柔性钻杆屈曲碰摩井壁时的动力学研究

发布时间：2020-08-14 22:52

【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。
【学位授予单位】：中国地质大学(北京)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P634
【图文】：

将结果与仿真模拟相对比，验证研究结果的准确性，为实际的钻探工程提供技术参考。本论文采用理论研究、数值仿真与模拟以及实验研究相结合的方式，总体技术路线图如图 1-1 所示。

图 2-1 钻杆螺线运动这样呈螺旋线运动的钻杆在井孔内实际旋转情况是一个比较复杂的问题，具体情况还未研究透彻，不过我们分析可能有四种旋转运动中的某一种或者几种运动的叠加，见图 2-2 所示。

(a) 自转 (b) 正向公转 (c) 反向公转图 2-2 钻杆运动状态示意从理论上推导，若钻杆的刚度保持各向同性，井孔是笔直不弯曲的，那么钻杆会上述何种运动状态就取决于井内的外部阻力，如泥浆阻力、井壁摩擦等因素，一般

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本文编号：2793643