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基于浑沌理论的钻柱横扭耦合动力学特性分析

作　者: 付雷
导　师: 于桂杰；杨汉立
学　校: 中国石油大学
专　业: 力学
关键词: 柔性体钻柱固液耦合浑沌非线性动力学振动 ANSYS
分类号: TE21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

顶驱细长钻柱作为钻井工程中特有结构,在充满钻井液的井筒内旋转,存在着三个方向的耦合振动,钻柱动力分岔又加剧振动,使其与井壁发生随机接触碰撞,造成井壁和钻具的损坏。钻柱的不规则浑沌运动导致钻头受力方向不确定,从而使井眼轨迹难以控制。由于钻柱系统结构和运动规律复杂,无法进行现场试验,而一般的受力分析方法又很难解决,因此有必要将TDS、钻柱、钻铤、钻井液、井壁、井底岩石等作为一个柔性多体系统,开展基于浑沌理论的钻柱横扭耦合动力学特性分析。这对了解钻柱运动规律、预测和控制井眼轨迹、优化钻具组合和防止钻井事故的发生等具有重要意义,同时还有利于推动和完善新的钻井工艺和顶驱驱动等技术。在总结前人工作基础上,基于柔性多体动力学理论和浑沌理论,研究多体系统动力学和浑沌动力学相互融合的方法和原理,推导了钻柱偏离定常运动而失稳的条件。依据哈密顿原理推导出该系统动力学方程,应用摄动法和数值积分原理对钻柱上端纵、扭耦合振动方程进行求解分析。基于振动理论、动力间隙元理论及非线性固液耦合理论,采用有限元法推导了垂直井中柔性多体钻柱系统横、扭耦合非线性动力学模型,并基于有限元的(ui,p)格式将钻井液与钻柱、井壁之间的固液耦合作用考虑到模型中。采用ANSYS软件对1700m以内垂直井钻柱系统横、扭耦合动力学特性进行了仿真分析。提取了钻柱横、扭振动的固有频率及阵型,结果显示:钻井液的耦合作用使钻柱横振固频减小,而轴向载荷使其增加;钻井液、轴向载荷对扭振固频无影响;钻柱或钻铤长度的增加,使钻柱各阶扭振固频减小。施加轴向载荷使钻柱横振极值位移下移到钻铤上,加剧了钻铤振动。施加钻柱轴向载荷使得靠近钻头处钻柱首先发生失稳屈曲,与井壁发生随机接触碰撞,同时紧贴井壁做间歇性或连续性的公转运动;钻铤上部钻柱由于受拉而出现微弱的横振。距离钻头50m处钻柱横振轨迹紊乱,有明显撞击井壁的现象;井筒内钻井液有效的减小了钻柱横振振幅,降低了钻柱与井壁发生碰撞的概率。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
第一章绪论  9-18
  1.1 课题来源及研究意义  9-11
  1.2 井下柔性多体钻柱系统动力学分析研究现状  11-16
  1.3 钻柱系统动力学研究存在的问题  16-17
  1.4 本文主要研究内容  17-18
第二章多体系统动力学和浑沌动力学相互融合的方法和原理  18-30
  2.1 柔性多体系统动力学  18-23
    2.1.1 柔体动能  18-19
    2.1.2 柔性多体系统中的广义力  19-21
    2.1.3 柔性多体系统的运动约束方程  21-22
    2.1.4 柔性多体系统控制方程  22-23
  2.2 柔性多体系统动力学和浑沌动力学相互融合的方法和原理  23-26
  2.3 柔性多体动力学理论在强非线性固液耦合柔性多体钻柱系统中的应用  26-27
  2.4 钻杆柱二重非线性动力学分析  27-29
  2.5 本章小结  29-30
第三章柔性多体钻柱系统固液耦合横扭振动动力学分析  30-53
  3.1 柔性多体钻柱系统横扭振动动力学理论分析  30-40
    3.1.1 基本假设  30
    3.1.2 局部坐标系中空间钻杆柱单元与间隙元分析  30-39
    3.1.3 钻柱系统横扭耦合振动动力学矩阵方程  39-40
  3.2 钻杆柱内、外钻井液动力学特性理论分析  40-48
    3.2.1 钻井液特性概述  40-41
    3.2.2 内、外钻井液流体对钻杆柱的作用力  41-45
    3.2.3 钻井液流体动力学基本方程  45-48
  3.3 井下柔性多体钻柱系统固液耦合动力学理论分析  48-52
    3.3.1 不考虑耦合面上有阻尼时固液耦合系统有限元分析的（ui ，p）格式  48-50
    3.3.2 考虑固液耦合界面上有阻尼时柔性多体钻柱系统固液耦合动力学方程  50-52
  3.4 本章小结  52-53
第四章柔性多体钻柱系统横、扭耦合振动分析  53-72
  4.1 柔性多体钻柱系统的特征方程  53
  4.2 柔性多体钻柱系统的临界转速  53-55
  4.3 柔性多体钻柱系统固液耦合振动分析的基本假设、力学模型及模型参数  55-56
  4.4 柔性多体钻柱系统固液耦合横向振动固有频率分析  56-64
    4.4.1 参数化有限元模型求解及后处理  56
    4.4.2 钻井液对钻杆柱各阶横向振动固有频率的影响  56-57
    4.4.3 钻铤长度对钻杆柱各阶横向振动固有频率的影响  57-58
    4.4.4 钻柱长度对钻杆柱各阶横向振动固有频率的影响  58-59
    4.4.5 固定井深下钻铤长度对钻杆柱各阶横向振动固有频率的影响  59-60
    4.4.6 钻杆柱各阶横向振动固有振型分析  60-64
  4.5 柔性多体钻柱系统固液耦合扭转振动固有频率分析  64-71
    4.5.1 钻井液对钻杆柱各阶扭转振动固有频率的影响  64-65
    4.5.2 钻铤长度对钻杆柱各阶扭转振动固有频率的影响  65-66
    4.5.3 钻柱长度对钻杆柱各阶扭转振动固有频率的影响  66-67
    4.5.4 固定井深下钻铤长度对钻杆柱各阶扭转振动固有频率的影响  67-68
    4.5.5 钻杆柱各阶扭转振动固有振型分析  68-71
  4.6 柔性多体钻柱系统固液耦合振动固有频率分析小结  71-72
第五章基于ANSYS软件的井下柔性多体钻柱系统横耦合振动瞬态动力学分析  72-88
  5.1 有限元模型的建立  72-74
    5.1.1 基本假设、载荷以及边界条件  72-73
    5.1.2 参数化有限元建模  73-74
  5.2 井下柔性多体钻柱系统横、扭耦合瞬态动力学特性分析  74-87
    5.2.1 考虑井筒内钻井液影响时钻柱系统横、扭耦合瞬态动力学仿真分析结果  75-81
    5.2.2 不考虑井筒内钻井液影响时钻柱系统横、扭耦合瞬态动力学仿真分析结果  81-87
  5.3 本章小结  87-88
结论与展望  88-91
  1. 结论  88-89
  2. 展望  89-91
参考文献  91-97
攻读硕士学位期间取得的学术成果  97-98
致谢  98

基于浑沌理论的钻柱横扭耦合动力学特性分析

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