小環(huán)空條件下鉆柱動力學(xué)及可靠性研究.pdf

1、國內(nèi)外研究表明，鉆柱失效大多發(fā)生在軸向載荷和扭矩載荷最小的底部鉆具部位上，這種現(xiàn)象和鉆具的轉(zhuǎn)速以及鉆具和井壁之間的環(huán)空間隙密切相關(guān)。論文結(jié)合國家自然基金資助項(xiàng)目《復(fù)雜鉆井條件下鉆井新技術(shù)研究》(50234030)，對小環(huán)空條件下鉆柱的動力學(xué)和可靠性進(jìn)行了深入研究，所取得的成果在石油鉆井行業(yè)有良好的應(yīng)用前景。本論文的主要研究內(nèi)容總結(jié)如下： (1)考慮環(huán)空間隙的鉆柱動力學(xué)理論分析 直井中的旋轉(zhuǎn)鉆柱是一個多支點(diǎn)的十分復(fù)雜的自激

2、橫振系統(tǒng)。對這樣一個系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和數(shù)值模擬十分困難。論文首先研究了單根鉆柱的運(yùn)動狀態(tài)以及由渦動所引起的彎曲應(yīng)力。 鉆柱的橫向振動是在鉆井液中發(fā)生的，鉆井液對鉆柱橫向振動的影響不可忽略，論文從理論上研究了考慮環(huán)空間隙的情況下鉆井液對鉆柱橫向振動固有頻率的影響。 鉆柱的縱向振動是研究鉆柱的動力學(xué)特性一個重要方面，論文對鉆柱系統(tǒng)的縱向振動進(jìn)行了系統(tǒng)分析，使用有限元方法對鉆柱縱向振動模型進(jìn)行了數(shù)值仿真，同時對鉆柱的縱向振動以

3、及其諧響應(yīng)特性進(jìn)行了動力學(xué)模擬。 鉆柱的渦動與鉆柱的動力學(xué)特性密切相關(guān)，渦動過程中的鉆柱會消耗更多的能量，鉆柱的渦動特性和鉆柱與井壁之間的間隙密切相關(guān)，論文對底部鉆具組合的渦動特性進(jìn)行了分析。 (2)鉆柱與井壁碰撞的拉格朗日模型和ALE流固耦合模型 依據(jù)鉆柱與井壁之間碰撞的特點(diǎn)，將拉格朗日方法引入鉆柱與井壁碰撞的分析中。利用動量方程、質(zhì)量守恒方程和能量方程，采用時間積分方法，求解了應(yīng)力與位移之間關(guān)系的微分方程，得

4、到了考慮參考構(gòu)形和當(dāng)前構(gòu)形的三維空間鉆柱和井壁的常應(yīng)變多項(xiàng)式的位移函數(shù)。采用8節(jié)點(diǎn)6面體單元建立了鉆柱和井壁碰撞的整體剛度矩陣。研究了鉆柱與井壁碰撞機(jī)理，以及碰撞過程中鉆柱的應(yīng)力場和應(yīng)變場的變化情況。 建立井眼、鉆柱、地層與鉆井液系統(tǒng)的混合歐拉一拉格朗同方法的流固耦合計(jì)算模型。用ALE(任意歐拉一拉格朗日)方法分析碰撞過程中鉆柱一鉆井液系統(tǒng)的動力響應(yīng)，ALE方法可允許流體區(qū)域變形與移動。描述流體區(qū)可采用ALE參考系，固體區(qū)用拉格

5、朗日參考系。得出了考慮鉆井液影響下的鉆柱與井壁碰撞時的應(yīng)力應(yīng)變變化情況。 (3)環(huán)空間隙對普通鉆井和套管鉆井的影響 研究了在普通鉆井和套管鉆井中鉆柱和套管的渦動頻率、磨損以及疲勞失效分析，從而分析環(huán)空間隙對鉆柱和套管的力學(xué)參數(shù)的影響。隨著環(huán)空間隙的減小和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的增加，鉆柱的疲勞強(qiáng)度是降低的，套管鉆井中的套管比鉆桿更容易發(fā)生疲勞失效事件。 (4)考慮環(huán)空間隙的鉆柱可靠性研究 結(jié)合國內(nèi)外在鉆柱可靠性研究方面