基于浑沌理论钻柱横扭耦合动力学特性的分析

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1、StudyonCoupledTransverseandTorsionalDynamicsofDrillStringBasedonChaoticTheoryAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：FuLeiSupervisor：Prof．YuGuijieProf．YangHanliCollegeofArchitecture&StorageEngineeringChinaUniversityofPetroleum(EastChina)关于学位论文的独创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作

2、所取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学(华东)或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。学位论文作者签名：么立耍日期：10I1年r月2-日学位论文使用授权书本人完全同意中国石油大学(华东)有权使用本学位论文(包括但不限于其印刷版和电子版)，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门(机构)送交学位论文，以学术交流为目的

3、赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。保密学位论文在解密后的使用授权同上。学位论文作者签名：么立垂指导教师签名：日期：‘1J11年r月?口日日期：)。l1年j月扣日摘要顶驱细长钻柱作为钻井工程中特有结构，在充满钻井液的井筒内旋转，存在着三个方向的耦合振动，钻柱动力分岔又加剧振动，使其与井壁发生随机接触碰撞，造成井壁和钻具的损坏。钻柱的不规则浑沌运动导致钻头受力方向不确定，从而使井眼轨迹难以控制。由于钻柱系统结构和运动规律复杂，无法进行现场试验，而一般的受力分析方法

4、又很难解决，因此有必要将TDS、钻柱、钻铤、钻井液、井壁、井底岩石等作为一个柔性多体系统，开展基于浑沌理论的钻柱横扭耦合动力学特性分析。这对了解钻柱运动规律、预测和控制井眼轨迹、优化钻具组合和防止钻井事故的发生等具有重要意义，同时还有利于推动和完善新的钻井工艺和项驱驱动等技术。在总结前人工作基础上，基于柔性多体动力学理论和浑沌理论，研究多体系统动力学和浑沌动力学相互融合的方法和原理，推导了钻柱偏离定常运动而失稳的条件。依据哈密顿原理推导出该系统动力学方程，应用摄动法和数值积分原理对钻柱上端纵、扭耦合振动方程进行求解分析。基于振动理论、动力间隙元理论及非线性固液耦合理论

5、，采用有限元法推导了垂直井中柔性多体钻柱系统横、扭耦合非线性动力学模型，并基于有限元的(撕，p)格式将钻井液与钻柱、井壁之间的固液耦合作用考虑到模型中。采用ANSYS软件对1700m以内垂直井钻柱系统横、扭耦合动力学特性进行了仿真分析。提取了钻柱横、扭振动的固有频率及阵型，结果显示：钻井液的耦合作用使钻柱横振固频减小，而轴向载荷使其增加；钻井液、轴向载荷对扭振固频无影响：钻柱或钻铤长度的增加，使钻柱各阶扭振固频减小。施加轴向载荷使钻柱横振极值位移下移到钻铤上，加剧了钻铤振动。施加钻柱轴向载荷使得靠近钻头处钻柱首先发生失稳屈曲，与井壁发生随机接触碰撞，同时紧贴井壁做间歇

6、性或连续性的公转运动；钻铤上部钻柱由于受拉而出现微弱的横振。距离钻头50m处钻柱横振轨迹紊乱，有明显撞击井壁的现象：井筒内钻井液有效的减小了钻柱横振振幅，降低了钻柱与井壁发生碰撞的概率。关键词：柔性体，钻柱，固液耦合，浑沌，非线性动力学，振动，ANSYSStudyonCoupledTransverseandTorsionalDyanmicsofDrillStringBasedonChaoticTheoryFuLei(EngineeringMechanics)DirectedbyProfessorYuGuijieandProfessorYangHanliAbstract

7、Asaspecialstructureintheprocessionofwelldrilling，thereexistsathreedirectionalcouplingvibrationwhentheslenderdrillstringbyTDSdrivinginawellborefilledup、Ⅳitlldrillingfluidisrotating．Dynamicbifurcationofthedrillstringintensifiesvibrationsthattherandomcontactandimpactbetweendrillst