深水钻井钻柱动力学分析研究

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1、中图分类号：TE21单位代码：11414学号：2013212525题目深水钻井钻柱动力学分析研究专业或领域石油与天然气工程研究方向油气井工程专业硕士生杨尧焜指导教师李军教授现场导师蒋宏伟高级工程师二○一六年五月硕士学位论文独创性声明ｉ，独立进行研究工作郑重声明：本硕士学位论文是作者个人在导师的指导下，论文中不包含其他个人所取得的成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外和集体已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得中国石油大学或者其它单位的学位或证书所使用过的材料。对本研究做出贡献的个人和集体，均己

2、在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者和导师完全意识到本声明产生的法律后果由作者和导师相应承担。作者溶名々ｏ／ｆｘｗ：曰期ｊ￣￣￣、导师签名日期：彡方—：少／硕士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解中国石油大学（北京）学位论文版权使用的有关规定，使用方式包括但不限于：学校有权保留并向有关部门和机构送父可以公布学位论允许学位论文被查阅和借阅；学校学位论文的复印件和电子版；文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文内容编入有关数据

3、库进行检索。；可以将本学位论文的全部或部分本学位论文属于保密范围，保密期限年，解密后适用本授权书。本学位论文作者如需公开出版学位论文的部分或全部内容，必须征得导师书面同意。．曰期：作者签名导师签名：日期：－－１摘要摘要深水钻井钻业环境恶劣，工况复杂、恶劣，深水钻井容易发生钻具失效问题，研究深水钻井管具的动力学特性对避免钻具失效至关重要。调研深水钻井钻柱动力学的方法（线性微元法、间隙元法、有限元法、纵横梁弯曲法等），优选研究方法提高准确度。针对国内深水勘探处于起步阶段，本文深入研究深

4、水钻井钻柱横向、纵向、扭转以及相互耦合动力学机理和起因，并完成以下工作内容：求解深水钻井直井段管柱纵向动力学方程，研究了减震器刚度、平台悬挂刚度与固有频率的关系；求解水平段钻柱非线性有限元表达式，考虑了钻压等动态外载荷对固有频率的影响。求解水平段钻柱横振有限元方程，考虑钻井液附加作用力的钻柱固有频率随阶数先下降后上升；钻柱出现公转、自转时，计算发现钻铤与钻杆容易共振，且环空间隙、井眼直径越小，转速越高，横向迫振越剧烈，横向弯曲应力越大；钻柱反转条件下，距离中和点以下的钻具越长，横向共振越剧烈，中和点以上的钻具越短，

5、横向共振越剧烈。扭转共振时，钻具长度越短，扭转振动的固有频率越大；研究了钻柱涡动与井眼直径、涡动角速度、钻具尺寸的关系；粘滑振动的周期一般长于滑动时间，周期随钻柱长度的增加而变长，钻铤的粘滑振动周期一般高于钻杆的粘滑振动周期。建立井下钻柱单元耦合动力学有限元表达式，随着阶数的升高，钻柱固有频率逐渐增大；分析了钻井液、钻柱偏心等因素对固有频率的影响，通过对比线性振动结果，发现非线性振动结果与现场施工结果更接近。通过实验分析发现钻压呈周期性波动，研究了钻柱振动剧烈程度与钻压、转速的关系。求解波动钻压下的有限元动力学方程

6、，数值模拟不同转速、钻压、钻具长度对钻柱耦合振动频率的影响，发现转速越高，钻压越高，钻具长度越短，钻柱越容易失稳。根据深水现场数据，分析了转速、钻压对钻具振动剧烈程度的影响，并展开动态安全评价，优选转速最好在60~110rpm之间，钻压在80~120KN之间，为保证该井深水安全作业，建议转速不要超过110rpm，钻压不要超过120KN，为深水钻井钻具安全钻进提供了可靠性意见。关键词：深水钻井；钻柱动力学；有限元；数值模拟；波动钻压-II-ABSTRACTDeepwaterDrillingStringDynamics

7、AnalysisandResearchABSTRACTForharshenvironmentandcomplexconditionindeepwaterdrilling,deepwaterdrillingstringhappenstofailureseasily.Howtoanalysischaracteristicsofdeepwaterdrillingpipetoavoiddrillingstringfailureisessential.Thispaperintroducestheresearchmethods

8、ofdeepwaterdrillingstringdynamics(linearmicro-elementmethod,thegapelementmethod,finiteelementmethod,beambendingmethod,etc.)andunderdifferentdrillingenvironments,thebestmethodwillbe