《深井、超深井鑽柱的非線性動力學特性分析》是依託上海大學，由狄勤豐擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：深井、超深井鑽柱的非線性動力學特性分析
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：狄勤豐
- 依託單位：上海大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
進入21世紀後，深井、超深井技術發展迅速，與之相關的鑽柱失效問題也備受關注。本研究針對深井、超深井鑽柱工作環境的特殊性，基於哈密頓原理建立鑽柱動力學分析模型，並根據實際井眼的複雜空間三維形態和鑽柱超長細比特性所帶來的鑽柱雙重非線性特徵，有機結合直梁單元和曲梁單元，利用有限元節點疊代法求解具有複雜邊界條件的鑽柱動力學模型，研究考慮鑽柱變形、接觸位置和碰摩特徵的新型接觸非線性算法，使其充分反映鑽柱與井壁之間的動態碰摩接觸關係。探討以底部鑽具組合動力學回響為激勵的全井鑽柱動力學特性分析方法。詳細描述深井、超深井鑽柱的動態特徵，分析結構參數、施工參數對鑽柱動態應力的影響規律。研究鑽柱動態安全因子表示方法，探討深井、超深井鑽柱動態安全性。研究以動態安全性為目標函式的鑽柱結構參數和施工參數最佳化方法，為降低深井、超深井動態應力、提高鑽柱安全性提供有效工具。形成深井、超深井鑽柱動力學特性仿真分析平台。
結題摘要
（1）針對鑽柱的變截面、變剛度旋轉長軸和雙重非線性特徵，考慮鑽柱與井壁的非線性碰摩特性，本研究基於哈密頓原理建立了深井、超深井鑽柱動力學模型，並重點分析了非線性項對鑽柱動態特性的影響。（2）提出了運用直梁和空間曲梁單元混合求解動力學模型的新型有限元節點疊代方法，避免了大型矩陣的處理，使得利用普通計算機求解分析大型結構和非線性力學問題成為可能，從而實現了超深井鑽柱的動力學特性求解，得到了超深井鑽柱不同位置的渦動軌跡、渦動速度、渦動加速度。（3）針對節點疊代法計算費時難題，考慮鑽柱與井壁碰摩的具體特徵，提出採用彈塑性邊界的接觸問題處理方法，對疊代過程進行了最佳化，使計算時間得到了大幅度縮短（7000m鑽柱動力學特性的模擬由原來的14小時縮短到3小時）。（4）提出了一種考慮鑽柱動態應力和碰撞應力的深井、超深井鑽柱動態安全因子計算方法，並提出了一套基於鑽柱動力學動態安全性的實用評價技術。結合塔里木油田生產實際，分析了塔里木油田3套井身結構鑽柱的動力學特性，初步明確了不同井身結構條件下鑽柱動力學特性的具體特徵，相關研究成果已在塔里木油田的鑽井設計中加以套用。同時，研究了鑽柱結構參數和施工參數對鑽柱動力學特性的影響，形成了以鑽柱動態安全性為依據的參數最佳化方法。（5）結合超深井鑽柱在複雜載荷作用下的空間構形特徵，探討了這種雙重非線性問題的固有頻率計算方法，分析了載荷激勵下鑽柱的模態回響。（6）結合氣體鑽井特徵，分析了氣體鑽井過程中的鑽柱動力學特性，並與泥漿鑽井進行了對比，研究了鑽井液性能對鑽柱動力學特性的耦合效應。結果表明，氣體鑽井的渦動頻率和渦動速度明顯高於泥漿鑽井，氣體鑽井時鑽柱與井壁的碰撞更為頻繁且衝擊應力遠大於泥漿鑽井。（7）利用井下實測工具，測量了塔里木油田超深井鑽柱的井下振動特性，獲得了井下鑽柱的渦動、粘滑、軸向振動等有用信息。利用FFT和STFT信號處理分析，得出了振動的主要頻率。（8）利用彈塑性模型對複雜載荷作用下鑽具接頭絲扣的三維力學特性進行了研究，得到了鑽具接頭絲扣的受力特徵，研發了鑽柱接頭的極限工作扭矩圖板；（9）為了使鑽柱動態安全性評估和動力學特性仿真平台更能具有實際套用價值，研發了一套鑽柱動態安全性仿真平台，並在塔里木油田得到較好的套用。
