中竖直井钻柱振动问题的ANSYS模拟计算与分析

作　者: 王天思
导　师: 孟庆元
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 固体力学
关键词: 钻柱振动固有频率 ANSYS 有限元模拟谐响应分析
分类号: TE21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在石油钻进工程中,钻柱是最重要的钻井工具。地质结构的不断变化,井底不平,钻头破坏岩石的反作用,都会使钻头承受较大的冲击载荷和频繁变化的类似锯齿波的交变应力。钻头在钻进过程中的轴向力和扭转力矩也会带动钻柱产生振动。钻压不断变化,钻头受力情况复杂,导致了钻柱受损严重。钻柱振动中纵向、扭转以及横向振动是钻柱振动的主要形式,这三者往往同时出现。当钻柱的振动的频率接近钻柱固有频率的整数倍时,钻柱内的交变应力和振幅会逐渐变大,造成钻柱损坏,同时也会给井壁和套管造成一定破坏。本文介绍了钻柱及其振动的基本问题,回顾了国内与国外关于钻柱振动问题的研究成果,使用有限元分析软件ANSYS,通过对钻柱系统的的简化,建立了带有防磨套的竖直井的钻柱系统,对钻柱进行模态分析,得到了钻柱的纵向振动,扭转振动和横向振动的固有频率;得到了钻柱振动固有频率与钻进参数的关系;又对钻头施加周期载荷的情况下进行了谐响应分析,得到了钻柱的部分频率响应。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第1章绪论  8-25
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8-16
    1.1.1 钻柱结构  8-10
    1.1.2 钻柱的工作与受力  10-12
    1.1.3 石油钻井工程中振动的危害  12-13
    1.1.4 影响石油钻井工程中振动的因素  13-15
    1.1.5 石油钻井工程中振动危害的控制  15-16
  1.2 钻柱振动研究成果和发展  16-23
  1.3 本课题的目的和意义  23
  1.4 本文的研究内容  23-25
第2章钻柱振动的解析解  25-30
  2.1 钻柱纵向振动解析解  25-28
  2.2 钻柱的扭转振动解析解  28-29
  2.3 本章小结  29-30
第3章钻柱振动模型建立  30-35
  3.1 钻柱的有限元分析法及软件ANSYS简介  30-32
    3.1.1 钻柱的有限元分析法介绍  30-31
    3.1.2 有限元软件ANSYS介绍  31-32
  3.2 钻柱的ANSYS建模  32-34
    3.2.1 钻柱动力学模型的基本假设与参数设置  32-33
    3.2.2 定义材料属性和建立钻柱模型  33-34
  3.3 本章小结  34-35
第4章钻柱静力学分析  35-40
  4.1 载荷的确定  35-36
  4.2 钻柱应力与载荷间关系  36-39
  4.3 本章小结  39-40
第5章钻柱纵向振动模态分析  40-48
  5.1 钻柱振动模态分析原理  40-41
  5.2 钻柱纵向振动模态的求解  41-42
  5.3 钻柱纵向振动模态与钻具尺寸间的关系  42-43
  5.4 钻柱纵向振动模态与钻杆钻铤长度的关系  43-45
  5.5 钻柱纵向振动模态与防磨套箍分布间的关系  45-47
    5.5.1 使用防磨套箍的必要性  45-46
    5.5.2 钻柱纵向振动模态与防磨套箍分布间关系  46-47
  5.6 本章小结  47-48
第6章钻柱扭转振动模态分析  48-51
  6.1 钻柱扭转振动模态的求解  48
  6.2 钻柱扭转振动模态与钻杆钻铤长度的关系  48-49
  6.3 钻柱扭转振动模态与防磨套箍分布间关系  49-50
  6.4 本章小结  50-51
第7章钻柱横向振动模态分析  51-55
  7.1 钻柱横向振动模态与钻头载荷间的关系  51-52
  7.2 钻柱横向振动模态与钻杆钻铤长度的关系  52-53
  7.3 钻柱横向振动模态与防磨套箍分布间关系  53-54
  7.4 本章小结  54-55
第8章钻柱振动的谐响应分析  55-63
  8.1 钻柱振动的谐响应分析基本假设  55
  8.2 钻柱振动的位移频率响应  55-60
  8.3 钻柱共振时的危险位置  60-62
  8.4 本章小结  62-63
结论  63-64
参考文献  64-69
致谢  69

石油钻进工程中竖直井钻柱振动问题的ANSYS模拟计算与分析

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