钻柱纵向振动仿真分析

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1、石油学报年月第卷第期一一一文章编号钻柱纵向振动仿真分析吴泽兵马德坤况雨春西南石油学院四川南充,,。摘要国内外在研究钻柱振动时都把钻柱下端当作铰支假设激振旅为周期性的偏离实际从建立符合实际的下端边界,,、,,条件人手着重研究了钻柱的纵向振动用有限单元法求出整体质整体用度整休阻尼矩阵采用的是比例阻尼矩阵利,另外通过钻头与岩石的相互作用模型得到了真实的钻柱下端边界条件,用牛顿法得到钻柱的振动方程并利用。,数字解法模型求解了振动傲分方程根据上述模型编制了用于分析钻柱纵向振动的计算机仿真软件并进行了大量仿真,。实验通

2、过对实验结果分析得到了有意义的结论主题词振动模型软件实验边界条件中图分类号文献标识码前言,,因此不可避免地会发生牙轮现场测量数据表明钻头上受到的最大垂直方向动载荷可达静钻压的倍,。突然被损坏的情形钻头巴掌损坏预示着钻头与井底和井壁发生了冲击碰撞另外钻杆和钻挺丝扣发生疲劳损,导,坏致泄漏或脱扣甚至折断的恶性事故也有发生表明钻杆和钻艇,、受到了大的交变压力毫无疑问均是由钻柱的振动包括纵向振动扭转振动和横向振动造成的。单元,、长期以来国内主要从两个方面研究钻头岩石和钻柱这一系,而下统着重研究钻柱的振动部边界条件为

3、一周期性的激振位单元。,移或激振力着重研究钻头与岩石相互作用没有考虑因钻柱振动带来的影响。、。因此有必要对钻头岩石和钻柱系统动力学进行研究由于这一,,系统相当庞大而且复杂无法通过物理实验来研究所以用计算机仿真技术来研究。研究的目的是分析一定钻柱组合在给定钻井条件下钻头和钻柱上受的动载荷,对优化钻井参数钻压与转速组合、钻柱组合设计、钻头设计及寿命预测有重要的意义。,。为了使问题不复杂化首先只研究纵向振动的情况钻柱系统离散化包括钻头亡,、“”。时刻井底设钻柱上端固定井架大钩和吊绳组成一弹簧钻杆被分成侣产、·,“

4、”,。⋯若干单元单元之间有弹簧连接钻艇也类似处理见图乳’夕时刻井底单元质量矩阵和单元刚度矩阵下一图钻柱离散单元系统〔、〕一竿」,以,,。,。作者筒介吴泽兵男年出生年毕业于西南石油学院海洋石油工程系年获工学博士学位现为西南石油学院钻头研究室翻教授。通讯处四川省南充市。第卷「人‘‘“—一总体质量矩阵厂从⋯’’一犷’」厂’爪沉附犷’」总体刚度矩阵‘一门⋯,一〔〕一一一一一自总体阻尼矩阵」〔〕月、,,式中夕为比例系数通过仿真实验来求即经若干次仿真实验每次取不同的、夕值使动钻压的波动在可接受的范围内。这里’,’分别为

5、单位长钻杆和钻挺的质量为单元长度、,分别为钻杆和钻艇的弹性模量、分别为钻杆和钻艇的截面积为大钩的弹性系数。振动方程,根据牛顿第二定律可得到每个结点的振动方程利用有限单,可元法将所有结点考虑得到整个钻柱系统的振动方程为材反成,,、式中为结点位移和分别为整体质量矩阵整体刚度图钻柱钻头岩石系统坐标系,而矩阵和整体阻尼矩阵为钻头牙齿受岩石纵向反力之和与。,静钻压之差钻柱下部边界条件,,必须考虑钻头破岩才能较为真实地反映钻柱振动的下端边界条件将钻头与岩石相互作用得到的岩石对。一钻头牙齿的反力之和作为下部边界条件从图坐

6、标系中可知泛人了,一艺习习二‘,,。畏乏,刀人‘少,,,,、,,,二,,式中习艺名就是动钻压大小为牙轮数为齿圈数为接触齿数为二少乏,,。,。接触齿受垂向力与反向为负是静钻压与同向为正第期钻柱纵向振动仿真分析振动方程求解及仿真思路,采用侯博特法解振动微分方程其公式为,‘。,、、,。一‘,‘、,,,‘、,,‘一一一二封气不州卜‘二乙少吸丈卜下又‘二乙七州卜几万气‘二乙少八叹只气‘睡少气乙卜‘盏艺少州卜兀万州卜二丁心以七少乙乙乙、乙乙。,,。,‘、,,‘、乙一二‘以七一‘睡夕一下,妞一二二‘以七】气一乙少矛任‘,

7、把连续时间历程离散为间隔为的时间序列。设定一个力山根据前三个时刻钻头即钻柱下端位、,。置一山一山和由侯博特法求得下个时刻位移山,,为,具体步骤就是给定一个动钻压根据侯博特法解出最末结点即钻头上的位移结点数,,由二,二同时由钻头与岩石互作用当钻压为时静力平衡得到钻头的位移当与一取负号是因为钻,,二头的坐标系与振动系统坐标系的轴正好相反相等时则此时整个系统达到动态平衡的大小就是钻头的。,,二,。瞬时进尺若不相等则改变的值重新计算和的值直到相等为止仿真实验、、、、仿真软件要输人或读人数据包括钻柱结构参数钻井参数岩

8、石性质牙齿坐标钻头结构和初始井底数。一、。据动钻压变化曲线见图表五个仿弃实验的条件钻杆钻艇比例系数比例系数实验个数长度外径长度外径尹‘、飞产户尹少了、·”。即‘。绷﹃斋目八乙,小音··。,’‘‘斋专,‘·‘·斋小专。·”“‘‘。斋合·‘‘·“。。斋音结果分析一、,,。二,。,图纵坐标是动钻压单位是横坐标是仿真步数或时间。‘和分别表示动钻压的最大值、最小值、平均值和标准差。五种实验结果比较如下一一,图与图比较钻杆几