基于液固耦合作用下鉆柱縱向振動(dòng)分析.pdf

1、石油鉆井中,井下湍流環(huán)境下柔性多體系統(tǒng)的強(qiáng)非線性固-液耦合動(dòng)力學(xué)機(jī)理研究、其動(dòng)力學(xué)行為與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系、井眼內(nèi)鉆具的動(dòng)力學(xué)特性及鉆井液水力因素對(duì)井眼軌跡的影響一直是實(shí)現(xiàn)井眼軌跡的預(yù)測(cè)和仿真技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題,且是開(kāi)發(fā)鉆井軌道設(shè)計(jì)和井眼軌跡監(jiān)測(cè)三維可視化系統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容。本論文和以往單獨(dú)分析鉆桿縱向振動(dòng)不同,將井架、游動(dòng)系統(tǒng)、頂驅(qū)裝置、鉆桿柱等作為一個(gè)柔性多體系統(tǒng),開(kāi)展基于液固耦合作用下起下鉆和鉆進(jìn)過(guò)程中鉆柱系統(tǒng)縱向振動(dòng)特性分析,對(duì)優(yōu)化鉆井參數(shù)

2、以及鉆具組合來(lái)避免共振、延長(zhǎng)鉆柱壽命、提升鉆井速度有具有重大的工程實(shí)際意義。
　　 起下鉆過(guò)程中,由于上提或下放鉆柱時(shí)速度的變化以及在進(jìn)入鉆井液或離開(kāi)鉆井液時(shí)鉆桿工作環(huán)境的突變,導(dǎo)致鉆柱與鉆井液、井壁相互作用,激勵(lì)柔性多體系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng),其激振頻率也會(huì)對(duì)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)泥漿脈沖信號(hào)的傳輸產(chǎn)生干擾。本文把起下鉆時(shí)內(nèi)外鉆井液對(duì)鉆柱系統(tǒng)的作用力折算成等效的附加質(zhì)量,首先推導(dǎo)了多體鉆柱系統(tǒng)在固液耦合條件下縱振方程和頻率方程,同時(shí)比較MATLA

3、B固有頻率計(jì)算值和ANSYS模擬值,驗(yàn)證了理論推導(dǎo)的合理性。針對(duì)鉆柱提升或下放速度與加速或減速所延續(xù)的時(shí)間的比值與動(dòng)載的線性關(guān)系,對(duì)鉆柱系統(tǒng)進(jìn)行諧響應(yīng)分析,得出了不同v/t值下鉆柱系統(tǒng)的動(dòng)力響應(yīng)。為起下鉆鉆井參數(shù)的優(yōu)化提供一定的參考。
　　 其次,結(jié)合柔性多體鉆柱系統(tǒng)和頂部驅(qū)動(dòng)鉆井裝置的特性,基于彈性振動(dòng)理論及有限單元法,建立了鉆進(jìn)過(guò)程中柔性多體鉆柱系統(tǒng)縱向振動(dòng)固液耦合動(dòng)力學(xué)方程。采用ANSYS有限元計(jì)算軟件對(duì)1700m柔性多體

4、鉆柱系統(tǒng)在垂直井中的整體固液耦合縱向振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行了分析,以及對(duì)承受自重、鉆頭靜鉆壓等軸向載荷時(shí)的柔性鉆柱系統(tǒng)縱向振動(dòng)瞬態(tài)進(jìn)行了分析。通過(guò)固有頻率的轉(zhuǎn)換,得到了引起共振的臨界轉(zhuǎn)速;對(duì)不同鉆具組合下的固有頻率及振型的分析,總結(jié)了軸向載荷以及不同鉆具組合對(duì)鉆柱固有頻率的影響規(guī)律。瞬態(tài)仿真分析中,得出了井眼內(nèi)鉆井液對(duì)柔性鉆柱系統(tǒng)的影響規(guī)律:井口處縱振強(qiáng)度最為微弱;井眼內(nèi)鉆井液能有效的降低了鉆桿柱在鉆井過(guò)程中的縱振振幅,大大地削弱了鉆柱的縱向振動(dòng)