第40卷第6期2011年6月Liaoning Chemical IndustryJune, 2011鉆柱動力學(xué)分析趙炎(長城鉆探工程技術(shù)研究院,遼寧盤錦124010)要:鉆柱是鉆井的最基本的工具,鉆柱的安全性和可靠性對鉆井工程尤為重要,鉆柱的損壞嚴(yán)重影響了鉆井的正常進(jìn)行。因此有必要對鉆柱進(jìn)行可靠性分析,得出最優(yōu)的鉆具組合,以節(jié)約成本。本文根據(jù)有限元法得到鉆柱的力學(xué)模型,并應(yīng)用 NEWMARK法對力學(xué)模型進(jìn)行求解。通過對剛性滿眼鉆具組合進(jìn)行動力學(xué)仿真,得到了鉆柱在井下工作時表面的受力,并得到了鉆柱上各點的位移,對預(yù)防鉆柱疲勞失效具有一定的指導(dǎo)意義。關(guān)鍵詞:鉆柱;力學(xué)模型;有限元分析;剛性滿眼中圖分類號:TE242文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:10040935(2011)06-0657-04鉆柱是石油鉆井工程中使用數(shù)量大、質(zhì)量要求非線性。對鉆柱結(jié)構(gòu)、上下邊界條和外部載荷作如高的管材,是鉆井最基本的工具。鉆柱在鉆進(jìn)時處下假設(shè):在充滿鉆井液的細(xì)長井眼中,其受力情況非常復(fù)雜,(1)整個分析過程中鉆柱處于線彈性狀態(tài),不不僅要承受拉力、壓力、扭矩等隨時間變化而變化考慮塑性變形的交變載荷,還要承受由鉆具渦動引起的摩擦和高(2)井眼任一橫截面都為等徑圓,井壁彎曲程頻撞擊,同時隨著地層條件的不同,鉆柱有時還會度與井眼軸線彎曲一致;承受腐蝕、粘滯力、氫脆、高溫等作用。在各種外(3)在不受重力作用時,鉆柱軸線與井眼軸線界因素的作用下,鉆井工程中鉆柱失效事故大量發(fā)致;生,造成了眾多井下事故,導(dǎo)致大量額外經(jīng)濟(jì)損失。(4)井壁是剛性的,與鉆柱接觸時不產(chǎn)生變形。鉆柱的失效大大增加了鉆井工程中的起下鉆時間,發(fā)生變形。嚴(yán)重影響了鉆井的正常進(jìn)行。鉆柱失效后的井有的12鉆柱動力學(xué)模型的建立直接就報廢,有的對井底鉆柱進(jìn)行打撈,報廢和打根據(jù)有限元方法對鉆柱組合進(jìn)行有限元離散撈大大增加了鉆井成本。據(jù)統(tǒng)計,在20世紀(jì)80年,如圖1所示。代,我國每年有近2萬m的鉆柱由于在井下施工中M實效而被埋在地下2為了減少井下事故的發(fā)生,使鉆井成本達(dá)到最低,就必須提高鉆柱的可靠性。通過對鉆柱失效機(jī)y,(ew)x(n)理的分析研究,確定鉆井工程中的最優(yōu)鉆井參數(shù),使鉆柱失效率大大降低,從而達(dá)到控制鉆井成本的v( en)目的。0M),鉆柱力學(xué)建模圖1鉆柱單元節(jié)點受力示意圖式中;w、咧一節(jié)點軸向位移;1.1基本假設(shè)晌、一沿x方向的位移;鉆井過程中鉆頭在鉆壓和扭矩作用下破巖鉆吟、y一沿y方向的位移進(jìn),連接鉆頭的鉆柱在各種載荷作用下受到井壁的Bn、6—繞x軸的扭轉(zhuǎn)角6、戰(zhàn)-繞y軸的扭轉(zhuǎn)角約束鉆柱會和井壁產(chǎn)生接觸,在任一井深處、任一如t井眼圓周方向上產(chǎn)生接觸的問題都屬于接觸非線性中國煤化工力學(xué)問題,在建立鉆柱幾何模型時,必須考慮接觸CNMHG收稿日期:2011-02-16著側(cè)介::(19元男:0理1王,遼寧盒人,206年于大慶石油學(xué)晚石油工程專業(yè),研究方向;鉆井軌遺控制與鉆柱力學(xué),遼寧化工2011年6月Q、Q4-z平面內(nèi)的彎矩;同理,假設(shè)My、My-x平面內(nèi)的彎矩;Mn、M4-xy平面內(nèi)的彎矩=(-a)}+an,},則位移泰勒公式用有限元處理邊界約束條件后得到動力學(xué)方程展開式可以化為[MJld+[cl+[k,l}={F()}(1){un}={un}{}A+(1-2a)}+2a{ar2式中:[M]一結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣;(0≤2a≤1)(6)l-結(jié)構(gòu)阻尼矩FK】]一結(jié)構(gòu)剛度矩上式中:引進(jìn)參數(shù)a、的為 Newmark法的積分參F(t)]一隨時間變化的載荷函數(shù);一節(jié)點位移矢量;數(shù)節(jié)點速度矢量;引進(jìn)新的參數(shù)將式(5)及式(6)中的系數(shù)簡{}一節(jié)點加速度矢量化可以得到t△t時刻的速度{n}和加速度有限元不同分析類型是對這個方程的不同形式進(jìn)行求解:(1)模態(tài)分析:假設(shè)載荷函數(shù)F(1為為零,同時通常忽略結(jié)構(gòu)阻尼矩陣C];(2)諧響應(yīng)分Lu, =u,+a6,+a,,+3(7析:假設(shè)載荷函數(shù)F(t)和位移函數(shù)u(t)都為諧函數(shù);(3)瞬間動態(tài)分析:方程保持上述的形式不變。{ans}= ao du}-{u1)-a31}-a3{a}(8)代式(4)到式(3)可以得到2鉆柱系統(tǒng)動力學(xué)模型的求解鉆柱系統(tǒng)動力學(xué)分析時求解動力學(xué)基本方程(1){nx}=a4({un}-{x)-a1n}-a3{n}(9)時有兩種方法:模態(tài)疊加法和直接積分法。模態(tài)疊代式(8)和式(9)入式(2)可以得到加法一般用于求解線性問題,直接積分法允許模型(ao[M]+a[c]+[K]+(K dum)有非線性性質(zhì)。直接積分法是直接求解運(yùn)動方程,={F}+{Ma3l1}+a2}+a2{a(10)對于瞬態(tài)動力學(xué)分析,運(yùn)動方程為時間的函數(shù),可+chau+au,+asu,b以通過顯式或隱式的方法求解。B在直接積分法中又有 NEWMARK法和HHT法式中:a-a△t2,想為:將基本的動力學(xué)方程(1)中的位移矢量4-1B-1a=aAt這兩種隱式積分法應(yīng)用的逐步積分法,其基本思{u()},替換為{(t+△r,由于對位移、速度和加a=(-p),a,=Br(11)速度三者間的關(guān)系假設(shè)不同,則分為 NEWMARK法由上述分析可得 NEWMARK參數(shù)和HHT法。Newmark法具體計算為:a24(2+P,B22,2+B+a>0(12)在t+△t時刻,動力學(xué)基本方程(1)可以寫為:將式(12)改寫為等式便于計算,因此M41,}+l.+燈+E=(F,}(2) NEWMARK法積分參數(shù)為:根據(jù)中值定理可得計△t時刻的速度為a=(+)2B=+8δ≥0(13)式中:新引人參數(shù)δ表示振幅衰減系數(shù)。式中:{2}為{以在時間[t+△小內(nèi)某點的加速度值,在 NEWMARK法的假設(shè)為:令6=0時,即a=4,B=2, NEWMARK法就變2=(-p1+1,)0B)(4)Yv口中國煤化工)和式(10)為代(4)式到(2)式可以得到速度值為NEWCNMH④導(dǎo)可知,只要確a)={}+(1-B)}+B(玩,(5)定t時刻的模型各運(yùn)動參數(shù){x}、{u,}和{,},就第40卷第6期趙炎:鉆柱動力學(xué)分析可以得到t+△t時刻的模型各運(yùn)動參數(shù){un}、{ns}和{n}由此可以知道,只要確定初始00.4時刻模型的位移矢量{}={和速度矢量{}={0},并由基本方程(1)計算得到加速度矢量{0},就可以得到時刻+△t模型的各個運(yùn)動參數(shù){a}、{}、{}。以此類推,逐步的可以求得時刻t=i△t(i=2,3,n)時模型的各運(yùn)動參數(shù)fun, uas inj2.43.6圖4鉆柱下端點Ⅹ軸向位移與時間關(guān)系圖瞬態(tài)動力學(xué)分析可采用3種方法:完全(FUL)法、縮減( REDUCED)法和模態(tài)疊加法。3仿真實例彐剛性滿眼鉆具組合,由井口至井底:5寸鉆桿數(shù)根+5寸加重鉆桿18根+6寸鉆鋌6根+7寸鉆鋌4根+8寸鉆鋌5根+扶正器+8寸鉆鋌1根+扶正器+8寸鉆鋌1根+扶正器+鉆頭。有限元軟件中建立的實體模型如圖2。01.22ANSYS圖5鉆柱下端點Y軸向位移與時間關(guān)系圖圖2剛性滿眼鉆具組合模型1.22.43.646.0分析結(jié)果:(1)滿眼鉆具承受動態(tài)載荷的應(yīng)力分布及變形圖6鉆柱下端點繞z軸轉(zhuǎn)動位移與時間關(guān)系圖如圖3。滿眼鉆具組合多在扶正器的作用下,使下部鉆柱ANSYS與井壁之間有三點接觸,很好的控制了鉆頭偏斜。扶正器之下鉆頭之上部分鉆柱就相當(dāng)于一個加了支架的簡支梁,這樣可以使鉆柱變形不至于過大,分析的應(yīng)力和變形圖來看,困擾鐘擺鉆具組合和塔式鉆具組合鉆頭與鉆柱連接處變形過大的問題得到了很好的解決?？梢钥闯鲢@井過程中扶正器以下鉆柱的剛性明顯增強(qiáng),X、Y軸向的擾度得到了有效的控制。隨著扶正器的增加,在起下鉆時抽吸激勵會隨之增大,這樣容易發(fā)生井漏事故.同時扶正器還會阻礙較大巖石屑的圖3滿眼鉆具承受動態(tài)載荷的應(yīng)力分布及變形中國煤化工。由于扶正器與井壁接CNMHG非常嚴(yán)重。(2)鉆柱下端點在各向的位移如圖4、5、6根據(jù)分析結(jié)果,看出鉆具組合對鉆柱的彎曲變形所示。和鉆柱上的應(yīng)力有較大影響影響。滿眼鉆具組合使鉆遼寧化工2011年6月柱下部的穩(wěn)定性得到了提高,但同時扶正器處易產(chǎn)生大,受井眼軌跡的約束,鉆柱會在井眼狗腿度較大應(yīng)力集中,扶正器以上中和點以下部分的應(yīng)力增加劇處隨著井眼軌跡的變化而產(chǎn)生較大的彎曲變形和彎烈,成了整個鉆柱上高應(yīng)力區(qū),在高轉(zhuǎn)速下鉆柱更加曲應(yīng)力。容易疲勞失效,引起井下事故。滿眼鉆具組合由于扶(2)從分析結(jié)果來看,鉆柱的橫向振動主要發(fā)正器的作用使鉆柱的一部分基本保持在井眼中間,這生在井底,井底鉆頭與鉆柱的連接處鉆柱產(chǎn)生較大樣就能夠較好的按照預(yù)先設(shè)計的井眼軌跡鉆進(jìn),準(zhǔn)確的變形位移。的到達(dá)油氣儲層,提高鉆井效率。剛性滿眼鉆具組合(3)滿眼鉆具組合使鉆柱的穩(wěn)定性得到了提在鐘擺鉆具組合基礎(chǔ)上更進(jìn)一步,使扶正器以下鉆柱高,但在扶正器處易產(chǎn)生應(yīng)力集中。的彎曲變形得到了有效的控制,能更加容易的增斜,參考文獻(xiàn):是定向井鉆井中重要的鉆具組合但同時在優(yōu)點與缺m)李鴻林馮榮石油估柱失效分析及預(yù)防措施石油機(jī)械,y08點并存,因此在實際鉆井中應(yīng)該根據(jù)地層情況和實際凹)翁繩壁,楊千里,張平子鉆誕接頭的強(qiáng)度分析及延長使用壽命的措鉆井條件合理的選擇鉆具組合,這樣才能取得最佳鉆施J石油機(jī)械,1989(2)進(jìn)速度,增加經(jīng)濟(jì)效益。3]林元華,付建紅,盧亞鋒,轍榮東,閻振來鉆柱限元動力學(xué)仿真研究石油大學(xué)學(xué)報,2008(6)4結(jié)論4]章?lián)P烈鉆柱運(yùn)動學(xué)與動力學(xué)M北京:石油工業(yè)出版社,200ANSYS, Ine.(NASDAQ: ANSS ) ANSYS Help.(1)從鉆柱動力學(xué)分析結(jié)果來看,三維彎曲井眼中井眼軌跡的曲率對整個鉆柱的彎曲變形影響較Dynamic Analysis of Drill StringZHAO Yan(GWDC Engineering Research Institute, Liaoning Panjin 124010, China)Abstract: Drill drilling is the most basic tool during drilling wells, safety and reliability of the drill string are very important fordrilling projects, damage of the drill string can seriously affect normal drilling. So it is necessary to analyze reliability of the drillstring to gain optimal combination of drilling tools In this paper, based on the finite element method, mechanical model of the drillstring was gained, and the model was solved by NEWMARK method. Through dynamic simulation of rigid packed hole assembly,force performance on surface of the drill string working in the underground was gained as well as displacement of the points on thedrill string, which can provide certain significance to prevent fatigue failureKey words: Drill string; Mechanical model; Finite element analysis; Rigid packed hole(上接第656頁)Introduction and Evaluation of Oil(Gas) Well SurveillanceCase Based on Semantic Web Technologies/G Yan-ping, LI Jun-jie, TAO Chang-zhou, SHA Hai-tao(1. School of Petroleum Engineering, Xi'an Shiyou University, Shaanxi Xi'an 710065, China;2. Liaohe Oilfield Gaosheng Engineering and Technology Department No. 2 Operation Company, Liaoning Panjin 124125, China嗎g上acm0:cmAbstract: Event information is valuable to a number of workflows related to surveillance, monitoring and optimization. Importantattributes of an event include its type, time of occurrence, entity affected by the event, status of the entity before, during and after theevent,and the relationship of that event to other events. In this paper,well surveillance withmantic web technologies were summed up. Through exploring practicabi中國煤化工 web technologies,anevent modeling and analysis system was built. Based on the event model, krWeb Rule Language(SWRL), and relationships between everCNMHGanbe represented byw, Ising an off-theThe purpose of this study is to explore the semantic web technologies as a potentially promising approach toextensible and maintainable systems for processing field eventsKey words: Semantic Web; Well Surveillance; Event Modeling; Web Ontology Language (OWL)