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2000m水井钻机的钻杆仿真研究

舒晓勇  
【摘要】: 随着科学技术的日新月异,钻探工程技术在不断地向前发展。如今,钻探设备已广泛地应用于地质、冶金、煤炭、有色、建工、建材、核工业、化工、水电、铁道等工业部门。 目前,回转钻进方法在地质勘探、石油钻井和各种工程勘察施工中仍占统治地位,并将继续发挥重大作用。钻杆是回转钻进设备中必不可少的关键部件,又由于其使用范围涉及到许多领域,所以,钻杆结构设计的优劣、技术性能的好坏和使用寿命的长短,不但对钻进设备本身有极大影响,而且与许多行业部门的生产安全和社会、经济效益有着密切的关系。由此可见,对钻杆进行深入和细致的研究,具有十分重要的社会意义和经济价值。 虽然钻杆柱在结构上看似较为简单,但实际上,它承受着相当复杂的外力。孔内钻杆柱复杂的受力变形、复杂的运动状态及特殊的约束振动系统会给钻进工作带来一系列不利的影响。由于目前仍主要采用传统的弹塑性强度理论和解析方法,比较粗略,难以对钻杆的结构优化、应力分布、失效原因、工作特性和状况等方面进行较为精确和可靠的分析及研究,再加上钻杆的模型难以建立、试验不容易做,所以实际上对钻杆的认识还比较肤浅,对钻杆很多方面的研究还不够全面和透彻。 随着计算机技术和应用的迅速发展,日趋完善的有限元分析方法在工程中得到了越来越广泛的应用,并初步显示了其精确、可靠、仿真的优越性。因此,为适应钻探工程技术发展的实际需求,宜采用更加精确和可靠的有限元分析方法,对钻杆进行仿真分析和研究。 本文以GZ-2000型2000m水井钻机为切入点,采用大型CAE有限元仿真分析软件ANSYS,对钻杆进行仿真分析和研究,为钻杆的一般性研究寻求新的方法和途径。 本文建立的基于ANSYS软件的钻杆参数化有限元仿真模型,具有较强的实用性和通用性,可以做到由特殊到一般,极大地提高了分析和研究的效率,并为进一步的分析和研究奠定了良好基础。在建立有限元模型的过程中,考虑了钻井液的压力和浮力影响等因素,与现有的钻杆柱有限元模型相比,仿真程度有很大的提高。 本文在对钻杆进行有限元仿真分析时,主要着重于两方面。一是对钻杆柱的整体受力情况进行静力学分析;二是对钻杆柱的扭转振动和纵向振动问题进行了有益的探讨。对钻杆柱的受力分析结果,对于研究和预防钻杆及其它钻具的疲劳失效、钻杆及其它钻具的结构优化设计、钻进参数的合理确定、井下钻具的优化组合等方面,均有一定的参考价值。对钻杆柱扭转振动的分析结果,为不同类型钻头临界转速的确定提供了计算依据,对钻探工程实际中防止共振有着十分重要的指导意义。对钻杆柱纵向振动的分析结果,既能在为避免引起共振 WP=7 采取措施时提供可靠的指导依据,又可为“振动冲击钻法”系统的研究和设计提供极其重要的参考数据。此外,还发现两种振动的固有频率范围有重叠的部份。这一点对于研究钻杆柱的共振破坏、强度问题、井眼轨迹控制仪表的安装部位和保护措施以及钻杆柱减震等,是很有意义的。 论文共分五章。 第一章,说明了课题研究的来源、目的及意义,并分析了课题的国内外研究现状、发展趋势以及存在的主要问题,最后指出了本文的主要研究内容。 第二章,对有限元方法和ANSYS软件作了简单的介绍。首先介绍了有限元方法的应用和基本原理,接着对大型CAE有限元仿真分析软件ANSYS的主要功能和技术特点作了简要的说明,最后ANSYS软件基本使用过程中的环境、有限元的基本构成、ANSYS构架、典型分析过程、以及图形控制功能等方面的内容作了介绍。 第三章,采用参数化方法建立了钻杆有限元仿真模型。在简要介绍ANSYS中有限元模型建立方法,GZ-2000钻机的基本参数,以及钻进过程中所用到的钻杆及钻铤的相关参数的基础上,采用直接建模法创建了钻杆有限元仿真模型。除了以简洁的命令流的方式来给出建模的具体步骤之外,还总结了参数化的钻杆有限元仿真模型的主要特点。 第四章,对钻杆柱的整体受力情况和钻杆柱的扭转振动和纵向振动问题进行了有限元仿真分析。首先,运用ANSYS软件中结构静力学的分析模块,对钻杆柱在减压和加压两种回转钻进过程中的整体受力情况进行了分析,说明了钻杆柱的整体受力过程及特点,并总结了钻杆柱应力分布的一般规律。然后,对于钻杆柱的扭转振动和纵向振动问题,运用ANSYS软件中模态分析技术,分别计算出了钻杆柱扭转振动和纵向振动的各阶固有频率和振型,不仅为不同类型钻头临界转速的确定提供了计算依据,而且揭示了钻杆壁厚尺寸,钻铤的长度组合,以及孔深等因素的变化对钻杆柱扭转振动和纵向振动固有频率的影响规律,此外,还发现两种振动的固有频率范围有重叠的部份。 第五章,对全文进行了回顾与总结。首先对论文完成的主要工作及意义进行了总结,然后指出了本文在研究中存在的局限、以及后续研究工作的深入方向,最后还对钻杆和其它钻探设备的进一步研究发展趋势作了展望。


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