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《南京航空航天大学》 2005年
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三维曲井内钻柱的双重非线性静力有限元法

谈梅兰  
【摘要】:由于石油钻井工程的高风险和高投入,使得对钻柱的力学性能研究倍受关注。目前,分析直井、平面井和小曲率井中钻柱力学性能的理论和方法已日趋完善,但对于近几年出现的有初始曲率和挠率的大位移三维曲井内钻柱力学性能进行分析的理论和方法尚不完善,在这方面仍有必要开展深入的研究。 依据钻柱的结构和工作特点,忽略了钻柱的剪切变形并假设横截面上没有翘曲。利用经典弹性理论、微分几何和矩阵方法,基于空间自然坐标系,通过假设变形后梁轴线的弯曲曲率改变为线性变化,其空间轴线的曲率和挠率是常数,然后求解应变与位移之间关系的矩阵微分方程,得到了考虑到参考构形的初始曲率和挠率影响的能包含三维空间曲梁全部刚体位移模式和常应变的非多项式形式的位移函数。采用非多项式形式的位移函数建立了新的两节点圆截面三维空间曲梁单元,单元的每个节点有 6 个自由度——3 个线位移和 3 个角位移。为了方便描述曲梁横截面的有限转动,引入了转角伪矢量的概念。利用一般的 Green 应变定义,根据矢量的导数法则,导出了空间自然坐标形式的非线性应变—位移关系,利用所建立的空间曲梁单元,对同时受轴向拉压和扭转的三维曲杆进行了稳定性分析。为能合理地确定井眼轴线的挠曲,提出了采用基于实测的井深及其相应的井斜角和方位角来获得确保钻柱长度不变的井眼轴线的螺旋线插值方法,并将钻柱由原来的直线状态变到与井眼轴线相一致状态时的构形定义为待分析钻柱的参考构形。这样,将由这个过程(大位移、大转动)所引起的几何非线性问题简化为初始变形的计算问题,由钻柱参考构形的曲率和挠率,根据经典弹性理论求出钻柱各横截面的初始内力, 然后,计算出用于有限元分析的一致等效节点力。同时,提出了一种能确保接触段内的钻柱与井壁紧贴的新的接触模型,并给出了相应的考虑了变形、接触位置及接触力三者间耦合作用的接触非线性算法。 最后,采用本文建立的模型和算法,用 FORTRAN 语言编制了计算程序,对一些算例进行了数值分析,通过将算例结果与已有的解析结果和数值结果进行比较和分析,验证了程序的正确性和本文提出的模型、公式和处理方法
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TE21

【引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 谈梅兰;王鑫伟;甘立飞;;空间弹性细杆在扭矩作用下的屈曲[J];计算物理;2006年04期
2 任大林;张晓磊;;水平井常用工具分类与结构特征研究[J];中国新技术新产品;2013年12期
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 王建礼;基于多体动力学方法的大型水平轴风力机气动弹性研究[D];中国科学院研究生院(工程热物理研究所);2012年
中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 刘伟杰;复合钻井技术机理分析及动力学仿真[D];东北石油大学;2011年
2 王盟圣;斜直井中考虑接头影响的钻柱稳定性分析[D];南京航空航天大学;2006年
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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【共引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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6 李桂荣;付蓓;;结构地震响应分析的新方法[A];土木建筑学术文库(第11卷)[C];2009年
7 徐绩青;杨成渝;许光祥;周华君;;波浪斜向入射对单宽直立堤作用研究[A];第十四届中国海洋(岸)工程学术讨论会论文集(上册)[C];2009年
8 张治勇;何洋;胡中伟;;钻柱纵向振动固有频率分析[A];第18届全国结构工程学术会议论文集第Ⅲ册[C];2009年
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10 冯长青;彭勇;;旋转导向钻井工具BHA侧向力的有限元仿真[A];2006年石油装备学术研讨会论文集[C];2006年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 黄西成;内爆与外爆加载下壳体的力学状态及破坏模式分析[D];中国工程物理研究院;2010年
2 冯麟涵;舰船系统抗冲击性能全局优化方法研究[D];哈尔滨工程大学;2009年
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7 毋英俊;连续折线索单元及节点研究[D];天津大学;2010年
8 曾森;基于精细化数值模拟的悬索桥施工阶段结构力学性能研究[D];哈尔滨工业大学;2011年
9 王作君;电磁弹性材料动态广义变分模型及应用[D];燕山大学;2011年
10 黄启翔;卸围压条件下含瓦斯煤岩力学特性的研究[D];重庆大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 任辉;API石油钻杆接头应力分析及结构改进研究[D];华东理工大学;2011年
2 张晓木;降落伞气动变形分析[D];浙江大学;2010年
3 姜英健;超深井中钻柱横向振动特性分析[D];中国地质大学(北京);2011年
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7 徐海啸;基于多核技术的有限元碰撞模拟及优化[D];吉林大学;2011年
8 李勇广;车身覆盖件焊装变形偏差数值分析[D];西华大学;2011年
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【同被引文献】
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中国博士学位论文全文数据库 前5条
1 王永亮;微分求积法和微分求积单元法——原理与应用[D];南京航空航天大学;2001年
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中国硕士学位论文全文数据库 前9条
1 刘成;基于CFD/CSD弱耦合的直升机旋翼气弹特性研究[D];南京航空航天大学;2011年
2 李玉海;地面动力旋转钻井井下钻柱的工况分析及水力加压减振器的研究与应用[D];浙江大学;2002年
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【二级引证文献】
中国期刊全文数据库 前2条
1 谈梅兰;甘立飞;;三维曲井内钻柱非线性屈曲分析平衡方程[J];中国科学:技术科学;2010年02期
2 薛纭;刘延柱;;Kirchhoff弹性直杆在力螺旋作用下的稳定性[J];物理学报;2009年10期
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1 王秀文;深井固井套管串力学分析及应用[D];东北石油大学;2011年
【二级参考文献】
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【相似文献】
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中国重要报纸全文数据库 前10条
1 朱建国;浅谈钻杆检测分级管理[N];中国石油报;2003年
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6 李雪林;一个小弯角节省1.8亿元[N];文汇报;2007年
7 记者 郑干臣通讯员 秦小成;河南油田成功实施油井套管钻井技术[N];中国石化报;2007年
8 本报记者 张晓波;小井眼钻井春暖花开[N];中国石化报;2008年
9 记者 赵龙;钻三钻出新纪录[N];大庆日报;2010年
10 中国石油天然气集团公司管材研究所党委书记、所长 杨龙;全力打造一流高科技企业[N];中国石油报;2003年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 韩春杰;深水平台钻井钻柱耦合振动及模拟分析[D];大庆石油学院;2010年
2 闫向宏;随钻测井声波传输特性数值模拟研究[D];中国石油大学;2010年
3 谈梅兰;三维曲井内钻柱的双重非线性静力有限元法[D];南京航空航天大学;2005年
4 刘峰;定向井中钻柱非线性稳定性分析[D];南京航空航天大学;2005年
5 甘立飞;直井和曲井内管柱非线性稳定性分析[D];南京航空航天大学;2008年
6 夏焱;随钻扩眼工具结构及与之相匹配的钻具组合设计方法研究[D];中国石油大学;2007年
7 廖辉;超深水超深钻井作业钻柱三维运动补偿系统的研究[D];广东工业大学;2011年
8 王林飞;随钻地震勘探关键技术研究[D];中国海洋大学;2009年
9 胡以宝;基于实际井眼轨迹的钻柱动力学特性有限元分析[D];上海大学;2011年
10 姚建林;气体钻井环空流场分析及岩屑对管柱的冲蚀特性研究[D];上海大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前10条
1 姜英健;超深井中钻柱横向振动特性分析[D];中国地质大学(北京);2011年
2 陈洪岩;地质钻探钻柱功率传递规律模拟实验系统设计与研建[D];中国地质大学(北京);2011年
3 魏振;三高气田钻柱设计[D];中国石油大学;2011年
4 周学芹;钻井井下钻柱振动特性分析及减振技术研究[D];大庆石油学院;2010年
5 王雪刚;钻柱非线性耦合振动模型研究[D];东北石油大学;2012年
6 吴晔;深部地质钻探钻柱失稳行为研究[D];中国地质大学(北京);2014年
7 徐李甲;石油钻井过程故障仿真及控制技术研究[D];西安石油大学;2010年
8 张冰冰;超深井条件下钻柱使用深度极限的研究[D];中国地质大学(北京);2011年
9 付雷;基于浑沌理论的钻柱横扭耦合动力学特性分析[D];中国石油大学;2011年
10 迟立宾;水平井钻柱固液耦合横向振动分析[D];东北石油大学;2013年
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