基于状态依赖时滞的钻柱动力学稳定性分析

作     者：张鹤 狄勤丰 王文昌 陈锋 段浩宇 ZHANG He;DI Qinfeng;WANG Wenchang;CHEN Feng;DUAN Haoyu

作者机构：上海大学上海市应用数学和力学研究所上海200072 上海市能源工程力学重点实验室上海200072 上海大学机电工程与自动化学院上海200072 

出 版 物：《振动与冲击》 (Journal of Vibration and Shock)

年 卷 期：2022年第41卷第22期

页      面：233-240,283页

核心收录：

学科分类：0820[工学-石油与天然气工程] 0711[理学-系统科学] 082001[工学-油气井工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 0814[工学-土木工程] 0701[理学-数学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 0702[理学-物理学] 

基　　金：国家自然科学基金青年基金项目(51704191,51804194) 国家自然科学基金联合基金重点支持项目(U1663205)。 

主　　题：钻头-岩石相互作用 状态依赖时滞 稳定性分析 黏滑振动 钻柱 

摘      要：在石油深井钻探中,钻头与岩石相互作用诱发钻柱系统的自激振动,严重时导致钻头磨损和钻柱疲劳失效,影响钻井效率。钻柱动力系统不稳定的主要原因是钻头与岩石的相互作用引起钻柱动力系统中出现了状态依赖时滞变量,该研究考虑钻井液阻尼的影响,给出了控制钻头轴向和扭转运动的状态依赖时滞微分方程(state-dependent delay differential equation, SDDDE),引入钻头运动轨迹函数对状态依赖时滞变量进行描述,将状态依赖时滞微分方程转化为非线性耦合的偏微分方程(partial differential equation, PDE)和常微分方程(ordinary differential equations, ODE),并利用谱方法和伽辽金方法分析了上述耦合方程的线性稳定性,给出了钻柱动力学系统随钻井参数变化的稳定性图谱,对多自由度钻柱动力学系统的稳定性进行了分析。最后,与相关文献中的结果及数值模拟结果进行对比,验证了该研究稳定性数值分析方法的准确性,并研究了阻尼对钻柱动力学系统稳定性的影响。通过基于状态依赖时滞的钻柱动力学稳定性分析,有助于控制或避免钻柱的自激振动,进而延长钻头使用寿命,提高机械钻速。