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.     

5-1/2 FH钻杆接头极限承载能力研究

随着超深井、定向井、水平井、大位移井及大斜度井在石油钻井工程中的广泛应用,由井下复杂工况引起的钻杆接头过早失效问题日益突出,导致钻井周期增长,成本增加,成为制约钻井工程效益的主要因素之一. 近年来,不少学者对钻杆接头进行了大量研究,多数采用二维轴对称模型,少数采用三维力学模型,但并未同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用等因素的影响,而钻杆接头的极限承载能力研究更是鲜见报道. 针对上述问题,基于虚功原理、von Mises 屈服原则及接触非线性理论,同时考虑螺纹升角和井眼弯曲作用,建立了钻杆接头的三维数值仿真模型与井眼曲率到加载弯矩的转换模型,研究了钻杆接头的上扣特性、井眼曲率对连接强度和密封性能的影响,考虑预紧力、弯曲载荷及动载安全系数,计算了钻杆接头的极限工作拉力和极限工作扭矩. 研究结果表明：上扣扭矩使钻杆接头产生一定的初始接触压力,保证钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能;井眼曲率对钻杆接头井下作业过程中的连接强度与密封性能影响极大,常见的某些工况会导致钻杆接头的连接强度和密封性能丧失,考虑服役时的随机振动与冲击,常规的超深井、水平井、定向井、大位移井及大斜度井弯曲段钻杆接头的设计和选型应着重考虑井眼曲率的影响;针对设计的每种钻杆接头,都应考虑常见的井眼曲率和轴向拉伸载荷进行极限工作拉力和极限工作扭矩的精细化数值计算,以确保其安全工作.     

有限差分法模拟单位冲激函数声波在钻柱中传播

为实现声波为载波,钻柱为信道传输井下信息的目的,了解声波在钻柱中的传输规律是必要的. 将钻柱简化为理想周期性管结构,利用有限差分方法,对单位冲激函数声信号在钻柱中传播进行了模拟,分析接收信号时域及频域分布得出：响应信号持续时间较长,信号随时间增长衰减,且最大幅值较输入信号小;钻柱结构的信道为梳状滤波器结构;通带存在谐振尖峰,尖峰数量与钻杆及接头数量有关. 模拟结果与同类研究成果有较好的一致性.     

考虑微观结构特征长度演化的内变量黏塑性本构模型

在金属晶体材料高应变率大应变变形过程中,存在强烈的位错胞尺寸等微观结构特征长度细化现象,势必对材料加工硬化、宏观塑性流动应力产生重要影响。基于宏观塑性流动应力与位错胞尺寸成反比关系,提出了一种新型的BCJ本构模型。利用位错胞尺寸参数,修正了BCJ模型的流动法则、内变量演化方程,引入了考虑应变率和温度相关性的位错胞尺寸演化方程,建立了综合考虑微观结构特征长度演化、位错累积与湮灭的内变量黏塑性本构模型。应用本文模型,对OFHC铜应变率在10-4~103 s-1、温度在298~542 K、应变在0~1的实验应力-应变数据进行了预测。结果表明:在较宽应变率、温度和应变范围内,本文模型的预测数据与实验吻合很好;与BCJ模型相比,对不同加载条件下实验数据的预测精度均有较大程度的提高,最大平均相对误差从9.939%减小为5.525%。     

铝合金压印接头的强度研究

首次提出了用于汽车生产中分瓣模压印连接接头强度和失效形式的预测方法。根据接头静力学测试中的颈部断裂失效和上下板拉脱失效两种失效形式分别建立了压印接头的两个强度预测公式,2pπ2N N NF A R t t()和2p pπt b s F R,公式以接头颈部厚度Nt和镶嵌量Ut为重要的中间变量。强度预测公式表明:对于颈部断裂的压印接头,颈部厚度值tN越大,接头强度越高;对于拉脱失效的压印接头,接头强度取决于颈部厚度tN和镶嵌量tU,两者之和越大,接头强度越高,并且镶嵌量对接头强度的影响与颈部厚度相比更大。对颈部厚度变化范围为0.35mm~0.56mm、镶嵌量变化范围为0.045mm~0.45mm的15种组合接头,根据强度预测公式计算了接头强度,并进行了拉伸-剪切试验。将计算结果与试验结果进行对比,结果表明二者吻合较好,最大接头强度误差为8.9%。这说明本文建立的接头强度预测公式能够准确地预测压印接头拉伸-剪切过程的强度和破坏形式。     

钻进速度对钻杆扭矩影响的理论分析与试验研究

利用钻杆扭矩法预测冲击地压等煤矿动力灾害时,钻进速度是影响钻杆扭矩的一个重要因素。研究钻进速度对钻杆扭矩的影响可以减少预测指标的误差,提高预测准确性。利用自主研发的钻杆扭矩测试装置,对预制煤体相似材料试件进行了不同钻进速度下的钻孔试验,研究了不同钻进速度对钻杆扭矩变化的影响规律。试验结果表明:钻进速度对钻杆扭矩影响很大。同种煤岩体材料,相同压力条件下,钻进速度越快,钻杆扭矩越大,反之,钻杆扭矩越小。上述研究成果可用于减少预测指标误差。     

无侧移半刚性连接组合框架的稳定分析:(Ⅰ)柱的有效长度系数方程

本文基于钢结构设计规范GB50017-2003,利用三柱子框架模型,考虑了连接的非线性弯矩-转角关系和楼板组合效应的影响,推导了无侧移半刚性连接组合框架柱的有效长度系数方程式,同时考虑了梁端和柱远端不同约束情况对有效长度系数的影响。另外,分析了GB50017规范附录D表D-1求解的精确性。研究表明,当柱远端刚接时,推导的方程式类似于GB50017规范附录D表D-1给出的无侧移刚接框架柱的有效长度系数计算公式;对于三柱子框架模型,当柱远端铰接时,用GB50017规范附录D表D-1得到的有效长度系数设计柱是不安全的,但最大误差只有11%。     

基于PSO–GPR含缺陷管道失效应力预测

传统对含缺陷管道失效应力的预测方法存在误差偏大的问题。针对该问题,利用MATLAB软件建立基于PSO–GPR（particle swarm optimization–Gaussian process regression）含缺陷管道失效应力预测模型。通过对60组含缺陷管道的试验数据进行测试,发现预测结果与实测结果均在95%置信区间内,表明可以将均值作为预测结果。对预测结果进行分析表明：高斯过程回归的预测结果与实测结果的最小相对误差为0.003%,最大相对误差为1.205%,平均相对误差为0.319%,基于预测结果和实测结果的散点均落在曲线y = x的 ±1.3%误差带中,验证了高斯过程回归预测模型的准确性,为管道的工程实际应用与维修提供较为精准的判断依据。

     

基于钻杆推力法及钻杆扭矩法预测冲击地压试验研究

建立了钻杆力学模型,得出钻杆推力、扭矩与煤体应力之间的关系。分析表明:钻屑过程中,煤体应力增大时,钻杆扭矩增大,钻杆推力减小;煤体强度增大时,钻杆扭矩增加,钻杆推力增大。利用新型钻削设备及推力、扭矩测试装置模拟井下条件进行试验,得到了不同轴压、围压下钻杆推力平均值、扭矩平均值与煤体应力之间的变化规律。试验结果表明:相同的钻机设备不变,外界其它因素一定时,对同种煤岩性质的试件进行钻削,钻杆推力与煤体应力为负相关关系;钻杆扭矩与煤体应力为正相关关系。通过测试钻杆推力和扭矩的实验数值,反演出煤体应力的大小,进而可以预测冲击地压的危险性,研究结果可为煤矿动力灾害预测预报提供一定的理论与实验基础。     

气体钻井钻柱气固耦合横向振动的数学建模与求解

建立了考虑气体钻井液对钻柱内外耦合影响时的钻柱横向振动模型,包含了钻柱轴力、钻柱内注入压力、环空压力以及钻柱内气体对钻柱振动的影响;求解了钻柱振动方程,并分析了钻柱横向振动固有频率。研究表明注入物质的流动速度对钻柱的横向振动固有频率影响很大,流动速度达到一定程度时对钻柱的稳定性有较大影响,可能诱发钻柱弯曲失稳。     

Nonlinear motions of a flexible rotor with a drill bit: stick-slip and delay effects

In this article, a discrete model of a drill-string system is developed taking into account stick-slip and time-delay aspects, and this model is used to study the nonlinear motions of this system. The model has eight degrees-of-freedom and allows for axial, torsional, and lateral dynamics of both the drill pipes and the bottom-hole assembly. Nonlinearities that arise due to dry friction, loss of contact, and collisions are considered in the development. State variable dependent time delays associated with axial and lateral cutting actions of the drill bit are introduced in the model. Based on this original model, numerical studies are carried out for different drilling operations. The results show that the motions can be self-exited through stick-slip friction and time-delay effects. Parametric studies are carried out for different ranges of friction and simulations reveal that when the drill pipe undergoes relative sticking motion phases, the drill-bit motion is suppressed by absolute sticking. Furthermore, the sticking phases observed in this work are longer than those reported in previous studies and the whirling state of the drill pipe periodically alternates between the sticking and slipping phases. When the drive speed is used as a control parameter, it is observed that the system exhibits aperiodic dynamics. The system response stability is seen to be largely dependent upon the driving speed. The discretized model presented here along with the related studies on nonlinear motions of the system can serve as a basis for choosing operational parameters in practical drilling operations.     

Coupled extensional and bending motion in elastic waveguides

A variety of different linear elastic waves propagate in long slender rods. These waves do not interact in straight rods; however, extensional and bending waves do interact in slightly curved rods. If curved rods are used as waveguides for extensional waves, wave energy is exchanged between extensional and beding waves. The result has the superficial appearance of viscous attenuation.

The petroleum and geothermal industries have an interest in using drill pipe as a waveguide to transmit data by acoustic waves. Attempts have been made to transmit data from transducers in the vivinity of a drill bit to the drill rig at the surface. These efforts have not been successful. Poor signal strenght is a major problem. Historically,the observed reduction in signal strength is attributed to viscous dissipation. This paper proposes an alternative model-mode conversion from extensional waves to bending waves. This model is analyzes both as an eigenvalue problem and a transient finite-difference problem. The results predict measured attenuation levels, and account for many anomalous observations.     

钻进速度对钻屑温度影响的实验研究

利用钻屑温度预测冲击地压时,钻进速度是影响钻屑温度的一个重要因素。本文利用自行研制的钻头温度测试装置,对钻头温度变化进行监测,分析不同钻进速度对钻头温度变化的影响规律。实验结果表明:钻孔时,钻进速度减慢,钻头与孔壁之间的摩擦时间增长,摩擦产生的热量增多,使钻头温度升高。钻进速度对钻屑温度有较大影响,使用钻屑温度法预测冲击地压时,应制定统一的钻进速度指标,增加预测准确性。     

On the Use of Ultrasound Waves to Monitor the Local Dynamics of Friction Joints

Experimental Mechanics - Friction joints are one of the fundamental means used for the assembly of structural components in engineering applications. The structural dynamics of these components...     

One method for describing boundary layers

Flow models taking into account pipe roughness are presented. Beta functions are described for some types of roughness. The modeling results are compared with data of classical experiments.     

复合材料结构力学分析CAE软件现状

复合材料结构分析软件是用以分析、设计复合材料结构的重要工具,常用的复合材料结构分析软件包括基于CAD软件发展而来的复合材料分析工具、通用有限元软件自带复合材料分析工具和以Digimat等为代表的专业化复合材料结构分析软件。本文对常用的复合材料分析软件进行了综述,介绍其主要功能,从学术、应用等多方面探讨相关产品的优点及不足;论述了专业化复合材料结构分析软件的特点及功能;分析了复合材料结构分析软件的现状和发展趋势;探讨了复合材料结构力学分析CAE软件在国产化方面所需进一步解决的问题。