水平受压柔性钻柱耦合振动动力学行为机理研究

As a rapid developed new technology in recent years, horizontal well engineering is an important technical method to improve the oil production. In this paper,theoretical analysis,numerical simulation and experiment verification are combined to conduct the research. Considering the influence of rotate speed, bit pressure,fluid,velocity, torque and impact loading on the horizontal flexible compressive drill string,the coupled dynamic model of transverse,axial and torsional vibrations of the drill string is established include the factors of gravity, friction, geometry nonlinear and contact nonlinear, and the calculation solutions of the model and the control methods of coupling vibration are given. Considering the infulence to vibration of drill string by inside and outside drilling fluid ,the whirling motion mechanism and the boundary conditions of whirling motion are studied, and the coupling dynamics model of whirling motion and transverse vibration are established,and also the control methods of coupling vibration are given. Through the comprehensive simulation experiment of the horizontal drill string, the model and solve methods are validated and improved ,and the dynamics mechanism of couping vibration of horizontal flexible compressive drill string is revealed. This research is intended to provide theoretic support and technical reference to the parameter optimization of horizontal drilling,also the design and control of specific equipment in horizontal well.

水平井工程是近些年发展起来的一项新技术，是提高油气产量的重要技术手段。本课题采用理论分析、数值模拟和实验验证的研究方法，研究转速、钻压、流体、流速、扭矩及冲击载荷等因素对水平受压柔性钻柱的影响，计及重力、摩阻、几何非线性和接触非线性等因素，建立水平受压柔性钻柱横向、纵向和扭转的耦合振动模型及解算方法，研究钻柱横纵扭耦合振动的控制方法；计及水平钻柱内、外钻井液对钻柱振动的影响，分析诱发水平钻柱产生涡动的机理，判断钻柱涡动产生的边界条件，研究水平柔性钻柱涡动与钻柱横向振动的耦合振动模型及耦合振动的控制方法。通过水平钻柱动力学的综合模拟实验，验证和完善所建立的数学模型及模型解算方法的正确性，揭示水平受压柔性钻柱耦合振动的动力学行为机理，为水平钻井技术参数优化和大型水平井专用钻井装备的研制及控制提供理论支持和技术指导。

在水平井钻井过程中，钻柱由于受压很容易发生有害振动，引发钻柱、钻头失效以及井眼扩径等严重事故。.首先，基于相似理论，设计并搭建了水平钻柱动力学试验装置，研究水平受压旋转柔性梁的动力学特性，得到其运动规律，探索出一套可行的水平受压柔性钻柱动力学行为模拟实验方法。.其次，将受压柔性旋转钻柱简化为柔性旋转梁，将钻柱受到的复杂载荷简化到柔性旋转梁系统中，建立了钻柱的非线性控制方程，并且利用多尺度法得到了平均方程。运用非线性动力学的方法分析柔性旋转梁在共振情况下的复杂动力学响应，得出系统中钻柱旋转角速度对非线性动力学响应的变化规律。结果表明：从单倍周期到倍周期的过程中，响应的幅值有跳跃现象，柔性钻柱在共振条件下振幅并不是无穷大，而是有限的值；当钻柱转速介于某一区间时，柔性钻柱振动频率属于单频振动，振幅较小。.第三，考虑摩阻和边界约束，建立受约束管柱非线性屈曲行为的动力学微分方程。分析摩擦系数的变化对水平井钻柱的屈曲临界载荷及屈曲变形的影响规律，以及钻柱自身的重力对水平井钻柱屈曲问题的重要影响。通过模拟试验分析水平井作业中轴向载荷的传递效率，并得到摩阻力变化趋势，并与数值计算结果对比分析。利用模拟试验研究了转速对水平井钻柱动态屈曲运动的影响规律，得到动态屈曲振动的幅值和轴心轨迹的变化规律。.最后，根据转子动力学理论和流体动力学建立水平井钻柱的涡动方程，研究钻柱自重、井壁摩阻、内外钻井液流速、流体阻力对钻柱涡动的影响，分析诱发水平钻柱产生涡动的机理及判断涡动产生的边界条件，基于实验室现有的水平钻柱动力学模拟试验装置，开展了水平钻柱涡动特性试验研究，得到了钻压、转速、流体速度对钻柱涡动轨迹、涡动速度的影响规律。.该项研究成果建立了水平钻柱动力学模型，揭示了水平钻柱在复杂外界条件下的动力学特征，为水平井钻井结构设计以及参数的优选提供了理论基础。