定向井中钻柱非线性稳定性分析

论文题目: 定向井中钻柱非线性稳定性分析

论文类型: 博士论文

论文专业: 工程力学

作者: 刘峰

导师: 王鑫伟

关键词: 有限元,钻柱,非线性,屈曲,数值分析,特征值问题,准静态加载问题,微分求积法

文献来源: 南京航空航天大学

发表年度: 2005

论文摘要: 近年来发展起来的定向井技术中经常采用柔性钻柱进行作业,钻柱是否稳定直接关系到定向井的成败。因此现代石油钻采工程要求能够对钻柱的屈曲行为有一个较为准确的了解,以此来优化钻井设计,降低钻探成本。到目前为止,分析直井和曲井中钻柱屈曲问题的理论和方法尚不完善,所以很有必要进行进一步的深入研究。 首先,建立了直井中钻柱屈曲的控制微分方程和对应的泛函,同时还给出了考虑井壁切向摩擦时的钻柱屈曲微分方程。在建立模型时考虑了钻柱重力、扭矩和井斜角对钻柱屈曲的影响。构造了一种能避免发散并加速收敛的有限元增量加权迭代法对井中钻柱屈曲的非线性特征值问题进行了求解,从而摒弃了传统研究中使用假设位移函数进行分析的方法。研究发现,为了能同时分析钻柱的正弦屈曲和螺旋屈曲,必须保留控制方程中的高阶非线性项,并考察了不同边界约束条件对钻柱屈曲的影响,给出了采用求解特征值问题计算直井中钻柱正弦屈曲和螺旋屈曲临界载荷的方法。采用有限元法和牛顿-拉夫逊法求解了钻柱屈曲非线性准静态加载问题,揭示了钻柱的屈曲全过程。考察了边界条件对钻柱屈曲全过程的影响,同样给出了采用分步加载的方法来计算直井中钻柱正弦屈曲和螺旋屈曲临界载荷的方法。结合别人的实验研究结果和本文的分析结果给出了直井中钻柱正弦屈曲和螺旋屈曲的定义。 其次建立了平面等曲率井中钻柱屈曲的控制微分方程和对应的泛函,在建立模型时考虑了钻柱重力、井眼曲率和上端井斜角对钻柱屈曲的影响。与直井中类似,采用有限元增量加权迭代法对等曲率井中钻柱屈曲的非线性特征值问题进行了求解;采用有限元法和牛顿-拉夫逊法求解了等曲率井中钻柱屈曲的非线性准静态加载问题,并考察了钻柱重力、井眼曲率、上端井斜角和不同边界条件对钻柱屈曲的影响。给出了基于两种不同方法计算等曲率井中钻柱正弦屈曲和螺旋屈曲临界载荷的方法,以及正弦屈曲和螺旋屈曲的定义。采用等曲率平面梁单元分析了曲率半径线性变化的井眼中钻柱的屈曲问题,研究了井眼曲率半径变化率对屈曲的影响。 最后尝试采用新近发展起来的微分求积法分析直井中钻柱的屈曲问题。先将不考虑摩擦的微分求积法结果与有限元结果进行了比较,以验证程序和方法的正确性。然后对考虑了井壁切向摩擦的钻柱屈曲控制微分方程进行了求解,考察了井壁切向摩擦系数对钻柱屈曲的影响。

论文目录:

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 直井中钻柱屈曲的研究进展概述

1.3 等曲率井中钻柱屈曲的研究进展概述

1.4 非线性特征值问题和微分方程直接求解方法简述

1.5 本文的主要研究内容

1.6 本章小结

第二章 直井中有重钻柱屈曲的理论分析

2.1 分析模型

2.2 钻柱的屈曲控制微分方程和泛函

2.3 约束条件

2.4 钻柱非线性屈曲的特征值问题和准静态加载问题

2.5 有限元分析列式

2.5.1 线性特征值问题的有限元列式

2.5.2 非线性特征值问题的有限元列式

2.5.3 非线性准静态加载问题的有限元列式

2.6 本章小结

第三章 直井中有重钻柱屈曲的数值分析

3.1 非线性特征值问题的简化算法

3.1.1 简化算法

3.1.2 算例分析

3.2 钻柱非线性屈曲的特征值问题

3.2.1 有限元增量加权迭代算法

3.2.2 算例分析

3.2.3 正弦屈曲和螺旋屈曲的临界载荷

3.2.4 有限元增量加权迭代法的缺陷

3.3 钻柱非线性屈曲的准静态加载问题

3.3.1 非线性方程组求解算法

3.3.2 算例分析

3.3.3 正弦屈曲和螺旋屈曲的临界载荷

3.4 准静态加载问题和特征值问题的算例比较

3.5 正弦屈曲和螺旋屈曲定义

3.6 本章小结

第四章 平面曲井中有重钻柱屈曲的理论分析

4.1 分析模型

4.2 钻柱屈曲的控制微分方程和泛函

4.3 约束条件

4.4 等曲率井中钻柱屈曲有限元分析列式

4.4.1 有限元分析前处理

4.4.2 线性特征值问题的有限元列式

4.4.3 非线性特征值问题的有限元列式

4.4.4 非线性准静态加载问题的有限元列式

4.5 变曲率井中钻柱屈曲有限元分析列式

4.5.1 模型的简化

4.5.2 有限元分析列式

4.6 本章小结

第五章 平面曲井中有重钻柱屈曲的数值分析

5.1 等曲率井中钻柱非线性屈曲的特征值问题

5.1.1 算例分析

5.1.2 正弦屈曲和螺旋屈曲的临界载荷

5.2 等曲率井中钻柱非线性屈曲的准静态加载问题

5.2.1 算例分析

5.2.2 正弦屈曲和螺旋屈曲的临界载荷

5.2.3 准静态加载问题和特征值问题的算例比较

5.3 变曲率井中钻柱非线性屈曲的特征值问题

5.4 变曲率井中钻柱非线性屈曲的准静态加载问题

5.5 正弦屈曲和螺旋屈曲定义

5.6 本章小结

第六章 直井中钻柱屈曲的DQ法分析

6.1 DQ法原理简述

6.2 钻柱正弦屈曲特征值问题的DQ法分析

6.3 钻柱非线性屈曲准静态加载问题的DQ法分析

6.4 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 今后的展望

参考文献

发布时间: 2005-07-08

参考文献

• [1].基于智能钻柱的智能钻井系统理论与应用研究[D]. 荣继光.西南石油大学2013
• [2].随钻声波遥传中不同井况下钻柱信道仿真及实验系统研究[D]. 谢海明.西安电子科技大学2018
• [3].三维曲井内钻柱的双重非线性静力有限元法[D]. 谈梅兰.南京航空航天大学2005
• [4].水平井眼中钻柱动力学特性分析[D]. 邵冬冬.中国石油大学(华东)2013
• [5].大位移井钻柱力学分析及延伸能力研究[D]. 刘维凯.大庆石油学院2008
• [6].超深井钻柱动力学特性分析及动态安全性评价[D]. 王明杰.上海大学2016
• [7].深水平台钻井钻柱耦合振动及模拟分析[D]. 韩春杰.大庆石油学院2010
• [8].随钻测井声波传输特性数值模拟研究[D]. 闫向宏.中国石油大学2010
• [9].钻柱粘滑振动非线性特征分析与鲁棒控制研究[D]. 巩全成.西北工业大学2016
• [10].井下防喷系统机理研究与设计[D]. 黎伟.西南石油大学2013

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• [3].非直井井迹优化设计与决策分析应用研究[D]. 丁华.大连理工大学2004
• [4].RWD随钻扩眼下部钻具组合设计与力学行为研究[D]. 吴应凯.西南石油学院2004
• [5].井壁稳定问题的断裂损伤力学机理的研究[D]. 郑贵.哈尔滨工程大学2005
• [6].复杂结构井完井工艺技术研究与应用[D]. 金明权.中国地质大学（北京）2006
• [7].油气井套管柱载荷分析及优化设计研究[D]. 覃成锦.清华大学2000
• [8].小环空条件下钻柱动力学及可靠性研究[D]. 李茂生.中国石油大学2007

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