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超深井中钻柱横向振动特性分析

作　者: 姜英健
导　师: 杨甘生
学　校: 中国地质大学（北京）
专　业: 钻井工程
关键词: 超深井钻柱横向振动模态分析
分类号: TE21
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

在实际的钻井工作中,钻柱会不可避免的发生振动,钻柱振动有共有三种形式,其中钻柱的横向振动便是很重要的一种振动形式。由于钻柱横向振动而引起的钻柱剧烈共振会导致钻柱失效,造成严重的钻井事故,进而增加钻进工作的难度和风险,甚至带来重大的经济损失。本文主要对超深井中的钻柱横向振动进行了理论分析,总结了钻柱横向振动的产生方式、力学规律、影响因素,并建立了力学模型,推导出了振动频率方程,得到了钻柱振动共振规律。设计了井深为10000米的超深井钻柱组合,并以此为例应用ANSYS软件建立了基于APDL语言的钻柱参数化的有限元仿真模型。由于推导出的钻柱横向振动固有频率均为谐和函数求解起来十分困难,所以使用该模型能够极大地提高分析和研究的效率,具有很强的实用性和通用性,并为进一步的分析和研究奠定了良好的基础。本论文采用ANSYS分析时假设钻孔为垂直孔,不考虑接头影响并且忽略钻头几何尺寸条件。通过分析得到钻柱轴向力和温度等因素对钻柱横向振动固有频率的影响,同时获得钻柱横向振动的前十阶固有振型图。结果表明:当钻柱轴力为压力时钻柱的横向振动固有频率会减小,而当钻柱轴向力为拉力时,振动的固有频率会增加;而随着温度的增加,钻柱振动的固有频率将会降低,当温度达到300°时,固有频率降低的幅度很大。总体来说,钻柱横向振动的共振频率范围很大。文中对钻柱横向振动的分析结论可以为研究钻柱的共振破坏、强度破坏和扶正器的安装位置等问题提供依据,也可以为实际工程中的设计、生产和应用提供有意义的参考。

全文目录

摘要  5-6
Abstract  6-9
第1章绪论  9-18
  1.1 概述  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-16
  1.3 本论文的研究工作  16-18
第2章钻柱横向振动形成机理  18-28
  2.1 钻头与地层相互作用引起的钻柱横向振动  18-20
    2.1.1 钻柱动力失稳引发的钻柱横向振动  18
    2.1.2 钻柱横向振动的力学模型  18-20
  2.2 钻柱与井壁作用引起的钻柱横向振动  20-22
    2.2.1 钻柱的反转运动  20-21
    2.2.2 反转运动激发的钻柱横向运动  21-22
  2.3 钻柱中性点附近的横向振动情况  22-25
    2.3.1 钻柱的中性点  22
    2.3.2 钻柱中性点附近的横向振动  22-24
    2.3.3 钻柱横向振动频率与共振部位到井底距离的关系式  24-25
  2.4 钻柱中性点处冲击力计算模型  25-26
  2.5 本章小结  26-28
第3章影响钻柱横向振动固有频率的因素  28-40
  3.1 高温对钻柱横向振动固有频率的影响  28-31
    3.1.1 高温对钻柱管材性能的影响  28-29
    3.1.2 高温对钻柱管材尺寸的影响  29-30
    3.1.3 高温对钻柱横向振动固有频率的影响  30-31
  3.2 钻井液对钻柱横向振动固有频率的影响  31-35
    3.2.1 钻柱内钻井液对钻柱横向振动的影响  31-33
    3.2.2 钻柱外环空内钻井液对钻柱横向振动的影响  33-35
    3.2.3 钻柱内外钻井液对钻柱横向振动固有频率的影响  35
  3.3 扶正器对钻柱横向振动的影响  35-39
    3.3.1 扶正器对钻柱横向振动影响的力学模型  35-36
    3.3.2 考虑扶正器影响的钻柱横向振动方程  36-39
  3.4 本章小结  39-40
第4章超深井钻柱设计  40-49
  4.1 不同规格钻杆极限使用深度的计算  40-47
  4.2 复合钻柱结构设计  47-48
  4.3 本章小结  48-49
第5章钻柱横向振动的ANSYS有限元分析  49-89
  5.1 钻柱ANSYS 有限元模型的建立与求解  49-51
    5.1.1 有限元模型的建立  49-50
    5.1.2 利用ANSYS 原件对有限元模型求解  50-51
  5.2 算例及对钻柱横向振动固有频率及振型的分析  51-88
    5.2.1 钻压为零时的钻柱横向振动特性分析  51-59
    5.2.2 钻压为40000 牛时钻柱横向振动特性分析  59-66
    5.2.3 钻压为80000N 时钻柱横向振动特性分析  66-73
    5.2.4 深井高温对钻柱横向振动固有频率的影响  73-80
    5.2.5 提钻时钻柱横向振动特性分析  80-86
    5.2.6 钻铤处横向振动的ANSYS 有限元求解  86-88
  5.3 本章小结  88-89
结论  89-91
  1 本文的结论  89-90
  2 展望  90-91
致谢  91-92
参考文献  92-94

超深井中钻柱横向振动特性分析

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