井下多体钻柱系统瞬态动力学仿真分析

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1、２０１４年第４３卷石油矿场机械第４期第７页ＯＩＬＦＩＥＬＤＥＱＵＩＰＭＥＮＴ２０１４，４３（４）：７－１２文章编号：１００１－３４８２（２０１４）０４－０００７－０６井下多体钻柱系统瞬态动力学仿真分析肖文生１，刘忠砚１，王鸿雁１，魏文强１，２，付雷１，殷有财１（１．中国石油大学（华东）机电工程学院，山东青岛２６６５８０；２．中石化天津液化天然气有限责任公司，天津３００４５７）①摘要：钻井过程中钻杆柱的高速涡动会引起钻杆柱与井壁的随机碰撞。为了有效

2、预测与控制钻杆柱与钻头在井下的运动规律，建立了符合实际工况的井下多体钻柱系统固液耦合有限元模型，分析了钻井液对钻柱系统瞬态动力学特性仿真结果的影响。研究结果表明：钻柱在钻井液的作用下横向振动减弱、与井壁发生碰撞的次数减少。为进一步阐明钻柱运动规律、预测和控制井眼轨迹奠定了基础。关键词：钻柱；固液耦合；瞬态动力学特性；有限元分析中图分类号：ＴＥ９２１．２０１文献标识码：ＡＴｒａｎｓｉｅｎｔＤｙｎａｍｉｃｓＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｓＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＤｏｗｎＨｏｌｅＤｒｉｌｌＳｔｒｉｎｇＭｕｌｔｉ－ｂｏｄｙＳｙｓｔｅｍ１，ＬＩＵＺｈｏｎｇ－ｙａｎ１，

3、ＷＡＮＧＨｏｎｇ－ｙａｎ１，ＷＥＩＷｅｎ－ｑｉａｎｇ１，２，ＦＵＬｅｉ１，ＹＩＮＧＹｏｕ－ｃａｉ１ＸＩＡＯＷｅｎ－ｓｈｅｎｇ（１．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＰｅｔｒｏｌｅｕｍ，Ｑｉｎｇｄａｏ２６６５８０，Ｃｈｉｎａ；２．ＳｉｎｏｐｅｃＴｉａｎｊｉｎＬＮＧＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｔｉａｎｊｉｎ３００４５７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｈｉｇｈｓｐｅｅｄｗｈｉｒｌｏｆｄｒｉｌｌｐｉｐｅｉｎｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｃａｕｓｅｄｒａｎｄｏｍｃｏｌｌ

4、ｉｓｉｏｎｓｏｆｄｒｉｌｌｐｉｐｅａｇａｉｎｓｔｔｈｅｗａｌｌ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙｐｒｅｄｉｃｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｍｏｔｉｏｎｌａｗｏｆｄｒｉｌｌｐｉｐｅａｎｄｔｈｅｄｒｉｌｌｂｉｔｉｎｔｈｅｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅｃｏｕｐｌｅｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｓｏｌｉｄ－ｌｉｑｕｉｄｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｆｏｒｔｈｅｄｏｗｎｈｏｌｅｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇｍｕｌｔｉ－ｂｏｄｙｓｙｓｔｅｍ，Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｆｌｕｉｄｏｎｔｈｅｔｒａｎｓｉｅｎｔｄｙ－ｎａｍｉｃｓｓｉｍ

5、ｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔ：ｕｎｄｅｒｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｆｌｕｉｄ，ｔｈｅｄｒｉｌｌｓｔｒｉｎｇ’ｓｌａｔｅｒａｌｖｉｂｒａｔｉｏｎｗｅａｋｅｎｅｄａｎｄｉｔｓｖｉｂｒａｔｉｏｎａｃｃｅｌｅｒａ－ｔｉｏｎａｎｄａｍｐｌｉｔｕｄｅｗｅｒｅｄｅｃｒｅａｓｅｄａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｅｖｅｌ，ｔｈｅｓｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｆｕｒｔｈｅｒｅｌｕｃｉｄａｔｅｔｈｅｍｏｖｅｍｅｎｔｏｆｔｈｅｄｒｉ

6、ｌｌｓｔｒｉｎｇ，ａｎｄｐｒｅｄｉｃｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｗｅｌｌｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｒｉｌｌｓｔｅｍ；ｆｌｕｉｄ－ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ；ｔｒａｎｓｉｅｎｔｄｙｎａｍｉｃｓ；ＦＥＡ钻井过程中，当钻柱带钻头旋转钻进时，由于钻等把钻柱与井壁处理成刚性碰撞，采用位移约束的［６］杆柱的高速涡动，引起了钻杆柱与井壁的随机接触方法来描述钻柱与井壁的碰撞接触；张其昌等将［７］碰撞现象，其动力学状态非常复杂。持续的接触碰两者的接触关系利用弹簧约束模拟。以上２种方撞会导致钻柱和钻头动力学状态发生变化，改变钻法虽然能

7、够有效模拟两者接触边界条件，但工作量柱控制井眼轨道能力，最终使钻井轨迹达不到设计巨大，而且没有考虑钻井液对钻柱系统瞬态动力学［１－６］要求，严重影响着钻井成本。２０世纪８０年代特性的影响。本文采用有限元法，根据两种管单元起，随着钻井技术的不断发展，国内外学者对井下钻ＰＩＰＥ５９，ＰＩＰＥ１６的力学特性分别建立了钻柱系统柱系统动力学进行了深入的研究。ＭｉｌｌｈｅｉｍＫＫ钻进过程中考虑钻井液作用与不考虑钻井液作用下①收稿日期：２０１３－１０－２２基金项目：山东省自然科学基金“井下控制工程基础理论研究”（Ｙ２００８Ｆ４８）作者简介：肖文生（１９６６－

8、），男，陕西西安人，教授，博士，博导，主要从事计算机辅助设计及海洋工程研究，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉ－ｕｚｈｏｎｇｙａｎ２００７ｕｐｃ＠１６３．ｃｏｍ。·８