钻柱屈曲特性模拟及影响因素分析

发布时间：2017-03-24 12:09

  本文关键词：钻柱屈曲特性模拟及影响因素分析，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：受井眼约束钻柱的屈曲行为,对钻井诸多方面都有不良影响。钻柱屈曲会引起钻柱摩阻和扭矩的显著增加,甚至使钻柱“锁死”,导致钻压传递困难、钻柱疲劳破坏等井下复杂情况。特别是随着水平井、大位移井、多分支井的推广应用,受井眼约束的钻柱屈曲问题研究的重要性更加突出,而对钻柱屈曲影响因素的分析研究已成为目前钻柱优化设计的热点问题。本文采用能量法推导了不同井段钻柱屈曲临界载荷计算模型,针对Φ215.9mm井眼,实例分析了不同钻柱尺寸、井斜角、井眼曲率对钻柱临界屈曲载荷的影响。在斜直井段,钻柱临界屈曲载荷随井斜角的增大呈非线性增加,直井段钻柱临界屈曲载荷最低,而水平井段中钻柱躺在井眼低边,屈曲稳定性高于斜直井段钻柱；弯曲井段中,井眼曲率是影响钻柱屈曲的关键因素,增斜井段钻柱临界屈曲载荷随着井眼曲率的增加而增加,而降斜井段,钻柱临界屈曲载荷随着井眼曲率的增加而显著减小基于静力平衡法,考虑钻柱自重和扭矩的影响,建立了钻柱屈曲一般性微分方程,应用屈曲构型假设和伽辽金方法对屈曲微分方程求解,分析了不同井段扭矩对其屈曲构型的影响。施加扭矩载荷后,对钻柱正弦屈曲构型影响不大,且对钻柱正弦屈曲临界载荷和接触力影响较小。扭矩会对螺旋屈曲构型函数有比较大的影响,进而对钻柱临街螺旋屈曲载荷和接触力有较大影响。采用非线性大变形理论,建立了钻柱几何非线性有限元钻柱屈曲分析模型,模拟了考虑扭矩影响的钻柱屈曲变化过程,分析了扭矩载荷对钻柱屈曲的影响。模拟结果表明,斜直井段钻柱首先从井底低边开始正弦屈曲,随着载荷继续增大,底部开始变为螺旋屈曲,上段钻柱开始发生正弦屈曲,直至整个钻柱发生螺旋屈曲,正弦屈曲到螺旋屈曲是一个渐变的过程；增斜井段钻柱从底部开始发生正弦屈曲,随着轴向载荷增加,从底端局部地方开始发生螺旋屈曲,上端依然保持初始状态；在降斜井段,轴向载荷先将部分钻柱推向井眼高边,然后从底端开始发生屈曲,随后顶端也开始发生屈曲,钻柱中部最后发生屈曲,降斜井段易发生屈曲。不同井段钻柱施加扭矩载荷后,钻柱正弦屈曲临界载荷降低很小,正弦屈曲的变形状态改变不大,扭矩对螺旋屈曲的临界螺旋屈曲载荷影响较大,随着扭矩的增大,钻柱临界螺旋屈曲载荷的降低程度越小。本文对比分析了钻柱屈曲临界载荷的解析结果和有限元模拟结果的差异,模拟结果与理论计算值误差在10%左右,并且施加扭矩后,模拟结果与实验结果误差在15%以内,这说明采用非线性有限元分析方法确定钻柱屈曲临界载荷的方法是可行的。
【关键词】：钻柱 临界屈曲载荷 屈曲影响因素 扭矩 非线性有限元
【学位授予单位】：西南石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TE921.2
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-8
• 第1章 绪论8-17
• 1.1 研究的目的意义8-9
• 1.2 国内外研究概况9-15
• 1.2.1 钻柱屈曲分析研究现状9-14
• 1.2.2 钻柱屈曲影响因素分析现状14-15
• 1.3 研究的主要内容、方法和思路15-17
• 1.3.1 研究的主要内容和方法15-16
• 1.3.2 研究思路16-17
• 第2章 钻柱屈曲行为理论分析17-39
• 2.1 钻柱屈曲微分方程17-20
• 2.1.1 坐标系与几何关系17-18
• 2.1.2 静力平衡方程18-19
• 2.1.3 物理关系19
• 2.1.4 屈曲微分方程19-20
• 2.2 能量法求取临界屈曲载荷20-33
• 2.2.1 垂直井段临界屈曲载荷20-22
• 2.2.2 斜直井段临界屈曲载荷22-26
• 2.2.3 弯曲井段临界屈曲载荷26-31
• 2.2.4 降斜井段临界屈曲载荷31-33
• 2.3 临界屈曲载荷影响因素分析33-39
• 2.3.1 井斜角的影响33-34
• 2.3.2 造斜率的影响34-36
• 2.3.3 不同钻柱尺寸的影响36-39
• 第3章 扭矩对钻柱屈曲的影响分析39-60
• 3.1 斜直井眼中受压扭钻柱的屈曲的微分方程求解39-43
• 3.1.1 钻柱正弦屈曲分析39-41
• 3.1.2 钻柱螺旋屈曲分析41-43
• 3.2 水平井眼受压扭钻柱的屈曲微分方程43-48
• 3.2.1 静力平衡法43-44
• 3.2.2 钻柱正弦屈曲分析44-46
• 3.2.3 钻柱螺旋屈曲分析46-48
• 3.3 弯曲井眼内压扭钻柱的屈曲微分方程的求解48-53
• 3.3.1 钻柱屈曲微分方程的建立48-51
• 3.3.2 钻柱正弦屈曲分析51-52
• 3.3.3 钻柱螺旋屈曲分析52-53
• 3.4 考虑扭矩的临界屈曲载荷计算53-57
• 3.4.1 斜直井中的钻柱屈曲载荷计算53-54
• 3.4.2 弯曲井中的钻柱屈曲载荷计算54-57
• 3.5 扭矩对钻柱临界屈曲载荷影响计算与分析57-60
• 3.5.1 斜直井段算例分析57-58
• 3.5.2 增斜井段算例分析58-60
• 第4章 钻柱屈曲分析有限元模型的建立60-70
• 4.1 大位移非线性单元受力与变形分析60-65
• 4.2 斜直井中钻柱屈曲有限元分析模型65-67
• 4.2.1 斜直井中钻柱屈曲有限元分析基本方程65-66
• 4.2.2 非线性准静态加载问题的有限元列式66-67
• 4.3 等曲率井中钻柱屈曲有限元分析模型67-70
• 4.3.1 弯曲井眼中钻柱屈曲有限元分析基本方程67-68
• 4.3.2 非线性准静态加载问题的有限元分析68-70
• 第5章 基于Abaqus的钻柱非线性屈曲分析70-100
• 5.1 钻柱屈曲有限元模型建立70-72
• 5.1.1 仿真环境简介70-71
• 5.1.2 模型基础参数71-72
• 5.1.3 加载及屈曲分析步长设置72
• 5.2 Φ215.9mm井眼钻柱屈曲特性分析72-92
• 5.2.1 垂直井段模拟结果72-75
• 5.2.2 斜直井段模拟结果75-79
• 5.2.3 水平井段钻柱屈曲模拟79-83
• 5.2.4 增斜井段模拟结果83-88
• 5.2.5 降斜井段模拟结果88-92
• 5.3 钻柱屈曲有限元模拟结果与解析计算结果对比92-100
• 5.3.1 有限元结果与解析解的对比92-98
• 5.3.2 有限元结果与实验结果的对比98-100
• 第6章 结论与建议100-102
• 6.1 结论100-101
• 6.2 建议101-102
• 致谢102-103
• 参考文献103-106
• 攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果106

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