间隙元在钻柱接触非线性力学分析中的应用

为了描述钻柱与井壁的接触摩擦非线性问题，构造了多向接触摩擦间隙元，并进行了理论公式推导，把多向接触摩擦间隙元与梁单元相结合，建立了钻柱接触和几何非线性有限元分析方法。经大庆油田GPl水平井应用表明，该方法能够求出钻柱在不同井深处的接触摩阻力，其井口悬重计算误差低于10％，为钻柱设计和现场施工提供了可靠的理论依据。     

水平井钻柱接触问题的间隙元法

长中半径水平井钻柱与井壁的接触问题是大面积接触的几何非线性问题。本文通过构造“多向接触间隙元”把钻柱与井壁结合起来研究,能方便正确地反映这种接触状态的变化规律,也能解决一般有限元法会遇到的总刚奇异性问题。运用本文方法,可以对整体钻柱或下部钻柱进行接触有限元分析。采用欧拉-修正的牛顿迭代法进行运算,给出钻头受力变形值,为井眼轨道控制提供了重要依据。 现场实验证明,在井眼轨道跟踪预测和钻具组合性能评价方面,本文计算结果与实测结果符合很好,对提高钻进速度,保证钻井质量有较大的实用意义。     

气体钻井中接触非线性问题的数值算法研究

根据动量守恒和钻柱力学的基本理论,建立了气体钻井三维弯曲井眼钻柱动力学模型和钻柱与井壁接触碰撞模型;提出了一种求解钻柱与井壁接触非线性有限元方程的元胞自动机算法。该方法具有编程简单、收敛速度快等优点,以实际工况为例进行仿真模拟,选取有代表性节点的仿真计算结果并加以分析。仿真结果表明:该方法较好地解决了三维弯曲井眼中钻柱与井壁接触碰撞的复杂边界条件问题,在解决气体钻井钻柱与井壁接触非线性问题的研究中具有良好的应用前景。     

长中半径水平井钻柱接触摩擦阻力分析

用整体钻柱静力模型和间隙元法,分析了长中半径水平井钻柱的接触非线性问题,算出了钻柱与井壁接触摩擦阻力的分布,为水平井井眼轨道设计和施工提供了重要参数。     

井筒内杆管柱双层接触有限元分析及应用

构造双层多向接触间隙元描述细长油管柱与内外杆管柱的随机接触摩擦问 题,与空间梁单元相结合,采用变刚度与等刚度交替方式求解,得出抽油杆柱与油管柱以及 油管柱与套管柱的接触状态、接触位置、摩阻力大小以及抽油杆柱与油管柱在任意井深处的 广义内力、应力和变形. 三口井算例表明,抽油杆柱与油管柱的井口悬重误差低 于10{\%}, 能够为抽油杆和油管柱设计和失效分析提供可靠的计算方法和理论依据.     

旋转钻柱环空动力学问题的研究

本文分析了环空状态下的工作钻柱与井壁的接触机理,建立了钻柱与井壁动态摩擦接触的一般模型,提出了解决待定边界问题及钻柱动态分析的计算方法。计算说明不同工况下,钻柱与井壁具有不同的接触形式。     

环空钻柱三维二重非线性动力学问题的研究

通过对大挠度钻柱受力变形特点及其环空旋转状态下与井壁接触机理的分析，根据动力学原理，建立和进一步完善钻柱与井壁动态摩擦接触模型．根据有限元理论，提出了Ｗｉｌｓｏｎ－θ法与Ｎｅｗｔｏｎ－Ｒａｐｈｓｏｎ法相结合的模式，解决钻柱二重非线性动力学问题．计算分析结果说明，文中理论模型是可行的，不仅更完善，而且更简便；动态非线性效应分析得到了与静态分析相似的结论；钻柱与井壁各种接触形式或并存或交替都有可能；转速较高时动态影响不容忽视．     

井筒内旋转管柱动力学分析

井筒内细长管柱是石油工程中特有结构，考虑旋转管柱可能在任意井深和井眼圆周方向上与井筒产生随机碰撞接触，建立了旋转管柱动力学模型，并采用动力间隙元和空间梁单元、Newmark法进行动力学分析．经B3-4-P31等井的应用表明，该方法所设计的抽油杆柱能够在井下安全可靠工作，避免了抽油杆柱发生脱断、偏磨事故．     

VIBRO-IMPACT DYNAMICS OF PIPE CONVEYING FLUID SUBJECTED TO RIGID CLEARANCE CONSTRAINT 1)

管道与间隙约束间的碰撞振动是工程输流管结构的一个重要动力学现象. 迄今,人们通常采用光滑的非线性弹簧来模拟管道与间隙约束之间的碰撞力,但这种光滑的碰撞力无法真实反映碰撞前后管道状态向量的非光滑传递特征. 本文基于非光滑理论建立了具有刚性间隙约束简支输流管的非线性碰撞振动模型,利用 Galerkin 法离散了无穷维的管道模型, 并引入恢复系数构造了碰撞前后管道各处状态向量的传递矩阵,运用四阶龙格库塔法分析了脉动内流激励下管道与刚性间隙约束的非光滑碰撞振动现象,着重讨论了刚性间隙约束参数对管道动态响应随流速脉动频率变化的影响规律,特别是碰撞振动的周期性运动规律. 研究结果表明,刚性约束间隙值对管道碰撞振动行为的影响较大,在某些脉动频率下管道会出现多周期和非周期性的运动形态,还可出现非光滑系统特有的黏滑现象. 此外,碰撞恢复系数对管道振动的影响也比较显著,较小的恢复系数值更容易使管道在大范围脉动频率区间出现复杂的非周期碰撞振动.     

具有摩擦的刚体碰撞

刚体碰撞是力学上的一个经典问题，但目前大都采用给定恢复系数进行分析的方法，本文则直接从两刚体碰撞时Newton第二定律出发，建立了计及摩擦的两刚体碰撞基本理论，并指出了以往研究通过给定恢复系数方法的错误之处。文中通过利用两刚体接触相对变位加速度与碰撞力的关系，定义了法向等效质量，对二维平面碰撞，通过一些简单的比较和定义给出了各种碰撞状态的分类判别法，并给出了碰撞力和冲量的解析式。指出法向等效质量依赖于碰撞状态，在反向滑动和停止滑动这两状态下的法向等效质量是变化的，因此导致其恢复系数是变化的，这样，恢复系数不仅与接触力(接触点情况)有关，而且还与两刚体的运动和动力参数有关，同时给出各种碰撞状态下的恢复系数计算式。     

波动钻压下阶梯钻柱系统稳定性研究

处于狭长井筒中的钻柱,其动力响应受到钻具组合、内外钻井液流动以及钻井参数等因素的影响,钻柱动力失稳导致的剧烈振动是井壁坍塌和钻具失效的重要原因。考虑到钻杆和钻铤在刚度和线密度上存在很大的差别,论文将钻柱简化为单阶梯输液管柱,钻井液沿着钻柱内部向下泵入并从环空返回地面。耦合考虑钻柱自重、随时间简谐变化的波动钻压、稳定器以及钻井液的水动力和阻尼力,建立了直井中钻柱横向振动的解析模型。利用有限单元法离散为四阶常微分方程后,采用Bolotin法得到临界频率方程确定系统的不稳定区范围,研究了钻压、钻杆长度、稳定器安装位置、钻井液的流速和密度等参数对系统稳定性影响的机理。研究表明：钻压的平均值和波动幅值都是钻柱失稳的驱动因素,而系统的稳定性对处于受拉状态的钻杆的长度变化不敏感。在论文所研究的参数范围内,降低钻井液流速和密度、下移稳定器的安装位置均有助于增强系统的稳定性。     

井孔约束下水平井段钻柱的浑沌运动

考虑了钻柱即时构形中轴向力对钻柱弯曲的影响,计及由于弯曲变形而产生的轴向附加力,得到了水平井段钻柱在周期性波动钻压激励下的非线性参数激励振动系统,导出了根据钻柱的物理和几何性质以及井孔尺寸计算系统参数的公式,选通过Calerkin法对控制方程在空间域内加权消残,然后在时间时间域内用Melnikov-Holmes方法得到了钻柱可能发生浑沌振动的参数激励的阈值,文中结果可能对钻井轨迹的控制具有一定的指导意义。     

THE NEW CALCULATION METHOD FOR CONTACT FORCE IN DRILLSTRING MECHANICS

钻柱在井底的接触力计算是一个复杂的非线性问题. 选取较为精确的三维钻柱力学模型（简称ABIS）作为研究对象,力图从复杂的求解过程中探索出更直观的方法. 从钻柱某个节点的接触力与位移关系,推广到该节点接触力与钻柱其他所有节点的位移均存在同样的关系,进而建立了整根钻柱位移与作用在钻柱上的所有接触力的更直观的柔度关系式. 据此提出新的接触力计算方法,算例结果表明该方法显著提高迭代速度.     

仿射坐标系在钻柱动力学中的应用

三维井眼中转动钻柱受力分析是钻柱动力学理论研究中的难点,首先要处理三维弯曲井眼中钻柱的初始弯曲,而且在分析过程中要考虑弯曲井眼方位、井斜对钻柱接触力的影响. 引入仿射坐标系,建立三维弯曲井眼中转动钻柱力学模型,分析弯曲井眼中转动钻柱变形、接触力及摩阻扭矩,为钻柱动力学理论研究提供一种新的方法.