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钻柱非线性耦合振动模型研究

王雪刚  
【摘要】:钻柱振动是钻井作业工程中不可避免的运动形态,由于在井下受力的复杂,钻柱的振动往往表现为纵向、横向和扭转的耦合振动,在实际钻井工程中钻柱的耦合振动表现出非线性的特征,因此有必要建立和现场实际更接近的模型,对钻柱非线性耦合振动进行研究。本文应用边界层理论和有限元理论研究钻进时钻柱非线性耦合振动,取得了下面一些成果。 首先,建立了钻进时钻柱非线性耦合振动的物理模型,应用有限元法将整体钻柱离散为有限个钻柱单元,以钻柱单元的非线性变形分析为基础,应用边界层理论考虑钻井液的影响,推导出了钻进时钻柱振动的刚度矩阵和质量矩阵,获得了钻进时钻柱的非线性耦合振动规律。 其次,对加速提放的钻柱非线性耦合振动进行分析,获得了加速提放钻柱的非线性耦合振动规律,得出结论:随加速时间的增大,上提钻柱的非线性耦合振动频率增大。 再次,分析了底部受到波动钻压时钻柱的稳定性,利用有限元方法获得波动钻压下钻柱的临界失稳频率。得出结论:增大转速可以提高钻柱的稳定性,增大钻压使得钻柱的稳定性变差。 本文使用吉林油田某井的实钻数据进行计算,分析了钻柱偏心、钻柱内钻井液、环空内钻井液等因素的变化对钻柱非线性耦合振动频率的影响关系,为现场钻井施工的钻井参数调节提供了可靠的依据。


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