钻柱动力学

钻柱动力学（精选六篇）

钻柱动力学 篇1

下文将首先描述ABIS的钻柱力学模型, 说明一般的求解思路.然后对该模型展开研究, 通过分析计算揭示出钻柱位移与接触力的关系, 利用模型中存在的线性耦合现象, 提出了一套接触力的新计算方法.并引用算例对该方法进行了验证和说明, 对ABIS算法的改进进行了进一步探索.

1 钻柱力学模型

钻柱在井底被看作是一条沿着井眼轴线的空间曲线s (x, y, z) , 但垂直于轨迹的井眼断面是半径为常数的圆形.井眼孔壁是刚性的, 钻杆在井眼孔壁内变形, 钻杆与孔壁接触为点接触.钻杆偏离井眼轨迹的变形简化为小变形梁, 忽略内力对钻柱长度和截面形状改变的影响.并假设每一段的摩擦系数为一常数.

取钻柱某一微段ds, 其在井底受连续的重力G, 根据三维井眼轨迹坐标建立Frenet局部坐标系, 钻柱两端受内力T, 内力矩M, 内力在3个矢量方向分量:Tt, Tn, Tb, 内力矩在3个矢量方向分量:Mt, Mn, Mb.受点接触力fc, 以及相应的摩擦力µfc, 模型如图1.

Frenet局部坐标系满足如下方程[11]

式中, β为井眼曲率, τ为井眼扭率.t为井眼轨迹Frenet局部坐标系的轴向单位矢量;n为井眼轨迹法线方向单位矢量;b为井眼轨迹副法线方向单位矢量.

在Frenet局部坐标系下, 钻柱局部平衡方程[11]为

式中, T为钻柱的内力;M为钻柱的内力矩;f为连续外载, 包括重力、浮力等;m为连续外力矩.根据小变形梁假设.由梁的弹性方程[11]有

式中, u为钻柱中心偏离导向孔轨迹的位移;ω为偏离导向孔轨迹的角度, EI为截面刚度.

当钻柱与井壁间存在点接触力Fc时, 内力存在突变, 利用如下方程计算变化的内力

式中, ∆T, ∆M分别为内力和内力矩的突变;F表示由接触力和接触力产生的摩擦力构成的合外力;µa表示轴向摩擦系数;Fc表示Fc的模, 大小为

边界条件简化: (1) 钻柱在钻头处仅受一个轴向压力, 以及一个扭矩; (2) 钻柱在钻机处位移u和转角ω均为0.

ABIS模型首先假设钻柱处于零接触状态, 仅受连续重力, 将钻柱划分为若干节点.联立局部平衡方程 (2) 和弹性方程 (3) , 带入边界条件, 利用欧拉差分法或龙格-库塔法逐步迭代计算钻柱节点内力及位移.搜索偏离井眼中心最远节点作为接触点, 重新迭代钻柱节点内力及位移.重复搜索, 直到找到所有接触点.ABIS每次迭代仅处理一个接触点, 接触力的存在使得迭代呈现非线性特征, 完成全部搜索需要上百万次迭代.

2 接触力计算

下文将利用ABIS模型表现出的重要特征提出新的接触力计算方法.同样假设钻柱初始接触力为0, 仅受连续的重力.通过平衡方程 (2) 和弹性方程 (3) 计算出钻柱各个节点处的位移.

在某一节点处, 钻柱沿n和b方向有位移Un0, Ub0.在该处b方向添加一个力∆Fn, 联立方程 (2) ∼ (4) 求出钻柱产生新位移Un1, Ub1, 钻柱位移发生一定变化, 则该处钻柱位移变化量为

可以发现存在这样2个常数C1, C2使得

称C1, C2为位移影响因子.同理, 在n方向也存在这样2个常数C3, C4使得

一般的, 若在该节点处添加一个如下接触力, Fc=∆Fnn+∆Fbb, 对应该节点处的钻柱位移变化量∆Un, ∆Ub有

从该式可以看出:

(1) 虽然接触力的求解是非线性的, 但接触力对位移的影响是线性的;

(2) 若已知位移, 可以通过求解二元一次方程组求出接触力, 反过来已知接触力可以求解位移;

(3) n和b方向位移不仅仅取决于相应方向的力.事实上n方向的力对b方向的位移有影响, b方向的力对n方向的位移也存在影响, 即力对位移的影响存在耦合现象.

讨论更一般的情况, 即在钻柱节点I处添加的接触力, 对钻柱其他所有节点的位移影响.

在任意节点I处添加接触力Fc=∆Fnn+∆Fbb, 各个节点产生的相应位移变化组为∆Un, ∆Ub, 分别表示n和b方向的位移构成的向量.计算发现, 同样存在一组影响因子C1, C2, 使得

节点是I依次取1, 2, 3, ···, m, 则构造出一个反映接触力和钻柱位移关系的线性方程组

其中, Cijnn表示第j号节点处的n方向接触力对i号节点处n方向的位移影响因子;Cijnb表示第j号节点处的n方向接触力对i号节点处b方向的位移影响因子;kib表示i节点处接触力b方向分量;kin表示i节点处接触力n方向分量.

将上式记为

式中, B表示由影响因子构成的柔度矩阵;K为钻柱各个节点接触力分量构成的向量;∆U为钻柱各节点位移分量构成的向量.

由式 (11) 可以看出, 接触力与钻柱位移表现出一定的线性特征, 存在一个更为直观的关系式描述两者的关系.在根据平衡方程计算钻柱位移时, 接触力所产生的钻柱形变可以通过该关系式预测;同样, 如果已知钻柱的形变, 相应地也可以计算钻柱所受的接触力.显然, 这种更直观的关系很容易用程序语言描述, 便于编写算法.

由于ABIS模型需要反复地计算接触力和钻柱位移, 而迭代算法每次仅处理一个接触力, 但是计算时实际上所有接触点均参与了运算, 从而导致需要上百万次的迭代来搜索所有的接触点.据此提出如下的改进算法:假设钻柱的初始接触状态, 通过式 (11) 即可预测钻柱各节点的接触力.然后将接触力回带入平衡方程及弹性方程, 计算出钻柱各节点位移, 根据反馈的位移, 对接触力进行调整.通过逐次迭代, 使钻柱接触力趋于稳定.这种对预测接触力的方法不同于ABIS一次迭代仅处理一个接触点的模式, 利用柔度矩阵一次迭代对整根钻柱的接触点进行处理, 可以避免迭代单个接触点时需要大量的迭代调整现象, 仅通过几次迭代即可使钻柱稳定在井壁内部, 收敛后再通过微调接触力, 调整不合理的接触情况.

3 算例

某2 600 m的水平井, 钻柱由五寸半API (American Petroleum Institute) 钻杆组成.将钻柱划分成4段, 总共1 081个节点.通过12次迭代, 钻柱迅速收敛到井壁内部 (图2∼图4) .图2给出了几次迭代钻柱径向位移的模的变化, 并将最终迭代的结果利用三维显示计算机语言进行显示 (图5) .

4 结论

钻柱在井底的接触情况极为复杂, 对接触力的迭代是一个非线性过程, 迭代次数较多.本文根据现有的钻柱力学模型, 结合相应的算法, 对ABIS的模型进行了理论研究, 探索出了新的接触力计算方法, 利用Matlab编写算法进行测试, 结果表明:

(1) 钻柱任何一个节点的接触力对该节点的位移的影响可用正比例函数描述, 相比于复杂的钻柱平衡方程和弹性方程, 能够直观地建立接触力和钻柱位移的关系.

(2) 整根钻柱接触力的计算可以利用一个柔度矩阵, 描述钻柱各个节点接触力与各节点位移的关系.

(3) 能够根据接触力计算钻柱位移, 同时根据钻柱位移计算接触力.

(4) 柔度矩阵的建立使得一次迭代处理钻柱所有的接触点成为可能, 算法测试结果显示仅须十几次迭代钻柱径向位移即可收敛到井壁或井内, 避免了大量的接触迭代, 提高了接触力迭代效率.

摘要：钻柱在井底的接触力计算是一个复杂的非线性问题.选取较为精确的三维钻柱力学模型 (简称ABIS) 作为研究对象, 力图从复杂的求解过程中探索出更直观的方法.从钻柱某个节点的接触力与位移关系, 推广到该节点接触力与钻柱其他所有节点的位移均存在同样的关系, 进而建立了整根钻柱位移与作用在钻柱上的所有接触力的更直观的柔度关系式.据此提出新的接触力计算方法, 算例结果表明该方法显著提高迭代速度.

关键词：钻柱力学,三维钻柱力学模型,接触力,柔度矩阵,算法

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钻柱动力学 篇2

钻柱力学特性研究是现代钻井工程理论和技术的重要组成部分,其主要研究对象是底部钻柱的受力和变形,核心内容是底部钻柱的静力学和动力学特性的研究和应用,如井眼轨迹控制、钻柱疲劳破坏[1]等。因此,获取底部钻柱近钻头处的动态力参数有助于分析底部钻柱的动力学特性。国内外许多学者对底部钻具组合的振动问题进行了大量理论研究,并通过建立理想模型和理论计算,取得了很多成果[2,3,4,5]。但单从理论角度了解并分析底部钻柱的动力学特性是不全面的。随着随钻测井技术的发展,国外已分别利用电缆传输、井下存储、基于底部钻柱动力学模型的地面测量[6]和室内模拟测量[7]等方法,对井下底部钻柱受力和运动特性进行了实验研究和现场测量。采用现有的井下测量短节只能得到部分数据,尚不能准确、全面地建立钻柱动态模型。国内则偏重于底部钻柱动力学特性的理论研究,BHA(bottom-hole assembly)动力学特性的实验和现场实测研究较少。因此,现阶段有必要进一步开展底部钻柱动态力学特性的实验室模拟实验研究[8]。

为深入研究底部钻柱的井下运动状态,分析底部钻具组合的井眼控制轨迹,笔者设计并研制了动态力传感器与多线程虚拟仪器测量系统,构建了模拟底部钻柱的室内实验装置,实现了轴向力、侧向力和扭矩等力学参数的测量。

1 动态力测量原理

钻柱在钻进过程中会发生纵振、横振和扭转振动,承受轴向应力、径向应力、剪切应力。测量底部钻柱近钻头处的轴向力、径向力和扭矩将有助于分析振动形式,为此,设计了图1所示的直梁应变式测力传感器。应变梁材料为高强度合金钢,采用高精度金属应变片作为敏感单元。根据应变计的形变,测出相应的轴向力Fz、扭矩M、钻柱截面内x方向径向力分量Frx和y方向径向力分量Fry,通过计算可求解出截面内侧向力Fc。

该传感器的轴向力测量原理等效于柱式传感器的测力原理。为保证应变计良好粘贴,应变梁截面形状采用方形。粘贴在柱外表面的4个应变片组成应变电桥,其中应变片R1、R3平行于轴向力Fz的作用方向,R2、R4垂直于Fz的作用方向。在轴向力Fz作用下,R1、R3承受轴向主应力,其感受的应变为

$\epsilon {}_1=\epsilon {}_3=\epsilon {}_l=\frac{F{}_z}{EA}(1)$

式中,E为材料的弹性模量;A为梁的横截面积。

R2、R4受Possion效应影响而感受的应变为

ε2=ε4=-μεl (2)

式中,μ为材料的泊松比。

则电桥的输出电压与输入电压之比为

$\frac{U{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}}{U{}_{\text{i}\text{n}}}=\frac{{\rm K}(1+\mu )}{2EA}F{}_z(3)$

式中,K为应变计的灵敏系数。

该传感器径向力Fri(i=x,y)的测量原理可等效为复合梁式弹性体的测力原理。为简化计算,将复合梁式的弹性体等效为一端固定、另一端只能沿作用力方向上下移动的悬臂梁。设应变梁的有效长度为l,应变计粘贴处的平均厚度为h、宽度为b,则应变电桥的电压输出值与输入值之比为

$\frac{U{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}}{U{}_{\text{i}\text{n}}}=\frac{3{\rm K}l}{4bh{}^{2}E}F{}_{\text{r}i}(4)$

扭矩的测量原理是,沿钻柱轴向±45°分别粘贴4个应变计组成全桥电路,感受梁的最大正、负应变:

$\begin{array}{l}\epsilon {}_1=\epsilon {}_4=\frac{1+\mu }{EW{}_{\text{n}}}{\rm M}\\ \epsilon {}_2=\epsilon {}_3=\frac{1+\mu }{EW{}_{\text{n}}}{\rm M}\end{array}\}(5)$

式中,Wn为抗扭截面模量。

应变电桥布局消除了应变计截面上轴向力或弯矩等内力对扭矩M的影响,则电桥的输出电压与输入电压之比为

$\frac{U{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}}{U{}_{\text{i}\text{n}}}=\frac{{\rm K}(1+\mu )}{EW{}_{\text{n}}}{\rm M}(6)$

如图2所示,考虑测力传感器自重G及模拟钻柱轴线与重力方向之间的井斜角β,侧向力Fc与G的x方向分量Gx有关。径向力合力Fr由分量Frx和Fry确定,则截面内侧向力Fc可由下式得到:

F2c=G${}_x^2$+F2r-2GxFrcosα (7)

$\alpha =\arctan \frac{F{}_{\text{r}y}}{F{}_{\text{r}x}}-\theta$

式中,θ为模拟钻柱的转角;α为截面内侧向力与x轴的夹角。

2 系统总体设计

图3示出了由模拟钻柱、测力传感器、转角传感器、无线传输和长线传输等构成的测量系统。其中,模拟钻柱由具有不同管径和长度的钢管通过接头连接而成,总长度约6.44m。驱动装置控制液压系统对模拟钻柱施加作用力。测力传感器随钻柱同步旋转,则贴附有应变片的直梁受外力作用而发生变形。动态力采集终端检测受力变化,并无线发送至主控计算机。由虚拟仪器监测平台实现动态力参数的测量、显示与存储。

2.1 模拟钻柱的转角测量

选用45钢,设计了齿数为60的直齿齿轮码盘,用于模拟钻柱的转角测量。为消除转角单周检测的累积误差,利用双霍尔效应齿轮传感器检测齿牙凹凸产生的磁通变化,分别用于模拟钻柱转角的测量与单周转角值的清零。磁通变化不仅受转速、外界温度和检测距离等因素的影响,还与齿轮的几何尺寸有关。增大齿间距和齿高将有利于提高检测的灵敏度。设计的直齿齿轮码盘的齿高、齿宽、齿间距和齿厚分别为10mm、3.6mm、11mm和10mm,角度误差为±6°。

2.2 动态力采集与多线程测量

图4为电池供电型动态力采集终端,主控芯片选用超低功耗单片机MSP430F1232,内有8路10位、200KB/s的A/D转换器和8KB的Flash存储器。由于设计的动态力传感器输出范围为0~5V,取2.5V为轴向力和径向力的方向零点。即:当传感器输出大于2.5V时,轴向力和径向力受压;反之,则受拉。系统采用FSK(frequency shift-keying)调制方式和高效前向纠错信道编码技术,并对发送的数据进行累加和的校验,提高了数据抗突发干扰和随机干扰能力,最大传输距离为300m,误码率低于10-6。

为实时获取采集终端发送的动态力数据,设计了基于MSComm事件驱动方法的LabVIEW中断串口通讯。该方法无需VC等程序语言的复杂编程,能方便地进行后续处理、过程监测和存储,同时克服了以往LabVIEW应用VISA(virtual instrument software architecture)模块查询串行端口而降低效率的问题。设计了可多线程测量的虚拟仪器检测方法,用于转角脉冲计数、动态力参数的串口无线通讯与侧向力计算,以及用户界面响应。利用while循环分别建立串口无线测量、转角脉冲测量和用户界面交互等3个线程。其中人机交互为主线程,负责主消息循环,并调度串口无线采集和转角脉冲计数这两个辅助线程。为避免图形显示占用过多资源而影响数据读取与处理,两个辅助线程被编制成子程序,属性分别设置为I/O子系统和DAQ(data acquisition)子系统,从而减少了顶层程序的程序代码,提高了系统的运行速度。为协调数据采集子程序和用户交互对CPU的占用时间,程序设置了不同Wait时间,并定义模拟钻柱的转角θ为全局变量,用于动态力数据无线采集时同步读取当前转角,求解径向力Fr,从而计算得到侧向力Fc。

3 实验测试与分析

模拟钻柱动态力测量实验装置由动态力采集终端、实验架、模拟钻柱和模拟井筒等构成,通过模拟钻柱组合进行不同底部钻具组合的模拟实验。设置不同的井斜角,在模拟钻柱的顶端施加不同液压力,测量不同钻压和井斜角时近钻头处的轴向力、侧向力和扭矩,实验转速为1.5r/s。图5和表1示出了底部钻具组合的实验结构及几何尺寸。底部钻具组合为双稳定器结构,由不同几何尺寸的刚性段和柔性段组成,基本形式为:刚性较大的模拟钻柱+第一稳定器+柔性较大的模拟钻柱+第二稳定器+刚性较大的模拟钻柱,中间模拟钻柱的长度可以调整[9]。

侧向力是分析底部钻具组合运动规律的关键参数,图6示出了不同井斜角时近钻头处侧向力随钻压的变化状态。由图6可知:①近钻头处的侧向力对钻压波动敏感;②在一定钻进参数范围内,当钻压一定时,随柔性段的柔度增加,第一稳定器处弯矩减小,具有良好的井斜控制性能;③在一定钻进参数范围内,当柔性段的长度固定时,随第一稳定器距井底距离的增加,侧向力逐渐减小;④改变稳定器至钻头的距离及两稳定器之间钻具柔度可改变钻具的井斜控制性能;⑤改变钻具的长度、管径而构成的不同底部钻具组合具有不同的井斜力,且当井斜角不同时调整钻压可控制井眼轨迹。

(d)井斜角为90°

4 结论

获取底部钻柱近钻头处的力学特性是实现准确控制井眼轨迹的一项重要工作。为此,根据应变片在不同作用力下的应力-应变关系,设计了直梁应变片式测力传感器,研制了一种基于LabVIEW平台的模拟钻柱动态力测量装置,实现了动态力参数的串口无线采集与转角测量的虚拟仪器多线程检测。在井下过程模拟实验室进行了不同钻压和井斜角情况下模拟钻柱旋转过程中近钻头处动态力参数的测量实验,分析了侧向力变化状态对底部钻具组合井斜控制性能的影响,测量结果满足动态测试的要求。

参考文献

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钻柱纵向振动的计算 篇3

钻井中的钻具失效[1]主要由井眼质量问题(如弯曲、狗腿、键槽等)、有害气体引起的钻具腐蚀和磨蚀、各种原因引起的钻柱共振等原因引起。其中,钻柱产生共振是引起钻具失效的主要原因,约有50%[2]的钻柱失效问题是由于钻柱共振引起的。如何针对钻井的实际情况分析振动规律,建立钻柱振动的力学模型,求解出钻柱的固有频率和临界转速等值,通过调整钻进参数,避免或减少钻柱产生共振已经引起越来越多的关注。

1 钻柱纵向振动的计算模型

1.1 钻柱纵向振动数学模型

纵向振动是沿钻柱轴线方向进行的,好像弹簧的上下反复伸缩振动。当外界的周期干扰力与钻柱的轴向固有频率相同时,钻柱发生共振,出现剧烈跳钻。跳钻不但影响钻头使用寿命,而且易引起钻柱疲劳破坏。钻柱的纵向振动使钻头受到冲击载荷的作用,容易导致钻头轴承和牙齿过早的破坏;在钻柱的受拉和受压的分界面上将产生交变的拉应力和压应力,导致钻柱的疲劳破坏。对钻柱轴向振动问题的研究早于纵向振动和扭转振动,前人通过研究取得了一些研究成果。

1.2 国内外针对纵向振动建立的模型分析

李子丰[3]等针对钻柱的纵向振动,分别建立了力激励法和位移激励法的数学模型;计算结果表明,力激励法与位移激励法求得的消振转速相反,即力激励法的消振转速恰恰是位移激励法的共振转速,反之亦然;传统多以力激励为边界条件来研究钻柱纵向振动的频率响应,并指导现场消振作业的,这样给出的最佳消振转速,恰恰是共振转速;在钻井作业中,钻头的纵向跳动比纵向受力的变化要稳定得多,钻柱的动负荷比动位移重要得多,应该用位移激励法研究钻柱的纵向振动问题。

韩春杰,阎铁[4]以深井钻柱为研究对象,分析研究了钻柱的纵向振动、纵向振动及扭转振动。首先,建立了深井钻柱各种振动的力学模型,获得了钻柱振动所遵循的物理规律,得到了钻柱的各种共振频率。然后,结合实际对振动规律进行了应用,该研究为减小深井钻具损坏和优化钻具设计提供了理论依据。

韩致信,李钫[5]等提出了钻柱纵向自由振动的离散力学模型,根据Lagrange方程推导建立了相应的数学模型和特征值的计算式,并用实际算例进行了计算。计算结果表明,按离散模型确定的固有振动圆频率比按连续等直杆模型确定的固有振动圆频率略小。考虑到实际钻柱系统的非等直性,可以认为离散模型的精度将高于连续等直杆模型的精度。但是离散模型的最大缺点是无法用解析法求解,且求解计算工作量很大。

魏水平,况雨春,夏宇文[6]根据动力学理论建立钻柱动力学振动方程。把钻柱看作一个弹性直杆,建立几何模型;通过ANSYS软件分析,得出钻柱纵向振动的特性以及减振器的安放位置对钻柱纵向振动的影响。结果表明,减振器安装适当的位置,可以减少钻柱的纵向振动,从而减少和防止钻柱发生断、刺事故。

Aldred W.D.,Sheppard M.C[7]采用有限元方法,对钻柱的纵向振动建立了振动模型并给出了边界条件及初始条件,考虑到了阻尼的作用,求解出了钻柱纵向振动方程。认为,如何确定钻井液的阻尼系数,对钻柱的振动研究十分重要。但其忽略了钻柱的扭转振动、纵向振动和涡动的影响。

张学鸿等人通过建立钻柱的有限元振动方程,利用振型迭加法、改进的李兹向量法对侧钻井钻柱的纵向振动进行了初步研究,对钻柱的疲劳极限作出了定量的分析和界定,并开发了相应的软件系统。但其忽略了钻柱纵向和扭转振动的影响,更没有考虑到钻柱的涡动,认为钻柱疲劳断裂的主要应力是轴向应力,与实际的钻具动力学运动状态及钻柱失效状况相距甚远。

方鹏,江进国,沈玺[8]采用ANSYS软件对钻柱的纵向模型进行了分析,建立了钻柱的实体模型和有限元模型。通过模态分析技术,计算出钻柱纵向振动的各阶固有频率,并揭示了钻铤的长度组合以及井深等因素的变化对钻柱纵向振动固有频率的影响规律。

赵德云,杨海波,杨跃波以深井中的整体钻柱为研究对象,建立了深井钻柱一维纵向振动分析模型,采用动力有限元理论建立了描述钻柱振动的动力学方程,并且编制了一套钻柱纵向振动分析软件,最后使用该软件对深井实用的钻具组合针对不同的工况进行了分析计算。分析了钻柱长度、阻尼、转速、井下工具对纵向振动的影响。

1.3 针对不足所进行的模型改进假设

上述纵向模型存在的不足在于忽略了钻铤长度的影响。

在图1所示模型中,K1代表井架和钢丝绳的综合刚度,M1代表游动滑车、大钩、水龙头和方钻杆的质量和。K2代表减震器的弹性刚度,M2代表减振器的质量。钻杆长为L1,钻铤长为L2。忽略次要因素,对振动的模型作如下的假设:(1)钻柱的轴线与井眼轴线重合,忽略钻柱的变形;(2)振源来自于井底对钻头的作用而使钻头上下相对机械运动;(3)钻柱与井壁的摩擦系数和流体对钻柱的粘滞阻力系数为常数。

1.4 钻井条件下钻柱纵向振动的求解

在钻柱纵向振动模型进行分析基础上对钻柱微元在纵向振动的过程中进行受力分析:从井口向下建立x轴,设钻柱上任意横截面的位移u(x,t),截取微元段dx,应变为:

在x和x+dx两截面上的内力分别为N和根据胡克定律,对于细长杆可以近似认为:

式中:E为钻柱的弹性模量;A为钻柱的横截面积。在钻井情况下,纵向振动的力学方程为:

则上面方程的通解为

利用端点条件:

(1)在悬挂端x1=0

(2)在钻杆和钻铤结合处x=L1,X=0

(3)在钻柱底部x2=L2

其中:——弹性波的轴向传播速度;ρ—单位长度钻柱材料在空气中的平均质量;E—钢材弹性模量;A—钻柱横截面积;P—该系统的固有角频率;C、D—系统常数,由系统初始和边界条件决定;U(x)—杆上距原点x处截面的轴向振动幅值;T(t)—表示运动规律的时间函数。

由以上边界和初始条件求得:

1.5 有钻井液条件下钻柱纵向振动的求解

在有钻井液钻井情况下,纵向振动的力学方程可以假设为:

式中:它具有速度得的量纲,表示纵波在钻杆中的传播速度;表示阻尼系数。

边界及初始条件如前所示,采用分离变量法,设u(x,t)=U(x)T(t)代入方程(4)得

P为钻柱系统纵振的固有频率由(15)得

方程的解为:

方程(17)的特征方程为λ2+2bλ+p2=0由于阻尼状态的不同,T(t)有不同的形式:

(1)当b>p时,钻柱处于过阻尼的运动状态,特征值

(2)当b=p时,钻柱的振动为临界阻尼状态

(3)当b<p时,钻柱的振动为小阻尼状态,特征值

1.6 结果分析

1.6.1 2000m钻柱不同长度钻铤对固有频率的影响

从图2中可以看出钻铤的长度增加时,钻柱纵向振动的低阶固有频率有所下降。

1.6.2 不同长度钻柱对固有频率的影响

从图3中可以明显看出,钻柱纵向振动的各阶固有频率随着钻柱长度的增加而显著减小。

2 结束语

在钻柱振动规律的研究及应用的分析中,得到了如下结论:钻柱振动现象普遍存在,本文所建立的纵向振动的力学模型和研究方法是有效的。合理选择钻井参数可以减振。钻柱纵向振动的各阶固有频率随着钻柱长度的增加而减小。钻铤的长度增加时,钻柱纵向振动的低阶固有频率有所下降。计入钻井液动力效应后,钻柱的各阶固有频率相应降低。钻井液阻尼对钻柱动力安全性有一定的积极意义。钻井液阻尼有利于提高钻柱的动力稳定性,钻井液的流速越大,钻柱动力稳定性就越好,其失稳区域越小。钻压越大,钻柱越长,钻柱的动力稳定性就越差,其失稳区域就越大。

摘要：钻井过程中钻具失效问题严重。本文在理论分析的基础上,对纵向振动进行了较好的数值分析。研究表明,整体钻柱纵向振动特性受钻柱规格以及长度影响。长度增加,钻柱相应各阶固有频率显著降低。纵向振动还与钻铤的长度有关,当钻铤长度增加时固有频率略有下降。计入钻井液附加质量效应后,钻柱的各阶固有频率显著降低。分析表明,钻井液阻尼对钻柱动力安全性有一定的积极意义。

关键词：固有频率,钻柱,纵向振动,应力

参考文献

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钻柱减振工具研究新进展 篇4

寻求更先进的技术,提供更有效的解决方案,以提高钻进效率,实现安全、高效、经济钻进,是石油工业永恒的追求目标。钻井必须在一种保证钻井井眼质量,并且不损坏设备和诱发风险的前提下进行。

大量与冲击和振动相关的钻井经验表明。钻柱振动被确定为影响机械钻速和进尺提高最为显著的因素之一[1]。快速钻进可能使井下产生振动,导致井下部件过早失效,从而增加了油田开发成本。成本提高主要体现在更换损坏部件、延长施工时间、打捞作业、处理井内复杂工况和侧钻等相关方面。另外,振动会导致输入能量的浪费。当产生振动时会消耗能量,从而阻碍了能量高效转移到钻头上。

减少钻柱振动是钻井优化中的一个关键问题,近来,业界一直在寻求和研究这个问题的解决方法,通过最小化或防止冲击和振动,使更多的能量传递到钻头上以减少能量的损失,从而提升钻井效率。目前已开发出多种新型钻柱减振工具并运用于底部钻具组合中以减少振动对底部钻具组合的影响效果。

1技术现状分析

钻柱的振动分为轴向振动、横向振动、扭转振动3个主要的振动模式。这些振动模式彼此是相互关联的,从而使得减轻冲击和振动更具挑战性和复杂。为了减少钻柱振动,业界做了多种研究,已研发出多种新型钻柱减振工具,如防失速工具(AST)、V-Stab、Active Vibration Damper、Neo Tork等。

1.1 Tomax公司AST工具

防失速工具(AST)是挪威Tomax公司开发的一种以实时自动调整钻进转矩为目的的井下工具,它能储存和释放钻井过程中产生的过量转矩,进而实现钻头转矩的实时自平衡,调整钻头切削深度,实现钻头转矩波动的“消峰填谷”。

该工具主要由上接头、弹簧、外壳体及螺旋花键副等构成,其结构如图1所示。在正常工况下,该工具被动地为钻柱传递转矩和钻压。然而,如果出现能量向钻头传输不稳定的情况,该工具能够主动控制钻头轨迹来为钻头提供一个稳定的状态。当钻头转速下降反转矩迅速增加时(钻头失速),过大的转矩将克服压缩弹簧的阻力,工具将会收缩,使得工具的总长变短从而减小压在钻头上的钻压。当钻头转速正常时,防失速工具将会逐渐释放储存的转矩[2],通过螺旋花键将过度转矩转换成轴向力,从而增加钻头钻压。

1.2 NOV公司V-Stab工具

V-Stab是NOV公司开发的一种减振工具,结构如图2所示,没有零部件,整个工具是一个完整的叶片设计,因此能降低现场作业的风险[4,5,6,7,8]。

V-Stab有2个等直径的叶片,不允许管柱向相反的方向运动,去除第3个叶片的目的就是为了让管柱在井眼的一侧运动。V-Stab可以减少振动因为其非对称的横截面几何形状提供了钻柱可变的自由运动,并且其偏心质量可对管柱提供一个向心力。该工具能最大限度地减少振动的幅度和频率,因为其独特的几何形状设计。V-Stab运用了双中心几何设计。双中心几何设计除了能够允许稳定器部分通过一个较小的井眼外还能使管柱在大井眼中保持稳定。当管柱发生振动时,尺寸不足的稳定器部分可以向所有方向上运动,这样它将有助于降低管柱在任意方向上的运动幅度。这种技术在墨西哥湾钻井应用中,机械钻速得到了显著提高,监测到的黏滑效应和钻头失速降低了50%,最终节省了钻井时间和总的钻井费用。

1.3 Neo Oiltools公司Neo Tork工具

Neo Tork是卢森堡Neo Oiltools公司设计的一种井下转矩控制工具,如图3所示。该工具能自动控制钻头形成转矩,可减轻轴向振动和扭转振动,使用该工具可减少钻井时间,降低钻井作业成本,并能提升钻井性能。

Neo Tork工具主要由顶部装置和底部装置两部分组成,顶部装置(图4)为一内含碟簧的管件,组装后这些碟簧被压缩。碟簧推动芯轴促使工具延长至其全长。碟簧片数取决于预设门限钻压和转矩。底部装置(图5)控制工具的延长和收缩。该工具工作原理与AST类似。

一旦井下转矩超出Neo Tork工具预设的极限,碟簧和钢丝绳系统会自动收缩,从而减少钻头切削深度,使得工具的总长变短从而减小压在钻头上的钻压,当钻头转矩正常时,“存储”在系统里的过量转矩会缓慢释放,通过底部装置转换成轴向力,从而增加钻头钻压。整个过程中钻头始终保持在岩层中,钻井过程不会被中断。

Neo Tork工具已通过了大量的实验室试验和对比试验。试验结果显示,使用Neo Tork技术,其垂直振动可减少1/4。在重载荷条件下,没有装备Neo Tork技术的钻柱停转了15次;而装备了Neo Tork技术的井底钻具钻进速度提高了40%,几乎没有出现停钻现象[10]。Neo Tork工具有钻井用和连续油管用两种,既可以用于钻井、取心、扩眼等作业,也可以用于连续油管钻磨桥塞、切割等作业。

1.4 APS公司Active Vibration Damper(AVD)工具

A ctive Vibration Damper(AVD)是APS公司开发的一种智能减振器,该工具能减少轴向、扭转和横向振动[11]。该工具长9.8 m,如图6所示,通常在垂直钻进时安装在近钻头位置,在定向钻进时安装在随钻测井(MWD)之上。

AVD是一种独立的井下工具,可实时自动调整井下钻具组合的运动状态以减小钻具所承受的轴向振动和扭转振动。AVD从结构上类似于一种增加了可编程阻尼模块的减振器。它的减振舱内充满了一种黏度由电子控制的磁流变液。其内置的集成运动传感器每秒测量数次位移量,并基于当前钻进工况,以超过7:1的范围改变阻尼系数。通过将钻柱的阻尼保持在符合钻进工况的范围内,可有效减小振动,使钻头与地层保持更好的接触,从而提高钻进速度[12]。

AVD可以作为独立的钻井工具使用,不需要对其进行标定或者其他维护工作。在此模式中,AVD将记录振动和压力数据以用于后期下载。AVD在阿曼、加拿大和德克萨斯州进行了商业应用,在加拿大应用中,钻头进尺提高了44%,贝克休斯测井数据表明,与临井相比振动幅度得到显著改善[13]。AVD工具尚未形成系列化,且与纯机械减振器相比,价格昂贵,维护保养费用较高。

1.5 Wired Drill Pipe(WDP)

有线钻杆技术(WDP)可以将多个传感器放置在底部钻具组合中,提供高精度的振动监测。多个传感器能覆盖整个管串的监测,从而提高对振动的控制和提高对井下环境的认识。传感器可以放置在底部钻具组合中来记录井下数据,这些数据可以从地面读出来并调整钻井参数,从而最大限度地减少振动和获得最佳的钻井参数。实时监测井下数据对早期识别和预防钻柱振动是极为重要的[14]。

WDP可以确定振源位置,振动如何在管串中传递和什么位置是振动最严重的。这些更详细的信息,在钻井过程中被捕获,将提高钻井的自动化控制水平,因此该技术可以更容易准确地实施减振措施,从而提高每个井下元件的可靠性。该技术被证明在解决长井段遇到的问题上是特别有价值的,但是该技术应用起来非常昂贵,是减振技术未来的发展趋势。

2结论

随着MWD、LWD、旋转导向装置、垂直钻井工具等特殊井下工具在钻井作业中的广泛应用,钻柱减振工具具有减弱井下冲击振动对以上工具中元器件不利影响的优势,应用日益广泛。钻柱减振工具可有效降低作业成本,减少井下冲击振动引起的安全事故,大幅提高作业效率。

目前,国外的新型钻柱减振工具由最初的机械式向智能式发展。随着新技术的运用,智能化钻柱减振工具可以对井下数据进行实时监测,进而对钻柱的振动进行早期识别和预防,调整钻井参数,从而最大限度地减少振动和获得最佳的钻井参数。国外这5种典型的新型钻柱减振技术均能起到减振的作用,但在工程应用方面还处于探索阶段,国内在新型钻柱减振工具方面的研究较少,建议国内尽早开展对新型钻柱减振工具的系统性研究和配套工艺的研究,推进其发展应用,以发挥其特有优势,力求缩小与国外技术的差距,提高我国的石油装备研发水平。

摘要：在钻井过程中,钻柱振动是影响机械钻速和提高进尺最为显著的因素之一,不仅如此,钻柱振动会使钻进过程风险增加,作业成本提高,并且可能给钻进过程带来很多困难,其一直是困扰石油行业的一个关键问题。为了减少钻柱振动,业界做了多种研究,已研发出多种新型钻柱减振工具,如防失速工具(AST)、V-Stab、NeoTork、Active Vibration Dam per等,文中重点介绍了这些工具的技术现状、结构和性能,对国内钻柱减振工具研究具有一定的借鉴作用。

钻柱声传输的OFDM调制方法实现 篇5

油气开采过程中, 随钻测井 (LWD) 技术能够实现实时参数测量, 较真实地获取待测地层特性参数, 其中, 随钻测井技术的关键是实现井底与地面间的数据传输[1,2]。电缆、光缆等有线传输方式存在连接可靠性较差、结构复杂等不足, 因此近年来井下无线传输技术得到了迅速发展。泥浆脉冲和极低频电磁波地层传输是传统的无线传输方式, 但是受到载波频率的限制, 传输速率不高, 已无法满足随钻测井技术发展过程中伴随的数据传输量增加的需求。基于油井钻柱的连续钢介质, 采用低频声波作为载波的无线传输技术因载波频率可为400 Hz~2 k Hz, 理论传输速率可达100 bit/s, 且信道相对简单, 已成为当前随钻测井无线传输技术的研究热点[3,4,5]。

由多节钻杆和接箍构成的钻柱信道导致声波在传输过程中存在色散和多重反射回波, 从而引起严重的码间干扰。正交频分复用 (OFDM) 是当前广泛应用于无线通信系统中的多载波调制技术, 因其各子载波均为窄带传输, 其符号宽度远大于单载波传输, 可有效克服传输中的多径干扰[6]。

本研究针对钻柱信道的传输特性, 将OFDM调制技术引入钻杆声传输系统, 并采用PC机结合FPGA模块和数据采集卡的方式实现OFDM信号调制。

1 钻柱信道的传输特性

1.1 钻柱信道理论

钻柱是由多节钻杆和接箍交替连接组成的周期性管结构, 如图1所示。

l—钻杆和接箍的长度;A—钻杆和接箍的横截面积;c—声速;ω—角频率;k—波数, k=ω/c。

其色散方程[7]为:

式中, M=- (A1/A2+A2/A1) /2。

不同频率ω, 波数k对应取实数或复数, 钻柱信道将表现出通阻带交替的梳状滤波特性。由于钻杆端面及接头的高反射性, 钻杆中的声波脉冲响应持续长达数百毫秒, 造成明显的多径干扰, 会极大地限制信道的传输能力[8]。

1.2 实验用钻杆信道传输特性测定

本研究采用单根钻杆作为实验信道, 对100 Hz~5 000 Hz步长为100 Hz的正弦波进行扫频激励。采集到的信号情况表明, 1.5 k Hz~1.66 k Hz时正弦波形基本没有失真。

本研究通过冲击响应来进一步测定钻杆的频响, 其结果如图2所示。由图2可知, 该冲击响应下的频域分布与扫频测试结果一致, 在1.5 k Hz~1.66 k Hz频率范围内信道具有较好的传输通带。

单次脉冲下的时延扩展测试选用激励信号为脉冲宽度100 ms的正弦波 (选用频响较好的1.56 k Hz正弦波) , 实验中可以看到很明显的时延扩展, 从脉冲结束到衰减完成约为50 ms左右。

传统的单载波调制码元宽度普遍比较窄, 会严重影响传输过程中的可靠性, OFDM调制的子载波可以设置比单载波大得多的码元宽度, 扩展时延可作为码元宽度选取的依据。

2 OFDM数据调制的设计

根据实验测得的钻杆传输特性可知, 可靠的声信号数据传输只能在有限的频带内实现, 并要受多重回波引起的码间干扰影响。正交频分复用 (OFDM) 是一种多载波调制技术, 将信道通带划分为多个正交窄带子信道, 输入的数据通过串并转换被加载到N个并行的子信道上, 如传输速率不变, 每个子载波码元长度可扩大为原来的N倍, 因此时延扩展的影响将被有效降低。若在信号中插入保护间隔, 则可以彻底去除码间干扰[9]。

2.1 OFDM的基本原理

本研究中OFDM的各子载波之间是正交的, 因此要求相邻载波的频差为Δf=1/T, T为码元宽度, 符合离散傅里叶变换 (DFT) 和反变换 (IDFT) 之间的参数对应关系, 使得OFDM完全可以由基于数字电路的快速傅立叶变换 (FFT) 来实现。

假设数据di为矩形函数, 令fi=i/T, i=1, 2, …N, 如图3所示, 对S (t) 离散采样, 有:

式 (2) 表明, Sk是对di进行N点的IDFT运算结果, 而di也可以由Sk的DFT变换结果得到, 即有:

式 (2) 和式 (3) 表明, OFDM的调制与解调可分别由离散傅里叶变换 (DFT) 和反变换 (IDFT) 实现, 而实际系统中可采用IFFT和FFT分别实现IDFT和DFT运算, 且FFT有多种算法, 可以采用数字电路方便地实现。

2.2 OFDM调制的设计与实现

基于上述工作原理, 本研究对用于钻杆声传输实验的OFDM调制进行了设计。

OFDM系统原理框图如图4所示。

系统采样频率为10 k Hz, 对应可分辨频段为0~5 k Hz, 因为钻杆信道可用通带为1.5 k Hz~1.66 k Hz, 数据在串并转换后需要将其他频率点置零, 进而后续的IFFT运算。本研究对各子载波采用二进制启闭键控 (On-Off Keying, OOK) 调制, 因其对频偏和相移都不太敏感, 比较适合传输速率比较低的钻柱低频声波数据传输。根据钻杆信道特性, 本研究选取码元宽度为100 ms, 子载波17个, 其中1个作为导频, 其余16个用于数据调制, 即传输速率设为160 bit/s。

10 k Hz的系统采样, 对应各子载波的整周期采样数小于10, 若将幅度量化设为10, 17个子载波需要的幅度量化为170, 12位 (量化数为4 096) 的D/A转换能够满足分辨率要求。本研究采用PC端Matlab、Lab VIEW结合硬件FPGA模块 (FPGA芯片为EP2C35F484C6, 配备12位串行D/A转换芯片TLV5616, 0~5 V) 、数据采集卡 (USB7360B, 10 k Hz, 16 bit, -5 V~+5 V) 实现。系统按照功能可划分为:数据产生、OFDM调制、D/A转换、信号采集、OFDM解调、数据还原分析等。

2.2.1 信号发送端设计

数据源部分采用m序列 (又叫伪随机序列, 通过线性反馈移位寄存器产生) 来模拟随机数 (可作为传感器数据的模拟) , 根据子载波数完成数据的串并转换, 每段数据加入前缀导频, 随后将每段17位数据 (包括导频信息) 扩展至1 024位, 用以进行后续的IFFT计算。IFFT计算完成后, 再将数据转换成串行数据帧 (数据帧中每1 024个采样值代表16位数据, 采样值取整为12位, 以适应硬件的12位D/A芯片) , 并在数据帧前段加上同步帧、系数帧。同步帧采用1 560 Hz的正弦波信号, 正弦信号长768, 间隔256, 总长度1 024个采样值;系数帧则基于17位数据均为“1”的一段数据经OFDM调制而成, 即长度也为1 024个采样值。经过OFDM调制后的信号结构由同步帧、系数帧及数据帧 (不限长度, 根据传送数据要求) 构成。

本研究由硬件FPGA模块实现D/A功能, 将PC端调制好的数据传给FPGA, 通过FPGA与外部D/A芯片接口实现数据的数模转换, 随后信号经功率放大器激励激振器, 将声波信号加载至钻杆端面实现OFDM调制信号的发送。

2.2.2 信号接收端设计

声波信号由钻杆另一端面的加速度计采集, 经电荷放大器后转化为电压信号, 完成OFDM调制信号的接收。数据采集卡采集电压信号至PC端, 由Matlab完成数据的同步、均衡、解调、还原。

信号时频同步通过对同步帧的处理实现, 将其与同频率、同长度正弦信号相乘以获取时间同步点 (只有两信号时间点同步的情况下, 相乘才能得到最大值) 。在获取时间同步点下, 进一步通过与参考信号相乘进行频率同步 (对频率进行微调, 当频率一致时, 相乘才能得到最大值) 。若有频率偏差, 则需进行插值处理。各子载波的幅频响应并不一致, 如果采用相同的判决准则, 就需要对各子载波进行信道均衡。OFDM解调能够直接得到各子载波幅值大小, 只要得到信道均衡系数, 就能简单地实现数字信道均衡[10]。

本研究将系数帧进行FFT变换后, 可得到各子载波的幅频响应情况, 通过各子载波幅值与导频幅值相除得到均衡系数。这样, 在后续的数据帧经过FFT变换后, 数据与对应各子载波的均衡系数相乘, 完成信道均衡, 并与导频幅值比较、归一化后, 则可采取共同的判决逻辑 (即, 大于0.5判断为“1”, 否则为“0”) , 从而还原出数据。

3 实验测试

本研究对设计的OFDM调制方法进行了传输实验测试, 开展了传输速率、准确性与可靠性的分析评价。调制信号经功率放大器 (GF-300B, 最大功率300 W) 后激励激振器 (JZ-20, 响应频率5 Hz~5 000 Hz) 将声信号加载至钻杆 (长1.21 m) 端面。接收端则由加速度计 (BK4366, 响应频率1 Hz~8 000 Hz) 检测到声信号后经电荷放大器 (BK2635) 转化为电压信号, 由数据采集卡将数据采集至PC机。

根据上述OFDM实现方案, 传输速率为160 bit/s;本研究将测试数据包单个长度设为256 bit, 由m序列生成的多个不同伪随机序列组成不同的测试数据包来测试传输的准确性;对单个数据包长时间重复循环发送, 用以测试传输的可靠性。

接收端采集的数字信号波形如图5所示。

时域波形对应调制信号也分为:同步帧、系数帧、数据帧, 受到信道多径干扰的影响, 同步帧0幅值的间隔段有了明显的干扰。解调后波形实际上就是接收信号的频谱图, 可以看到能量主要集中在载波频段。

由采集到的同步帧和系数帧波形, 本研究进行时频同步及均衡系数获取 (系数获取值[0.66, 0.51, 0.68, 0.71, 0.57, 0.5, 0.48, 0.38, 0.298, 0.24, 0.21, 0.2, 0.23, 0.28, 0.36, 0.44]) 。本研究对长度均为256 bit的15个不同数据包进行传输测试, 实验结果如表1所示。总计数据量3 480 bit, 总计误码数为3 bit, 误码率为8.62×10-4。同时, 本研究进行的长时间 (单次1 h以上) 可靠性传输测试数据传输误码率均低于10-4。

实验结果表明, 本研究设计的用于钻杆声传输的DFDM调制方法能够以10-4误码率和160 bit/s传输速率实现准确可靠的数据传输。

4 结束语

针对钻柱信道存在的多径干扰和色散问题, 本研究采用OFDM调制技术, 根据信道传输特性确定OFDM调制参数, 并结合FPGA、数据采集卡和计算机, 设计了OFDM数据传输实验平台, 实现了OFDM信号的时频同步和信道均衡。

数据传输实验结果表明, 该系统能够在160 bit/s传输速率条件下以10-4误码率进行可靠传输, 有效地克服了钻柱声传输中的多径干扰, 并提高了数据传输速率, 为后续钻柱声传输的现场应用研究提供了方法指导。

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深部地质钻探钻柱失稳行为分析 篇6

1 深部地质钻探钻柱失稳行为研究的目的和意义

钻柱失稳行为严重的影响了钻探工作的顺利进行, 会增加钻进的摩擦阻力, 加大钻压传递难度, 还会导致卡钻和自锁等事故发生, 使孔壁很难保持稳定, 还会增加钻孔轨迹的控制难度。

我国经过几十年的研究, 在钻柱失稳行为上的研究已经获得了很大的进步。不过, 很多研究过于关注失稳定性与描述, 试验的结果也大多是近似的失稳结果, 还没有提出具体的理论, 确定失稳的过程。我国对钻柱失稳的研究还有一定的局限, 而钻柱失稳有着自身的复杂性特点, 有必要加强对钻柱失稳的进一步研究与试验。使人们更清楚失稳的过程, 及时发现失稳, 理解失稳发生的原因, 更好的进行失稳的理论研究, 验证试验的结果, 以便及时修正试验与理论, 帮助我国深部地质钻探更好的开展工作, 提供重要的参考[1]。

所以, 本文研究了我国深部地质钻探中绳索取心, 通过理论和试验手段, 进行研究与分析, 研究深部地质钻探失稳行为, 帮助深部地质钻探设备的设计进一步完善, 钻探的规程参数也有了足够的理论依据, 防止钻杆发生失稳和自锁等事故, 降低取心钻探工作中钻杆与钻头磨损[2]。

2 深部地质钻探钻柱失稳行为分析

2.1 钻柱屈曲行为的分析

深部地质钻探钻柱孔内的运动形式十分复杂, 还会随着孔深变化, 使钻柱真实运动的形态更难确定。可以将钻柱失稳行为进行以下假设进行分析。

假设钻柱处于线弹性的变形状态, 和孔壁横截面是规则的圆环形或者圆形, 从而忽略了剪力对钻柱的影响, 绕着钻柱进行轴线的旋转, 省略动力效应[3]。

2.2 地质钻探钻孔几何描述

以端点O为圆点, 要建立起OXYZ的空间坐标, 确定直角的坐标系以X轴、Y轴与Z轴作为单位向量。如图1~2所示。

按照钻探的实际情况, 要建立起深部地质钻孔的横向截面, 以R作为钻孔的半径, 以r作为钻孔的中心到钻柱轴心距, 以θ作为钻柱偏转角。

对钻柱螺旋屈曲和临界载荷进行分析, 可以假设中和点下钻柱到螺旋屈曲的状态, 钻柱长度, 可以形成多个螺旋波形, 而扭转会影响钻柱螺旋屈曲, 如表1所示。

以表1可以发现, 扭矩增加会影响钻柱螺旋的屈曲临界载荷变小, 试验结论和实际情况一致, 证明了上述试验中扭矩和临界载荷关系非常正确[4]。

2.3 深部地质钻探钻柱的模型建立

(1) 钻柱有限元分析法

有限元分析法指以变分为原理发展出的理论, 通过计算机完成场问题数值的计算, 用Laplace的调和方程和泊松方程进行物理场的描述, 场和泛函极值的问题有着密切的联系, 可以广泛的应用。

对于常规的力学分析方法来说, 使用有限元法进行分析有以下优势:

能应用在复杂的不同形状和材质的工程结构中进行分析, 可以分析计算荷载、材料和边界条件之间的关系, 可以进行结构动力的分析, 可以进行前、后处理的分段分析, 对方案进行平行的比较, 使用图形或者表格进行计算, 最终利于方案的优化选择[5]。

早在70年代, 对有限元法就应用在钻柱的研究中, 有限元法的线弹性理论进行下部的钻具组合, 对力学进行分析和求解, 建立了钻柱结构的分析。后来, 研究人员把有限元法又应用在钻杆局部的仿真模型研究中。对钻柱研究其它地方, 有限元法也充分发挥了作用, 例如:可以对钻杆的焊缝进行热张力的分析, 可以减少弯曲和变形, 还能利用有限元法, 研究钻杆的焊接残留应力, 研究其对应力残余的分布规律。利用有限元法的线弹性分析常用稳斜的钻具, 分析造斜与降斜等钻具的特点。而这些研究工作都为钻柱有限元的分析方法打下了坚实的基础。

(2) 钻柱有限元方法的应用范围

现阶段, 钻柱有限元方法应用在以下领域内:

钻柱静力学方面的分析:利用有限元法可以对钻柱的结构进行承载荷应力与应变、变形等方面的分析, 如果钻柱作用受到载荷时间影响不会产生太大的变化, 或者完全没有变化时, 可以应用静力学进行分析, 这种分析方法是钻柱研究比较常用的, 基本的类型[6]。

钻柱动力学的分析:钻柱动力学的分析指钻柱横向、纵向扭转、耦合等方面的振动, 对振动形式进行分析, 一般用作钻柱自振的形式与固有的频率振动, 钻柱周期与非周期方面的载荷与动态的响应研究。

钻柱屈曲问题:钻柱屈曲问题是几何非线性的问题分析, 可以以有限元的分析方法来完成钻柱失稳临界载荷的分析, 模拟失稳屈曲的模态和形状, 例如:钻柱受到疲劳破坏等情况, 而钻柱有限元的分析方法在研究中可以从以下几步来完成:

第一步:剖分离散。假设将连续钻柱进行分割, 当分割的为若干单元体, 例如:正四面体、正多面体等。在单元间的节点处进行联系, 由一个集体建立单元集合的整体, 替代原本钻柱, 在节点位置引入等效的加载条件和适当的约束, 代替钻柱实际外载荷和边界条件。

第二步:单元特性的分析。按照分块相似原则, 根据一定标准, 例如:基本函数的关系、力学的关系等。从而建立起求解的未知参数和钻柱节点间互相作用的关系[7]。

第三步:单元组集。把钻柱的单元体按照特定的条件, 例如:连续的、协调的变形, 能量守恒等方面内容。可以组合在一起, 加入边界的条件, 建立以节点量为未知参数方程组。

第四步:求解节点的未知量。对节点变量的未知参数方程进行求解, 要确定节点未知变量具体的数值。而钻柱可以根据有限元的分析方法, 确定无限自由度钻柱, 如果只是有限自由度钻柱的单元集合体, 就可以把问题简化为方便数值求解结构方面的问题。

(3) 钻柱模型的建立

充分考虑好建模的对象, 钻柱结构相对简单, 所以应用命令流可以直接进行有限元分析模型的创建, 可以有效降低计算的成本, 节省计算的资源, 还能提高钻柱模型节点与单元控制工作, 按照实际情况进行模型的网格划分。

钻柱建模可以分以下步骤完成:

第一步:确定建模工作的文件名称、标题及使用的单位制。

第二步:钻柱几何参数与相关参数要完成初始化。

第三步:进入到前置处理器, 可以对建模单元的类型、材料等属性完成定义工作, 创建节点和模型单元。

3 结束语

综上所述, 本文对钻柱的自重、和孔壁间正压力、表现纵向和横向的摩擦力等因素充分考虑, 建立起深部地质钻探钻柱失稳的研究, 按照钻柱失稳的屈曲变形, 将钻柱失稳分为稳定、正弦屈曲、螺旋屈曲三个阶段, 从而确定钻柱屈曲失稳临界的载荷, 确定钻柱载荷的应力。由仿真模拟系统的研究, 可以发现, 钻柱的一般失稳规律可以使我们完成钻柱交变应力大时结构材料进一步优化与设计, 还能提高钻柱的强度, 避免强度被破坏。由于钻柱处于不同振动中固有频率不同, 所以, 分析钻柱周期的频率, 也能帮助研究人员区获得钻探转速等参数, 防止出现共振性的破坏, 保证了钻探工作的安全, 还能提高我国钻探工作顺利开展, 取得最大的经济效益。

摘要：我国对地层的深部开发已经十分迫切, 对深部地质钻探也不断加深, 这就对我国深部地质钻探工作提出更高要求, 要求我国地质钻探的研究人员, 要对钻柱稳定性进行深入的研究。本文对我国深部地质钻探钻柱失稳行为的研究目的和意义进行探讨, 分析了深部地质钻探钻柱失稳行为, 帮助深部地质钻探开展更合理的设计, 获得钻探的科学参数提供参考。

关键词：地质钻探,钻柱失稳

参考文献

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