石油、天然氣是人類社會的主要能源和資源,其日益增長的消耗量不斷驅(qū)動著深層油氣資源的勘探和開發(fā)。鉆井是石油、天然氣鉆探必不可少的環(huán)節(jié),主要為油氣生產(chǎn)提供通道。作為鉆井工程的重要部件,鉆柱在狹長井筒內(nèi)轉(zhuǎn)動,受力情況復(fù)雜,振動劇烈。這種振動不僅會造成鉆柱的疲勞失效、鉆頭過度磨損、井壁失穩(wěn),甚至還會引發(fā)井下事故,致使井筒報廢。從上世紀(jì)60年代開始,國內(nèi)外研究人員通過實驗和數(shù)值模擬方法對鉆柱動力學(xué)進行了長期的研究,取得了豐碩的成果,但隨著鉆井深度的不斷增加,鉆柱在井下的工作環(huán)境變得更為復(fù)雜和惡劣,加之PowerV、預(yù)彎短接等井下特殊工具的廣泛應(yīng)用,給鉆柱動力學(xué)研究帶來了新的挑戰(zhàn)。面對新的需求,現(xiàn)有研究存在的問題主要包括:1)未考慮井下特殊工具的激勵特征,因而無法有效模擬帶井下特殊工具鉆柱的動力學(xué)特性;2)忽略了聚晶金剛石復(fù)合片(Polycrystalline Diamond Compact,簡稱PDC)鉆頭與巖石相互作用在多種作用模式間的轉(zhuǎn)換關(guān)系,難以揭示鉆頭扭矩出現(xiàn)速度弱化效應(yīng)的內(nèi)在本質(zhì),造成缺乏適用于鉆柱動力學(xué)有限元分析的鉆頭激勵模型;3)未考慮鉆柱井下實際轉(zhuǎn)速的影響,無法準(zhǔn)確反映鉆柱發(fā)生粘滑振動時的渦動特性;4)缺乏針對帶井下特殊工具底部鉆具組合(Bottom Hole Assembly,簡稱BHA)橫向振動特性的高效分析方法。本論文開展的具體工作和取得的成果主要包括:1)基于彈性動力學(xué)Hamilton原理,推導(dǎo)了鉆柱的Lagrange運動控制方程。根據(jù)鉆柱所受的動載特征和運動狀態(tài),推導(dǎo)了鉆柱的動能、勢能、外力功的具體表達(dá)式,利用Euler-Bernoulli梁模型對鉆柱離散后,得到了鉆柱的動力學(xué)有限元方程。在推導(dǎo)過程中,不僅考慮了鉆柱的幾何和接觸非線性、鉆井液引起附加質(zhì)量和阻尼力的影響,還重點考慮了鉆柱井下轉(zhuǎn)速波動的影響,建立了鉆柱軸向-扭轉(zhuǎn)-橫向振動充分耦合的鉆柱動力學(xué)有限元模型。2)基于鉆頭的運動軌跡,建立了鉆頭-巖石相互作用模型,推導(dǎo)了鉆頭-巖石相互作用在不同作用模式間的轉(zhuǎn)換條件,揭示了造成鉆頭扭矩出現(xiàn)速度弱化效應(yīng)的內(nèi)在機理,提出了適用于鉆柱動力學(xué)有限元分析的鉆頭激勵模型。同時,利用鉆頭軌跡函數(shù)對鉆頭切削深度進行了描述,避免了向鉆頭-巖石相互作用模型中引入狀態(tài)依賴時滯變量,大幅度提高了鉆頭-巖石相互作用模型的求解效率。3)提出了預(yù)彎結(jié)構(gòu)和PowerV兩種井下特殊工具對鉆柱的激勵模型。在此基礎(chǔ)上,一方面結(jié)合加權(quán)余量法和有限元方法實現(xiàn)了對帶井下特殊工具BHA橫向振動響應(yīng)的快速求解,分析了結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆壓、轉(zhuǎn)速和鉆井液密度引起的附加質(zhì)量對BHA橫向振動的影響;另一方面,利用Newmark方法和節(jié)點迭代法對超深井鉆柱動力學(xué)有限元模型進行了求解,研究了帶井下特殊工具的超深井鉆柱的瞬態(tài)動力學(xué)特性。4)利用三軸加速計測量了超深井鉆柱的井下加速度,分析了鉆柱的井下實際振動特征,并與數(shù)值模擬結(jié)果進行了對比,驗證了有限元模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上,研究了超深井鉆柱的粘滑振動和渦動特性,發(fā)現(xiàn)了粘滑振動對鉆柱渦動的強化效應(yīng)。5)分析了鉆井參數(shù)對鉆柱粘滑振動和渦動的影響,研究了抑制鉆柱粘滑振動的措施。結(jié)果表明,盡管增加轉(zhuǎn)速可以抑制鉆柱的粘滑振動,但同時會誘發(fā)更為劇烈的BHA渦動。通過調(diào)整鉆壓消除鉆柱粘滑振動的措施比較合理,所得結(jié)論符合實際情況。
【學(xué)位單位】：上海大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TE921.2
【部分圖文】：

鉆頭-巖石相互作用模式及轉(zhuǎn)換路徑AA 運動時，若在akt t 時刻，鉆頭扭轉(zhuǎn)速度值減小到零，由式( )~( )可知，在 時突變，進而導(dǎo)致軸向加速度bU 不連續(xù)。將式)后可得：( ) ( ) ( )b b ak f ak 0c akM U t +W t W W t分量cW 是鉆頭切削深度的函數(shù)，而切削深，所以上式等號右邊變量是連續(xù)的。由此可觸摩擦分量的不連續(xù)性需要滿足以下條件：( ) ( ) ( ) ( )b b ak f ak b b ak f akM U t W t M U t W t+ ++ +

- 截面形心的渦動軌跡和渦動速度. 截面形心的渦動軌跡和渦動速度粘滑振動和渦動耦合影響時，, 截面形心的渦動軌考慮耦合因素的影響時，, 截面形心的渦動更為劇圍更廣，與井壁的接觸更加頻繁，從而導(dǎo)致其反向，這與 節(jié)現(xiàn)場測量結(jié)果反映的趨勢相吻合。

圖 . 截面形心的渦動軌跡和渦動速度圖 對比了有無考慮粘滑振動和渦動耦合影響時，, 截面形心的渦動跡和渦動速度�？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)考慮耦合因素的影響時，, 截面形心的渦動更為烈，渦動軌跡在井眼中分布范圍更廣，與井壁的接觸更加頻繁，從而導(dǎo)致其反渦動增強，渦動速度幅度增加，這與 節(jié)現(xiàn)場測量結(jié)果反映的趨勢相吻合。圖 有無考慮耦合影響時 , 截面形心的渦動軌跡和渦動速度對比
【參考文獻】

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本文編號：2861204