岩心钻探中钻杆扭转振动特性分析及其应用

岩心钻探中钻杆扭转振动特性分析及其应用张明明【摘要】：岩心钻探中钻杆柱的受力情况比较复杂，钻杆柱受到外界环境干扰而产生的振动是不可避免的，通常振动主要有四种形式：横向振动、纵向振动、扭转振动、耦合振动。不管何种方式的钻柱振动，对钻进过程都是有影响的，由扭转振动而引起的钻杆柱剧烈共振会导致钻杆疲劳失效而引起钻杆的断裂和钻头的损坏，甚至会导致钻探事故的发生。由于传统弹塑性强度理论和数值分析法在解释钻杆柱振动问题方面比较粗略和复杂，因此有必要找到一种新的研究方法代替，大型有限元分析法正是在这种背景下运用到钻杆仿真分析中的。本文主要对岩心钻探中钻杆柱的扭转振动形成机理进行了分析，在此基础上研究振动对钻进过程和钻杆柱自身的不利影响，讨论钻杆柱在交变弯曲应力、径向周向应力等复合载荷下以Ⅰ型、Ⅲ型裂纹扩展的速率，进行钻杆柱疲劳寿命的估算。通过选取合适的Ansys有限元单元类型，建立了参数化钻杆柱的仿真模型，为提高有限元软件分析的效率，而使用了APDL语言，直接对模型实常数赋值，快速得到模型分析结果。本文在探讨理想垂直孔中钻杆柱扭转振动特性时，首先建立了与实际钻进工况相近的钻杆柱扭转振动力学模型，求解扭转振动力学方程，分析振动状态下钻杆柱的运动规律；并利用Ansys对钻杆柱的动力学问题进行了分析，主要研究了扭转振动固有频率在多种因素（如环境温度、泥浆密度、钻杆与孔壁间隙等）影响下的变化规律，同时获得了钻杆柱前六阶的固有振型图，分析扭转振动角位移响应结果与钻孔深度、钻具组合方式之间的关系等。此外，还研究了线性结构杆柱承受随时间变化的简谐载荷时的响应结果，预测钻杆柱的持续动力特性。钻杆柱扭转振动的有限元分析结果为确定钻机临界共振转速，优化钻进的钻具组合，钻杆力学薄弱部位的处理等环节提供了参考依据，对钻探工程中的防钻杆共振破坏有着十分重要的指导意义。基于钻杆柱扭转振动的分析成果，探讨了大岗山水电站深孔帷幕灌浆孔钻探工作中钻杆的振动问题，结合钻探取心资料和高频次钻孔测斜数据分析钻杆的振动对帷幕成孔质量的影响。因钻柱的振动和钻孔的倾斜是相互因果的，为保证成孔顶角偏差控制在设计范围内，针对该工程的特点，从不同方面提出了防止钻杆发生共振的几点措施。实践证明，Ansys钻杆柱扭转振动分析成果具有较高的经济价值，极大地提高了钻探工程的质量，效果显著。【关键词】：扭转振动疲劳极限参数化钻杆柱动力学分析应用分析【学位授予单位】：成都理工大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：P634.3【目录】：摘要4-6Abstract6-11第1章绪论11-201.1研究目的和意义11-131.1.1研究目的11-131.1.2研究意义131.2国内外研究现状13-181.2.1国外研究现状13-161.2.2国内研究现状16-181.2.3发展趋势及存在的问题181.3本论文主要的研究工作及技术路线18-201.3.1论文的研究工作18-191.3.2技术路线19-20第2章钻柱扭转振动机理及疲劳破坏对寿命的影响分析20-322.1钻柱扭转振动形成机理分析21-242.1.1黏滑转动和蹩钻21-222.1.2地层因素222.1.3钻柱管材属性22-232.1.4钻探因素23-242.2扭转振动对钻柱的影响24-252.3扭转振动下钻杆寿命的估算25-312.3.1力学模型262.3.2钻柱受力计算26-292.3.3疲劳破坏下寿命估算29-312.4本章小结31-32第3章钻杆柱扭转振动有限元分析32-633.1有限元方法简介32-333.1.1概述323.1.2有限元法的基本步骤32-333.2钻杆柱Ansys有限元建模33-373.2.1钻柱模型相关参数333.2.2模型的基本假设33-343.2.3单元的选取343.2.4参数化钻杆柱模型的建立34-363.2.5钻杆柱有限元建模的特点36-373.3Ansys有限元振动分析的理论与方法37-393.3.1扭转振动分析概述373.3.2有限元动力分析的理论基础37-383.3.3钻杆柱动力分析步骤38-393.4钻柱扭转振动理论分析39-453.4.1扭转振动方程的建立39-413.4.2扭振固有频率的计算41-453.5钻杆柱扭转共振状态下临界转速的确定45-463.6钻杆柱扭转振动固有频率的Ansys有限元分析46-553.6.1钻杆柱规格对扭转振动固有频率的影响分析46-473.6.2钻杆柱与孔壁间距对扭转振动固有频率的影响分析47-483.6.3钻孔深度对钻杆柱的扭转振动固有频率的影响分析48-503.6.4深井高温对钻杆柱的扭转振动固有频率的影响分析50-533.6.5钻井液对钻杆柱的扭转振动固有频率的影响分析53-543.6.6钻杆柱材质对扭转振动固有频率的影响分析54-553.7钻杆柱扭转振动固有振型的Ansys有限元分析55-593.8钻杆柱扭转振动的Ansys谐响应分析59-613.9其他有效减振方法61-623.10本章小结62-63第4章钻柱扭转振动的工程应用分析63-754.1场地工程地质条件63-644.1.1自然地理位置63-644.1.2水文与气象644.1.3地层岩性644.2大坝帷幕灌浆钻探工程概况64-684.2.1钻孔结构64-654.2.2钻探设备及钻进规程654.2.3钻进中出现的主要问题及分析65-684.3Ansys研究钻杆柱减振措施68-704.4基于疲劳寿命估算下钻杆柱合理使用的建议70-714.5综合效果评价71-744.5.1钻孔质量71-734.5.2钻进效率734.5.3钻探队伍综合素质73-744.6本章小结74-75结论与展望75-77致谢77-78参考文献78-81攻读学位期间取得学术成果81下载全文更多同类文献CAJ全文下载(如何获取全文？欢迎：购买知网充值卡、在线充值、在线咨询)CAJViewer阅读器支持CAJ、PDF文件格式岩心钻杆主要用于地质勘探等用途，打个眼下去，再用打捞器取岩心，用于采样分析，几百至一千米。石油钻杆内孔向下走泥浆，使用时可以长达四五千米。中间的单根钻杆结构上就有不同，钻头、钻机以及整个钻柱设计完全不同。