【摘要】：鉆井工程是石油開(kāi)采中的重要工程環(huán)節(jié),其中所涉及的許多復(fù)雜的工程問(wèn)題如井斜的控制、鉆柱屈曲失穩(wěn)的預(yù)測(cè)、鉆柱的振動(dòng)破壞、鉆具的設(shè)計(jì)等,需要從力學(xué)的角度進(jìn)行深入的分析和研究才能更好的認(rèn)識(shí)和解決它們。鉆柱力學(xué)是鉆井工程重要的理論基礎(chǔ)。鉆柱力學(xué)模型是對(duì)鉆柱在井底工況的數(shù)學(xué)抽象,有利于增進(jìn)對(duì)鉆井工程中鉆柱所產(chǎn)生的各種問(wèn)題的理解。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展,國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了許多鉆柱力學(xué)模型以及相應(yīng)的鉆柱力學(xué)算法。這些計(jì)算方法很好的解決了鉆井工程中的一些問(wèn)題,但同時(shí)各個(gè)模型都存在一定的局限性。本文的目的是在前人的研究基礎(chǔ)上,從靜力學(xué)的角度,針對(duì)各個(gè)模型的優(yōu)缺點(diǎn),研究全新的鉆柱力學(xué)算法。同時(shí),研究并開(kāi)發(fā)具有針對(duì)性的力學(xué)分析軟件。本文首先對(duì)現(xiàn)有的鉆柱力學(xué)模型進(jìn)行深入的分析和研究,對(duì)比各個(gè)模型的優(yōu)點(diǎn)和所存在的問(wèn)題,研究鉆柱力學(xué)算法中的基本問(wèn)題。接觸力的計(jì)算一直是鉆柱力學(xué)算法中一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的鉆柱力學(xué)模型對(duì)鉆柱與井壁間的接觸力進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化,將鉆柱看成與井壁連續(xù)接觸從而簡(jiǎn)化了接觸計(jì)算,然而在某些工況下這些簡(jiǎn)化導(dǎo)致了計(jì)算結(jié)果的不理想,因而這種簡(jiǎn)化存在不合理之處。本文的研究方法是將接觸力看成是鉆柱在井底形變而與井壁發(fā)生接觸所產(chǎn)生,然后從基本的鉆柱力學(xué)方程出發(fā),研究鉆柱在井底的接觸變形特性,通過(guò)形變反饋來(lái)迭代計(jì)算接觸力。首先討論鉆柱單個(gè)節(jié)點(diǎn)的接觸力與位移的關(guān)系,利用鉆柱的平衡微分方程和彈性微分方程推導(dǎo)出單個(gè)節(jié)點(diǎn)的接觸變形方程,基于該方程推導(dǎo)出單個(gè)節(jié)點(diǎn)接觸力的計(jì)算方法。然后對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)接觸變形關(guān)系進(jìn)行推廣,討論整根鉆柱節(jié)點(diǎn)的接觸力與鉆柱的位移的關(guān)系。有限元法和ABIS中的迭代算法,都會(huì)利用形變反饋,而利用剛度矩陣的有限元分析方法收斂時(shí)間較長(zhǎng),ABIS算法中接觸力的迭代計(jì)算效率較有限元有了大幅的提高,但在處理更長(zhǎng)距離的計(jì)算時(shí),算法的收斂時(shí)間仍有待縮短。因此本文將結(jié)合兩者的優(yōu)缺點(diǎn),通過(guò)引入柔度矩陣,利用鉆柱節(jié)點(diǎn)接觸力與鉆柱位移的關(guān)系,一次處理整根鉆柱的接觸節(jié)點(diǎn),來(lái)進(jìn)行接觸迭代,從而改進(jìn)接觸力的迭代模式,以找更加靈活的方式尋找接觸點(diǎn)。在對(duì)接觸力計(jì)算方法的研究基礎(chǔ)上,提出全新的鉆柱力學(xué)算法——MDS (Flexible Matrix Drill string)。在算法的開(kāi)發(fā)過(guò)程中,本文選取了開(kāi)源的數(shù)學(xué)矩陣運(yùn)算庫(kù)——MTL (Matrix Template Library)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。由于柔度矩陣的引入,消耗了大量的時(shí)間在計(jì)算柔度矩陣上,因此本文將并行算法加入到模型中,研究基于并行計(jì)算的柔度矩陣算法。由于柔度矩陣的行列數(shù)由鉆柱的節(jié)點(diǎn)數(shù)決定,鉆柱越長(zhǎng),節(jié)點(diǎn)數(shù)越多,那么矩陣就越大,使得計(jì)算時(shí)間較長(zhǎng)。柔度矩陣由于其獨(dú)特的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),其計(jì)算過(guò)程具有天然的可并行性。本文針對(duì)接觸迭代中將使用的柔度矩陣,利用OpenMPI開(kāi)源并行平臺(tái)和Matlab的自帶并行模塊開(kāi)發(fā)相適應(yīng)的柔度矩陣并行算法。本文采用了微軟最新的圖形界面開(kāi)發(fā)框架——WPF (Windows Presentation Foundation),開(kāi)發(fā)具有三維鉆柱力學(xué)分析功能的軟件。本文將FMDS算法集成到軟件中,設(shè)計(jì)三大模塊：前處理模塊,計(jì)算模塊,后處理模塊,針對(duì)工程實(shí)際的需求和水平定向鉆柱具體的施工特性,開(kāi)發(fā)了“水平定向鉆力學(xué)分析軟件”,為鉆井工程提供力學(xué)分析支持、鉆具輔助設(shè)計(jì)、鉆井軌跡可視化等功能,進(jìn)而給予現(xiàn)場(chǎng)一定的施工技術(shù)參考。本文根據(jù)實(shí)際的井眼軌跡給出了FMDS的算例,并對(duì)比了不同模型的計(jì)算結(jié)果。在FMDS算法與剛繩模型的算法的對(duì)比中,發(fā)現(xiàn)在鉆柱未發(fā)生螺旋屈曲的階段,FMDS算法和剛繩模型算法的計(jì)算結(jié)果基本吻合；當(dāng)鉆柱軸向力大于臨界屈曲力后,兩種算法的差距偏大。在FMDS算法與ABIS算法的對(duì)比中,兩者的計(jì)算結(jié)果基本接近,而在處理接近3千米的計(jì)算長(zhǎng)度時(shí),FMDS算法的計(jì)算時(shí)間比ABIS計(jì)算時(shí)間要短。通過(guò)對(duì)算例的分析和研究,本文得出如下結(jié)論：1)傳統(tǒng)的軟繩模型以及剛繩模型對(duì)鉆柱的處理存在一定的問(wèn)題。一方面,將鉆柱看成躺在下井壁的模型假設(shè),在鉆柱出現(xiàn)螺旋屈曲后,不符合實(shí)際的情況,因?yàn)榇藭r(shí)可能會(huì)出現(xiàn)鉆柱與上井壁接觸的情況,因而不能認(rèn)為鉆柱是完全與下井壁接觸。另一方面,通過(guò)軸向力來(lái)修正接觸計(jì)算的方法,計(jì)算結(jié)果過(guò)于保守。由于剛繩模型沒(méi)有接觸判定算法,當(dāng)鉆柱軸向力大于臨界屈曲力后,剛繩模型算法會(huì)將所有滿足要求的節(jié)點(diǎn)的接觸力按照軸向力的大小來(lái)進(jìn)行修正,而無(wú)論該節(jié)點(diǎn)是否真正與井壁發(fā)生接觸,因而剛繩模型算法的計(jì)算結(jié)果普遍偏大。2)FMDS算法具有更快的迭代速度,相對(duì)于ABIS算法。在接觸點(diǎn)的搜索過(guò)程中,通過(guò)柔度矩陣來(lái)進(jìn)行接觸迭代,能獲得更靈活的接觸力添加方式,從而可以提高迭代算法的收斂速度。
【圖文】：

空間曲線軸向的動(dòng)矢量／用井斜角和方位角表示如下逡逑＇ｓｉｎ邋９邋ｃｏｓ邋口邋０、逡逑／＝邋ｓｉｎ９邋ｓｉｎ＾邋０邐（２－。逡逑、ｃｏｓ＾邋０邐０＾逡逑如果引入表示井斜和方位梯度，其中}日口分別表示井斜和逡逑ｄｓ邐ｄｓ逡逑方位角，則空間曲線法線方向的矢量ｎ和空間曲線副法線的矢量６，用井斜角和方逡逑位角表示如下，逡逑作６邋ｃｏｓ邋０邋ｃｏｓ邋Ｐ邋－邋Ｇ＂邋ｓｉｎ邋０邋ｓｉｎ邋Ｐ、逡逑ｎ邋＝邋—邋Ｇｇ邋ｃｏｓ邋６＊邋ｓｉｎ邋＾ｓｉｎ邋０邋ｃｏｓ邋＜ｐ邐（２－２）逡逑Ｐ、邐－ＧｇＳｉｎｇ邐，逡逑ｆ－Ｇｇ邋ｓｉｎ邐ｃｏｓ邋６邋ｓｉｎ邋０邋ｃｏｓ邋（ｐ＇＇逡逑占＝—＆ＣＯＳ邋口－ＧｐＣ0ｓ０ｓｉｎ０ｓｉｎ＾邐口－３）逡逑

第２椝鉆柱力學(xué)模型２．４鉆巧力學(xué)基本模型逡逑鉆柱受力分析逡逑鉆柱某一微段山，其在井底的受連續(xù)的重力Ｇ。根據(jù)Ｈ維井眼軌跡坐標(biāo)部坐標(biāo)系：／，／Ｉ，６。鉆柱兩端受內(nèi)力了，內(nèi)力矩Ｍ，內(nèi)力在Ｈ個(gè)矢量，，ｒ。，打，內(nèi)力矩在Ｈ個(gè)矢量方向分量：Ｍ，，，Ｍ？，Ｍ＆。受點(diǎn)接觸力／＂摩擦力ｚ＾／ｃ，模型如圖Ｆｉｇ．邋２－３。逡逑
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TE921.2

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 任沂軍;;矩陣運(yùn)算的幾種算法實(shí)現(xiàn)探討[J];測(cè)繪信息與工程;2006年06期

2 林舒萍,羅鍵;設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用研究[J];計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì);2005年11期

本文編號(hào)：2564363