鉆頭—巖石—鉆柱—井壁互作用下系統(tǒng)耦合非線性動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、在現(xiàn)代油氣田鉆井過程中,牙輪鉆頭及鉆柱是主要的鉆井破巖工具,其工作性能的好壞直接影響到鉆井質(zhì)量、鉆進(jìn)速度以及鉆井成本。解決這些問題的有效途徑之一就是對(duì)鉆頭及鉆柱系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行研究,以確定鉆頭及鉆柱的振動(dòng)規(guī)律及力學(xué)性能。隨著現(xiàn)代有限元技術(shù)及數(shù)值算法的發(fā)展,對(duì)鉆頭及鉆柱系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的研究成為可能,因此開展鉆頭-巖石-鉆柱-井壁互作用下系統(tǒng)耦合非線性動(dòng)力學(xué)研究具有重要的理論意義和學(xué)術(shù)價(jià)值。
　　論文對(duì)牙輪鉆頭的結(jié)構(gòu)組成及巖石特性進(jìn)

2、行了探討,在研究牙輪鉆頭幾何學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)的基礎(chǔ)上,綜合考慮鉆頭-鉆柱結(jié)構(gòu)、邊界條件及各種載荷的作用,考慮多向摩擦的接觸邊界和接觸判定條件,運(yùn)用固定界面子結(jié)構(gòu)法將鉆柱系統(tǒng)分為鉆頭-巖石和鉆柱-井壁兩個(gè)子結(jié)構(gòu),基于動(dòng)態(tài)子結(jié)構(gòu)法,應(yīng)用隨機(jī)振動(dòng)理論、動(dòng)力間隙元及非線性耦合理論,建立了鉆頭-巖石-鉆柱-井壁互作用系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)模型,該模型能夠較為全面的反映牙輪鉆頭-鉆柱系統(tǒng)在井下的實(shí)際工作狀態(tài)。研究了鉆頭-巖石-鉆柱-井壁互作用系統(tǒng)非線性動(dòng)力學(xué)模

3、型的解耦算法,利用ABAQUS/EXPLICIT中心差分法對(duì)牙輪鉆頭-鉆柱系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真分析。
　　從仿真結(jié)果可以看出,牙輪鉆頭及鉆柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)分布都呈現(xiàn)出復(fù)雜的無規(guī)律性;在鉆壓、系統(tǒng)自重及動(dòng)載荷等外載荷的作用下底部鉆具組合彎曲失穩(wěn)后與井底及井壁碰撞接觸,這種接觸力的位置和大小都呈現(xiàn)出極大的隨機(jī)性,在牙輪鉆頭的接觸碰撞作用下,井底巖石發(fā)生彈塑性變形直至發(fā)生材料破壞,同時(shí)受井底巖石與牙輪鉆頭的互作用,牙輪鉆頭及鉆柱產(chǎn)生