深井、超深井钻柱的非线性动力学特性分析

进入21世纪后，深井、超深井技术发展迅速，与之相关的钻柱失效问题也备受关注。本研究针对深井、超深井钻柱工作环境的特殊性，基于哈密顿原理建立钻柱动力学分析模型，并根据实际井眼的复杂空间三维形态和钻柱超长细比特性所带来的钻柱双重非线性特征，有机结合直梁单元和曲梁单元，利用有限元节点迭代法求解具有复杂边界条件的钻柱动力学模型，研究考虑钻柱变形、接触位置和碰摩特征的新型接触非线性算法，使其充分反映钻柱与井壁之间的动态碰摩接触关系。探讨以底部钻具组合动力学响应为激励的全井钻柱动力学特性分析方法。详细描述深井、超深井钻柱的动态特征，分析结构参数、施工参数对钻柱动态应力的影响规律。研究钻柱动态安全因子表示方法，探讨深井、超深井钻柱动态安全性。研究以动态安全性为目标函数的钻柱结构参数和施工参数优化方法，为降低深井、超深井动态应力、提高钻柱安全性提供有效工具。形成深井、超深井钻柱动力学特性仿真分析平台。

1）针对钻柱的变截面、变刚度旋转长轴和双重非线性特征，考虑钻柱与井壁的非线性碰摩特性，本研究基于哈密顿原理建立了深井、超深井钻柱动力学模型，并重点分析了非线性项对钻柱动态特性的影响。2）提出了运用直梁和空间曲梁单元混合求解动力学模型的新型有限元节点迭代方法，避免了大型矩阵的处理，使得利用普通计算机求解分析大型结构和非线性力学问题成为可能，从而实现了超深井钻柱的动力学特性求解，得到了超深井钻柱不同位置的涡动轨迹、涡动速度、涡动加速度。3）针对节点迭代法计算费时难题，考虑钻柱与井壁碰摩的具体特征，提出采用弹塑性边界的接触问题处理方法，对迭代过程进行了优化，使计算时间得到了大幅度缩短（7000m钻柱动力学特性的模拟由原来的14小时缩短到3小时）。4）提出了一种考虑钻柱动态应力和碰撞应力的深井、超深井钻柱动态安全因子计算方法，并提出了一套基于钻柱动力学动态安全性的实用评价技术。结合塔里木油田生产实际，分析了塔里木油田3套井身结构钻柱的动力学特性，初步明确了不同井身结构条件下钻柱动力学特性的具体特征，相关研究成果已在塔里木油田的钻井设计中加以应用。同时，研究了钻柱结构参数和施工参数对钻柱动力学特性的影响，形成了以钻柱动态安全性为依据的参数优化方法。5）结合超深井钻柱在复杂载荷作用下的空间构形特征，探讨了这种双重非线性问题的固有频率计算方法，分析了载荷激励下钻柱的模态响应。6）结合气体钻井特征，分析了气体钻井过程中的钻柱动力学特性，并与泥浆钻井进行了对比，研究了钻井液性能对钻柱动力学特性的耦合效应。结果表明，气体钻井的涡动频率和涡动速度明显高于泥浆钻井，气体钻井时钻柱与井壁的碰撞更为频繁且冲击应力远大于泥浆钻井。7）利用井下实测工具，测量了塔里木油田超深井钻柱的井下振动特性，获得了井下钻柱的涡动、粘滑、轴向振动等有用信息。利用FFT和STFT信号处理分析，得出了振动的主要频率。8）利用弹塑性模型对复杂载荷作用下钻具接头丝扣的三维力学特性进行了研究，得到了钻具接头丝扣的受力特征，研发了钻柱接头的极限工作扭矩图板；9）为了使钻柱动态安全性评估和动力学特性仿真平台更能具有实际应用价值，研发了一套钻柱动态安全性仿真平台，并在塔里木油田得到较好的应用。