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基于液固耦合作用下钻柱纵向振动分析

基于液固耦合作用下钻柱纵向振动分析

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作者：殷有财中国石油大学

学位级别：硕士

石油钻井中,井下湍流环境下柔性多体系统的强非线性固-液耦合动力学机理研究、其动力学行为与结构参数的关系、井眼内钻具的动力学特性及钻井液水力因素对井眼轨迹的影响一直是实现井眼轨迹的预测和仿真技术的关键问题,且是开发钻井轨... 详细信息

石油钻井中,井下湍流环境下柔性多体系统的强非线性固-液耦合动力学机理研究、其动力学行为与结构参数的关系、井眼内钻具的动力学特性及钻井液水力因素对井眼轨迹的影响一直是实现井眼轨迹的预测和仿真技术的关键问题,且是开发钻井轨道设计和井眼轨迹监测三维可视化系统的基础内容。本论文和以往单独分析钻杆纵向振动不同,将井架、游动系统、顶驱装置、钻杆柱等作为一个柔性多体系统,开展基于液固耦合作用下起下钻和钻进过程中钻柱系统纵向振动特性分析,对优化钻井参数以及钻具组合来避免共振、延长钻柱寿命、提升钻井速度有具有重大的工程实际意义。起下钻过程中,由于上提或下放钻柱时速度的变化以及在进入钻井液或离开钻井液时钻杆工作环境的突变,导致钻柱与钻井液、井壁相互作用,激励柔性多体系统产生振动,其激振频率也会对随钻测量系统泥浆脉冲信号的传输产生干扰。本文把起下钻时内外钻井液对钻柱系统的作用力折算成等效的附加质量,首先推导了多体钻柱系统在固液耦合条件下纵振方程和频率方程,同时比较MATLAB固有频率计算值和ANSYS模拟值,验证了理论推导的合理性。针对钻柱提升或下放速度与加速或减速所延续的时间的比值与动载的线性关系,对钻柱系统进行谐响应分析,得出了不同v/t值下钻柱系统的动力响应。为起下钻钻井参数的优化提供一定的参考。其次,结合柔性多体钻柱系统和顶部驱动钻井装置的特性,基于弹性振动理论及有限单元法,建立了钻进过程中柔性多体钻柱系统纵向振动固液耦合动力学方程。采用ANSYS有限元计算软件对1700m柔性多体钻柱系统在垂直井中的整体固液耦合纵向振动模态进行了分析,以及对承受自重、钻头静钻压等轴向载荷时的柔性钻柱系统纵向振动瞬态进行了分析。通过固有频率的转换,得到了引起共振的临界转速;对不同钻具组合下的固有频率及振型的分析,总结了轴向载荷以及不同钻具组合对钻柱固有频率的影响规律。瞬态仿真分析中,得出了井眼内钻井液对柔性钻柱系统的影响规律:井口处纵振强度最为微弱;井眼内钻井液能有效的降低了钻杆柱在钻井过程中的纵振振幅,大大地削弱了钻柱的纵向振动强度,使钻杆柱在钻井过程中得到了合理的保护,延长了钻柱的工作寿命。

关键词：柔性多体钻柱系统固液耦合起下钻纵向振动有限元

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T10与Q245爆炸复合的数值模拟及复合板的力学性能测试

T10与Q245爆炸复合的数值模拟及复合板的力学性能测试

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作者：张娜娜中国石油大学(华东)

学位级别：硕士

爆炸焊接是具有一定塑性和冲击的不同金属或非金属在炸药爆轰瞬时产生的高温高压的情况下实现复合的技术,这种技术已经被广泛的应用至石油化工、冶金、水利、机械加工等诸多领域。本课题组通过试验利用爆炸焊接技术成功制备出T10-Q245... 详细信息

爆炸焊接是具有一定塑性和冲击的不同金属或非金属在炸药爆轰瞬时产生的高温高压的情况下实现复合的技术,这种技术已经被广泛的应用至石油化工、冶金、水利、机械加工等诸多领域。本课题组通过试验利用爆炸焊接技术成功制备出T10-Q245复合板,该复合板既有T10(工具钢)的高硬度特性同时又兼具Q245(容器钢)的良好塑性。在前期工作基础上本文提出两个主要研究内容:一是利用相关设备仪器对试验所得T10-Q245复合板焊接良好处的复合材料进行拉伸、剪切和弯曲实验测试分析及结合区材料的金相分析。测试分析结果可为T10-Q245复合板的后续机械加工及工程应用提供必要的参考和指导;二是利用ANSYS/LS-DYNA软件对T10-Q245的爆炸焊接过程进行数值模拟。通过数值模拟可进一步完善和优化爆炸焊接参数和焊接工艺,为更好地进行爆炸焊接试验提供支持。本文对爆炸态、退火态、淬火+回火态的复合板进行拉伸、剪切和弯曲实验测试,发现经过淬火+回火调质处理后的复合板的拉伸强度最强,退火态复合板弯曲性能最好,爆炸态复合板的剪切强度最低。对复合板的结合界面进行金相分析,T10和Q245板材的结合界面为近似正弦波的形状,波幅和波长的比值范围在0.26-0.32之间,说明爆炸复合板实现良好的结合。淬火和回火之后的复合板结合界面最均匀,机械性能最优。利用ANSYS/LS-DYNA和LS-PrePost软件,基于SPH方法建立二维平面高速斜碰撞模型,直观地显示出界面波和微射流等界面现象。在基复板刚接触时,没有形成射流粒子,随着界面波的衍生,波幅越来越大最终形成周期性稳定的波形,出现的射流粒子也越来越多。基于ANSYS/LS-DYNA建立T10-Q245三维有限元模型,通过对压力、速度、塑性应变等的分析,在起爆点的焊接结合度不高,在复合板的边缘位置的塑性应变最大,所以为了提高复合板焊接质量,需适当增加复板尺寸或者对复板边界进行退火处理。选取不同的装药量和基、复板间距的模型进行模拟,在不破坏板材的情况下,增加装药量有利于爆炸焊接,T10和Q245之间的间距在6 mm-8 mm较为合理。

关键词：爆炸焊接力学测试 DYNA数值模拟 SPH方法

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抽油杆柱稳定性分析与变形仿真

抽油杆柱稳定性分析与变形仿真

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作者：张洁中国石油大学

学位级别：硕士

抽油杆的变形失效加速了井下设备的损坏,不仅增加了修井作业的次数,还引发了一系列工程问题,成为油田作业的主要原因之一,对石油开发造成了严重经济损失,受到了各大油田的普遍关注。目前,许多学者都将失效原因之一归结为抽油杆柱的弯曲... 详细信息

抽油杆的变形失效加速了井下设备的损坏,不仅增加了修井作业的次数,还引发了一系列工程问题,成为油田作业的主要原因之一,对石油开发造成了严重经济损失,受到了各大油田的普遍关注。目前,许多学者都将失效原因之一归结为抽油杆柱的弯曲变形,并提出了合理安放抽油杆扶正器以防止抽油杆柱变形的观点。本文基于纵横弯曲理论,通过分析抽油杆的载荷和变形情况,明确了研究抽油杆弯曲变形的力学模型应为纵横弯曲连续梁。在对模型的处理上,除考虑扶正器处的内弯矩外,还考虑了支座反力、附加阻力(支座处摩擦力)以及产生的附加弯曲应力对抽油杆柱变形的影响。为简化力学模型求解的复杂度,计算时先利用简支梁模型初步分析抽油杆的载荷和变形,再基于纵横弯曲理论,采用连续梁模型对抽油杆的弯曲变形情况进行校核修正。经分析,确定了抽油杆在油管中的实际变形形状以及扶正器的合理配置间距,为扶正器的安放提供了理论依据。为便于实际操作,在理论分析的基础上,利用Visual Basic 6.0开发环境编制了相应的计算软件,该软件界面简单,操作方便。利用程序计算结果确定抽油杆的变形情况以及扶正器的配置间距,可以避免施工盲目性,充分实现了理论分析工程化,具有实际工程应用的价值。由于抽油杆变形过程涉及各种非线性问题,为验证程序计算的正确性,本文从有限变形理论和有限元数值分析方法出发,对抽油杆柱进行了非线性有限元分析,并利用ANSYS软件仿真模拟了抽油杆柱的变形形状,得到的模拟结果与程序计算结果两者比较吻合,从而验证了程序计算的正确性和可行性。

关键词：抽油杆柱稳定性变形纵横弯曲扶正器间距程序设计仿真计算

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