全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型的建立与算例分析-论文.pdf

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1、第26卷第4期中国海上油气Vo1．26No．42014年8月CHINA0FFSHOREOILANDGASAug．2014全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型的建立与算例分析*程载斌姜伟蒋世全李迅科何保生任革学。王宁羽(1．中海油研究总院；2．中海石油(中国)有限公司工程技术部；3．清华大学航天航空学院)摘要基于绝对节点坐标法建立全井钻柱系统的多体动力学模型，研究系统的耦合振动现象；将大长细比柔性钻柱离散为绝对节点坐标梁单元，讨论梁单元格式，并研究井口、钻头处边界及钻柱与井壁的接触／摩擦模型，给出包含绝对节点坐标梁单元的钻柱系统运动方程；采用向后差分法求解微分一代数方程组，开发多体

2、动力学求解器及相应的前、后处理器。通过直井、定向井算例分析了全井钻柱系统的轴向、扭转、横向耦合振动特性，结果表明本文提出的力学建模和数值分析方法可实时捕捉到钻柱系统的耦合振动现象，能够在钻柱系统动力学研究和工程应用中发挥作用。关键词全井钻柱系统；耦合振动；多体动力学模型；绝对节点坐标法；向后差分法石油钻井中钻柱系统的剧烈振动严重影响钻井学研究和工程应用中发挥作用。的效率和安全。为了深入理解钻柱系统的复杂振动1模型建立状态，以便更好地控制其对钻井的不利影响，国内外学者进行了广泛的研究，包括现场测试l1。]、全尺全井钻柱系统耦合振动多体动力学模型(图1)寸／模型l_5]试验和数值模

3、拟方法，如有限元的建立，包括钻柱系统建模、钻柱与井壁的接触／摩法l6J、集中质量法”、弹性线法。及转子动力学擦描述以及井口和钻头处的边界条件。大长细比柔模型分析。这些研究表明：钻柱系统呈现出复杂性钻柱离散为绝对节点坐标梁单元，钻头和稳定器的耦合振动现象，包括轴向振动(钻压波动、跳钻)、离散为刚体，钻井液的影响包含在附加质量系数、系扭转振动(黏滑振动)和横向振动(涡动运动)，其诱统阻尼和钻柱与井壁的摩擦系数表征中。整体系统因包括钻柱一井壁和钻头一岩石的非线性接触／摩擦力学模型如图1所示。以及不平衡质量、初始曲率、屈曲变形和其他线性或1．1绝对节点坐标梁单元非线性扰动。绝对节点坐标

4、法直接采用定义在全局坐标系下数值模型中，由于忽略了一些引起振动的物理的空间坐标及其梯度作为广义坐标，克服了传统柔因素，难以准确地表征实际的振动现象。有限元方性体描述方法(如浮动标架法、共旋坐标法、相对节法物理概念清晰，实用性强，但增量方法导致其求解点位移法及大转动向量法)由于固连在柔性体上的速度慢。同时，有限转角假设使其无法准确地描述局部参考坐标系而导致运动方程高度非线性_1的大长细比柔性钻柱在狭长井眼内的复杂变形和运缺点。同时，采用严格的微分几何方法描述柔性体动，同样限制了该方法的应用。本文提出了一种基的弯曲率和扭曲率，在处理大位移、大转动和大变形于绝对节点坐标法的全井钻柱系

5、统耦合振动分析的问题时具有速度和精度上的优势。多体动力学模型。算例分析表明，该模型可实时捕本文所述绝对节点坐标梁单元基于文献[16]和捉到钻柱系统的耦合振动现象，可在钻柱系统动力文献[17]，遵循Euler—Bernoulli梁假设。*国家高技术研究发展计划(863计划)项目“旋转导向钻井系统BHA设计分析与导向性能预测(编号：2013AA092401—04)”、“十二五”国家科技重大专项“多枝导流适度出砂技术(编号：2011ZX05024003)”、海洋石油高效开发国家重点实验室课题“基于多体动力学方法的井眼轨迹控制技术研究(编号：2013一YXZHKY-020—03)”部分

6、研究成果。第一作者简介：程载斌，男，2008年获中国科学院力学研究所博士学位，2010年中国石油大学(北京)、中海油研究总院联合培养博士后出站。现主要从事旋转导向钻井、钻井工程力学研究工作。地址：北京市东城区东直门外小街6号海油大厦(邮编：100027)。E—mail：chengzb@76中国海上油气2014钲E83KHuLIEFYA。Al—NASERH．Finiteelementdynamicanal—Amultibodydynamicalmodelandexampleanalysisofysisofdrill—strings[J]．FiniteElementsinAnaly

7、sisandDe—fullholedrillstringforfullycoupledvibrationssign，2005，41：1270—1288．ChengZaibinJiangWeiJiangShiquan[93祝效华，刘清友，童华．三维井眼全井钻柱系统动力学模型研究[J]．石油学报，2008，29(2)：288—291，295．LiXunkeHeBaoshengRenGexue。CHALLAMELN．RockdestructioneffectonthestabilityofaWan