基于液固耦合作用下鉆柱縱向振動分析.pdf

1、石油鉆井中,井下湍流環(huán)境下柔性多體系統(tǒng)的強非線性固-液耦合動力學機理研究、其動力學行為與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系、井眼內(nèi)鉆具的動力學特性及鉆井液水力因素對井眼軌跡的影響一直是實現(xiàn)井眼軌跡的預(yù)測和仿真技術(shù)的關(guān)鍵問題,且是開發(fā)鉆井軌道設(shè)計和井眼軌跡監(jiān)測三維可視化系統(tǒng)的基礎(chǔ)內(nèi)容。本論文和以往單獨分析鉆桿縱向振動不同,將井架、游動系統(tǒng)、頂驅(qū)裝置、鉆桿柱等作為一個柔性多體系統(tǒng),開展基于液固耦合作用下起下鉆和鉆進過程中鉆柱系統(tǒng)縱向振動特性分析,對優(yōu)化鉆井參數(shù)

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

3、B固有頻率計算值和ANSYS模擬值,驗證了理論推導的合理性。針對鉆柱提升或下放速度與加速或減速所延續(xù)的時間的比值與動載的線性關(guān)系,對鉆柱系統(tǒng)進行諧響應(yīng)分析,得出了不同v/t值下鉆柱系統(tǒng)的動力響應(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)動鉆井裝置的特性,基于彈性振動理論及有限單元法,建立了鉆進過程中柔性多體鉆柱系統(tǒng)縱向振動固液耦合動力學方程。采用ANSYS有限元計算軟件對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模態(tài)進行了分析,以及對承受自重、鉆頭靜鉆壓等軸向載荷時的柔性鉆柱系統(tǒng)縱向振動瞬態(tài)進行了分析。通過固有頻率的轉(zhuǎn)換,得到了引起共振的臨界轉(zhuǎn)速;對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)鉆井液對柔性鉆柱系統(tǒng)的影響規(guī)律:井口處縱振強度最為微弱;井眼內(nèi)鉆井液能有效的降低了鉆桿柱在鉆井過程中的縱振振幅,大大地削弱了鉆柱的縱向振動