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(qiáng)非線性固-液耦合動力學(xué)機(jī)理研究、其動力學(xué)行為與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系、井眼內(nèi)鉆具的動力學(xué)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(jìn)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(jìn)入鉆井液或離開鉆井液時鉆桿工作環(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(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,同時比較MATLA

3、B固有頻率計算值和ANSYS模擬值,驗證了理論推導(dǎo)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(jìn)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(jìn)過程中柔性多體鉆柱系統(tǒng)縱向振動固液耦合動力學(xué)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(jìn)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(jìn)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(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程中的縱振振幅,大大地削弱了鉆柱的縱向振動