本文關(guān)鍵詞：指向式導(dǎo)向工具主軸力學(xué)分析與仿真，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著油氣勘探開發(fā)難度不斷加大,尤其是近年來非常規(guī)氣田的開發(fā),定向鉆井技術(shù)成為鉆井主流技術(shù)。指向式導(dǎo)向工具作為一種無極可調(diào)井眼軌跡控制工具,能有效節(jié)約鉆井時間,提高鉆井效率。工具主軸的力學(xué)行為關(guān)系到井眼軌跡的設(shè)計控制、鉆井參數(shù)的優(yōu)選和工具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。因此,對指向式導(dǎo)向工具主軸進行力學(xué)分析與仿真具有重要意義。本文以指向式導(dǎo)向工具為研究對象,結(jié)合鉆柱力學(xué)與有限元基礎(chǔ)理論,對指向式導(dǎo)向工具主軸進行簡化與建模�；诳v橫彎曲法,建立主軸靜力學(xué)模型,研究主軸變形和鉆頭偏轉(zhuǎn)角與外殼剛度、主軸剛度以及工具結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系,采用多目標優(yōu)化方法,對指向式導(dǎo)向工具主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化分析�；谟邢拊�,建立主軸動力學(xué)仿真模型,分析偏心環(huán)動位移載荷、鉆壓、扭矩和渦動等因素對主軸力學(xué)行為的影響。結(jié)合模態(tài)分析理論,分析指向式導(dǎo)向工具主軸的臨界轉(zhuǎn)速。最后結(jié)合疲勞壽命理論,對工具主軸進行疲勞壽命研究。總結(jié)本文的研究工作,主要包括以下幾個方面：(1)總結(jié)了指向式導(dǎo)向工具主軸力學(xué)的研究現(xiàn)狀與本文的研究目的及意義,提出了理論研究和有限元相結(jié)合的研究方法。(2)介紹了指向式導(dǎo)向工具基本結(jié)構(gòu)及工作原理,建立了指向式導(dǎo)向工具主軸靜力學(xué)模型,并對主軸參數(shù)進行了力學(xué)優(yōu)化分析。(3)建立了指向式導(dǎo)向工具主軸動力學(xué)模型,結(jié)合有限單元法分析了偏置機構(gòu)位移載荷、鉆壓、扭矩和渦動等因素對主軸力學(xué)行為的影響；基于模態(tài)分析基本理論,得出主軸的臨界轉(zhuǎn)速。(4)最后,采用三維實體單元對指向式導(dǎo)向工具主軸進行建模,開展了指向式導(dǎo)向工具主軸井下工況的疲勞壽命研究。結(jié)合本文的研究內(nèi)容,主要獲得以下研究成果：(1)建立了考慮外殼剛度下主軸靜力學(xué)模型,推導(dǎo)出了主軸在靜態(tài)偏置狀態(tài)下的撓度方程、轉(zhuǎn)角方程以及軸承處的約束反力方程�；陟o力學(xué)模型,研究了工具結(jié)構(gòu)參數(shù)對軸承處約束反力、偏心環(huán)約束反力及上支撐軸承彎矩載荷的影響,以上懸臂軸承彎矩載荷以及偏心機構(gòu)偏置力最小為目標函數(shù)對指向式導(dǎo)向工具主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化�；趦�(yōu)化結(jié)果,得到了上支撐軸承、偏置機構(gòu)、偏置機構(gòu)安裝位置以及主軸長度在不同情況下的匹配方案。(2)結(jié)合彈性動力學(xué)理論,采用Hamilton方法推導(dǎo)出了導(dǎo)向工具主軸的振動方程。從方程中可以看出主軸在橫向力及扭矩作用下的振動機理,其振動形式具有耦合性。采用有限元方法將指向式工具主軸在時間和空間上進行有限分割,建立了主軸的質(zhì)量矩陣、剛度矩陣以及阻尼矩陣,闡述了基于有限元方法研究指向式導(dǎo)向工具主軸動力學(xué)的求解機理；對偏置機構(gòu)進行了幾何分析,得出了內(nèi)外偏心環(huán)轉(zhuǎn)角與偏置機構(gòu)合位移間的關(guān)系,給出了有限元仿真分析的幾何邊界條件；借助于有限元軟件對指向式導(dǎo)向工具主軸進行仿真研究,并通過室內(nèi)模擬結(jié)果與仿真結(jié)果的對比,驗證了仿真數(shù)據(jù)的正確性。仿真結(jié)果顯示,鉆壓及主軸轉(zhuǎn)速對主軸力學(xué)行為的影響較小,偏心位移對主軸力學(xué)行為的影響較大,并呈線性增加趨勢。(3)基于彈性力學(xué)基本理論與結(jié)構(gòu)動力基本方法,對結(jié)構(gòu)自由振動的特征值問題進行了研究,得出了在零阻尼及無外載條件下的自由振動方程。基于ANSYS軟件,采用BEAM188空間梁單元對主軸進行了建模,對上下支撐軸承采用COMBI214單元進行了簡化,計算結(jié)果顯示導(dǎo)向工具主軸的一階固有頻率為19.074HZ,其振動型式主要表現(xiàn)為一階橫向振動。結(jié)合模態(tài)分析結(jié)果,得出了指向式導(dǎo)向工具主軸的臨界轉(zhuǎn)速是1144.44 r/min,與指向式導(dǎo)向工具主軸的設(shè)計轉(zhuǎn)動速度200 r/min相差較大,可以充分避免共振的產(chǎn)生,驗證了主軸工作的安全性。(4)結(jié)合ANSYS的靜力學(xué)與疲勞模塊對指向式導(dǎo)向工具主軸進行了仿真研究,采用Goodman理論對計算模型進行了修正,仿真結(jié)果顯示：主軸最大交變應(yīng)力產(chǎn)生于下調(diào)心軸承處,最大值為272.8 MPa,基于材料的S-N曲線插值得出了主軸的交變應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為107,滿足設(shè)計需求。本文的研究成果為指向式導(dǎo)向工具的動態(tài)設(shè)計及動態(tài)模擬仿真提供了理論模型,對井眼軌跡的設(shè)計控制、鉆井參數(shù)的優(yōu)選和工具結(jié)構(gòu)的優(yōu)化具有導(dǎo)向作用。
【關(guān)鍵詞】：指向式導(dǎo)向工具 主軸 力學(xué)模型 仿真
【學(xué)位授予單位】：長江大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TE92
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 課題來源11
• 1.2 研究背景及意義11-12
• 1.3 導(dǎo)向工具主軸力學(xué)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-15
• 1.4 本文主要研究內(nèi)容15-16
• 1.5 研究途徑及技術(shù)路線16-17
• 第2章 指向式導(dǎo)向工具主軸靜力學(xué)研究17-29
• 2.1 指向式導(dǎo)向工具基本結(jié)構(gòu)與導(dǎo)向原理17
• 2.2 指向式導(dǎo)向工具主軸靜力學(xué)模型17-18
• 2.3 指向?qū)蚬ぞ咧鬏S靜力學(xué)方程的建立及求解18-24
• 2.4 指向式導(dǎo)向工具主軸力學(xué)優(yōu)化分析24-28
• 2.5 本章小結(jié)28-29
• 第3章 指向式導(dǎo)向工具主軸動力學(xué)研究29-54
• 3.1 指向式導(dǎo)向工具主軸動力學(xué)模型29-34
• 3.2 動力學(xué)有限元理論34-42
• 3.3 指向式導(dǎo)向工具主軸動力學(xué)有限元分析42-50
• 3.4 指向式導(dǎo)向工具主軸力學(xué)行為影響因素分析50-53
• 3.5 本章小結(jié)53-54
• 第4章 指向式導(dǎo)向工具主軸臨界轉(zhuǎn)速研究54-68
• 4.1 模態(tài)分析基本理論54-60
• 4.2 指向式導(dǎo)向工具主軸模態(tài)分析60-66
• 4.3 指向式導(dǎo)向工具主軸臨界轉(zhuǎn)速分析66-67
• 4.4 本章小結(jié)67-68
• 第5章 指向式導(dǎo)向工具主軸疲勞壽命研究68-80
• 5.1 疲勞壽命預(yù)測方法68-72
• 5.2 疲勞壽命分析理論72-75
• 5.3 指向式導(dǎo)向工具主軸疲勞壽命分析75-79
• 5.4 本章小結(jié)79-80
• 第6章 總結(jié)與展望80-82
• 6.1 全文總結(jié)80-81
• 6.2 展望81-82
• 致謝82-83
• 參考文獻83-87
• 個人簡介87-88

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本文編號：454174