基于渾沌理論的鉆柱橫扭耦合動力學特性分析.pdf

1、頂驅細長鉆柱作為鉆井工程中特有結構,在充滿鉆井液的井筒內旋轉,存在著三個方向的耦合振動,鉆柱動力分岔又加劇振動,使其與井壁發(fā)生隨機接觸碰撞,造成井壁和鉆具的損壞。鉆柱的不規(guī)則渾沌運動導致鉆頭受力方向不確定,從而使井眼軌跡難以控制。由于鉆柱系統結構和運動規(guī)律復雜,無法進行現場試驗,而一般的受力分析方法又很難解決,因此有必要將TDS、鉆柱、鉆鋌、鉆井液、井壁、井底巖石等作為一個柔性多體系統,開展基于渾沌理論的鉆柱橫扭耦合動力學特性分析。這對

2、了解鉆柱運動規(guī)律、預測和控制井眼軌跡、優(yōu)化鉆具組合和防止鉆井事故的發(fā)生等具有重要意義,同時還有利于推動和完善新的鉆井工藝和頂驅驅動等技術。
　　 在總結前人工作基礎上,基于柔性多體動力學理論和渾沌理論,研究多體系統動力學和渾沌動力學相互融合的方法和原理,推導了鉆柱偏離定常運動而失穩(wěn)的條件。依據哈密頓原理推導出該系統動力學方程,應用攝動法和數值積分原理對鉆柱上端縱、扭耦合振動方程進行求解分析。基于振動理論、動力間隙元理論及非線性固

3、液耦合理論,采用有限元法推導了垂直井中柔性多體鉆柱系統橫、扭耦合非線性動力學模型,并基于有限元的(ui,p)格式將鉆井液與鉆柱、井壁之間的固液耦合作用考慮到模型中。
　　 采用ANSYS軟件對1700m以內垂直井鉆柱系統橫、扭耦合動力學特性進行了仿真分析。提取了鉆柱橫、扭振動的固有頻率及陣型,結果顯示:鉆井液的耦合作用使鉆柱橫振固頻減小,而軸向載荷使其增加;鉆井液、軸向載荷對扭振固頻無影響;鉆柱或鉆鋌長度的增加,使鉆柱各階扭振固