一种非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学分析方法技术

本发明专利技术专利涉及油气钻井领域，特别是涉及到非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学分析方法。本发明专利技术采用的是微元法与有限元的思想，先通过对6种连接方式的公式推导的，在利用编程软件（Matlab）进行辅助计算，最终进行力学分析。相比现有的方法与模型，此方法可以更好地求解非连续性指向式旋转导向钻具组合的多刚度、非连续性与非线性接触问题。有较高的推广价值。这极大的加快了非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学分析时间，还降低了人员的成本。为井眼轨迹的预测提供了理论依据，也为指向式旋转导向的结构优化与底部钻具组合各参数的评估提供了支撑。

【技术实现步骤摘要】
一种非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学分析方法
本专利技术专利涉及油气钻井领域，特别是涉及到非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学分析方法。
技术介绍
指向式旋转导向钻井工具，代表了目前先进钻井工具的发展趋势，而非连续性指向式旋转导向钻具组合则在超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井和分支井等特殊工艺井中更加广泛应用。这些特殊井由于对钻进精度、井眼轨迹质量、钻井速度和效率等方面有较高的要求，使得非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学分析尤为重要。非连续性指向式旋转导向钻具组合包括钻头、下稳定器、偏心环、变截面、上稳定器、最后接触点。其中钻头与芯轴通过螺纹连接，下稳定器、变截面、上稳定器、最后接触点都是通过螺纹与钻柱连接，而偏心环位于钻柱内部，通过与芯轴连接，从而改变偏移量。由于智能钻井系统的开发，国内外研究学者针对非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学分析做了大量的研究。其中在理论研究方面，李子丰等人研究了旋转导向诸因数对钻头侧向力的影响，通过实验证明钻压对钻头侧向力有一定影响但不显著。白家祉等人提出了著名的纵横弯曲法理论，而洪迪峰等人则在纵横弯曲法理论的基础上提出了更加广义的纵横弯曲法，使得原有纵横弯曲法建立的模型得到了拓展。国外Tikhonov等学者是通过考虑钻柱弯曲刚度，运用中心差分算法对模型进行求解，使得原有计算精度得到提高。Menand等学者则以综合软杆和刚杆理论，研究钻柱的动力学特征，从而显著提升了全井管柱的求解效率。而在有限元仿真方面，冯长青等人利用有限元仿真对旋转导向进行分析，虽然有限元仿真是一种近似解法，但他们利用有限元方法证明了钻头侧向力也受井斜影响。而Bulent等学者是基于对梁的弯曲与扭转的相互作用机理，利用有限元分析其固有频率，其结果与实验结果较吻合。K.K.Millheim则利用有限元仿真求出钻头处的侧向力，并得出钻头侧向力的方向与井眼弯曲的方向要是一致时为增斜，反之为降斜。BrettJ.F等人运用有限元仿真，对带有弯接头的下部钻具组合进行了力学分析。而DailyJS等人以垂直、倾斜、水平和弯曲井筒中的钻柱为研究对象，通过对其进行有限元分析，研究了不同井眼中钻柱的屈曲问题。综上所述，纵横弯曲法的极限仅能处理单个变刚度和连续性问题，对多刚度与不连续问题就不再适用，而有限元仿真建模很难处理非连续性与非线性不确定接触问题。因此急需一种方法来解决非连续性指向式旋转导向钻具组合的多刚度、非连续性与非线性接触问题。
技术实现思路
本专利技术专利的目的在于：针对现有技术存在的不足，提供了一种非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学计算方法，相比现有的方法与模型，此方法可以更好地求解非连续性指向式旋转导向钻具组合的多刚度、非连续性与非线性接触问题。本专利技术的技术方案是：一种非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学计算方法，其特征在于：包括如下步骤：（1）非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学模型建立与一种直接计算的公式推导；将非连续性指向式旋转导向钻具组合从下稳定器和上稳定器处断开，两点之间的钻具组合可看做是受纵横弯曲载荷的梁柱，由于钻具组合包括变截面，因此，该钻具组合的力学分析是变刚度问题。假设下稳定器为R点和上稳定器为T点，把R点与T点看做两个固定铰支座；假设R点与T点之间的长度为L，单位是m，其中R点受到逆时针弯矩M1，单位为N∙m、还有方向向右的轴向载荷P，单位为N；T点受到顺时针弯矩M2，单位为N∙m、还有方向向左的轴向载荷P，单位为N；由于有变截面，则梁柱上存在不同的惯性矩与均布载荷；假设变截面为S点，设其左端的惯性矩与均布载荷分别为I1和q1，其单位分别为与N/m，变截面右端的惯性矩与均布载荷分别为I2和q2，其单位分别为与N/m，并且I1小于I2、q1小于q2；在梁柱任意位置取长度为dx的微元段，以R点建立平面坐标系，取微元段进行力学分析，假设微元段左侧受到向上的截面剪力D，其单位为N、顺时针方向的弯矩M，其单位为N∙m、以及向右的轴向载荷P，其单位为N，而微元段右侧受到向下的截面剪力D+dD，其单位为N、逆时针方向的弯矩M+dM，其单位为N∙m、以及向左的轴向载荷P+dP，其单位为N，设该微元段的均布载荷为q，其单位为N/m。则其在y轴上建立力的平衡方程可得：取微元段右侧截面中心为基准，再由力矩的平衡方程可得：其中是高阶次的小数，可以忽略；由弯矩的公式可得：其中E是弹性模量，单位为Pa，I是惯性矩，单位为。联立上述公式（1）、（2）、（3）可得：对这个非齐次微分方程求其通解得：其中为常数，所以其直接计算的公式为：（2）非连续性指向式旋转导向钻具组合中的位移、转角、弯矩与剪力的公式建立：由于直接计算的公式已经推导出了，则其位移的公式为：由静力学知识可知，转角为，弯矩为，剪力则转角、弯矩、剪力分别为：（3）非连续性指向式旋转导向钻具组合中各种连接方式的处理利用上述推导公式、连续性条件、边界条件共同对非连续性指向式旋转导向中各种连接方式进行列方程组；然后对方程组进行矩阵转换。在非连续性指向式旋转导向中，利用单元划分的思想，分别在钻头、下稳定器、偏心环、变截面、上稳定器、最后接触点等处建立节点，假设钻头为A点，下稳定器为B点，其中下稳定器内部的芯轴为B1点，与钻柱相连的下稳定器外部为B2点，偏心环为C点，其中偏心环的内部为C1点，偏心环外侧处的钻柱为C2点，变截面为D点，上稳定器为E点，最后接触点为F点。从钻头处开始，设A点到B点为第一段、B1点到C1为第二段、B2点到C2点为第三段、C2点到D点为第四段，D点到E点为第五段，E到F点为第六段；由于A点处为铰接，所以位移为0、弯矩为0，则由公式（7）、（9），可列方程组为，转化成矩阵等式为：其中，为第i段的惯性矩，单位为，为第i段的均布载荷，其单位为N/m，为所求第i段方程中各个系数。在B点处，由于第一段、第二段与第三段在该点位移均为0，第一段和第二段在该点的转角与位移也相等，同时由于第三段在该点处弯矩为0；则由公式（7）、（8）、（9）可列方程组为，转化成矩阵等式为：其中为第i段长度；单位为m。在C点处，由于第三段与第四段在该点位移、转角、弯矩均相等，第二段在该点处弯矩为0并且其位移等于第三段位移减去偏移量，同时第二段与第三段的剪力之和等于第四段的剪力；则由公式（7）、（8）、（9）、（10）可列方程组为:、，转化成矩阵等式为：在D点处，由于第四段与第五段在该点位移、转角、弯矩、剪力均相等，则由公式（7）、（8）、（9）、（10）可列方程组为（、），转化成矩阵等式为：在E点处，由于第五段与第六段在该点位移均为0，转角、弯矩均相等，则由公式（7）、（8）、（9）可列方程组为（），转化成矩阵等式为：<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学计算方法，其特征在于：旋转导向钻具组合包括钻头、下稳定器、偏心环、上稳定器，其力学计算方法的步骤为：/n1）、非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学模型建立与一种直接计算的公式推导；/n将非连续性指向式旋转导向钻具组合从下稳定器和上稳定器处断开，两点之间的钻具组合可看做是受纵横弯曲载荷的梁柱，由于钻具组合包括变截面，因此，该钻具组合的力学分析是变刚度问题；假设下稳定器为R 点和上稳定器为T 点，把R 点与T 点看做两个固定铰支座；假设R 点与T 点之间的长度为L，单位为m，其中R 点受到逆时针弯矩M1，单位为N∙m、还有方向向右的轴向载荷P，单位为N；T 点受到顺时针弯矩M2，单位为N∙m、还有方向向左的轴向载荷P，单位为N；由于有变截面，则梁柱上存在不同的惯性矩与均布载荷；假设变截面为S 点，设其左端的惯性矩与均布载荷分别为I1 和q1，其单位分别为

【技术特征摘要】
1.一种非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学计算方法，其特征在于：旋转导向钻具组合包括钻头、下稳定器、偏心环、上稳定器，其力学计算方法的步骤为：
1）、非连续性指向式旋转导向钻具组合的力学模型建立与一种直接计算的公式推导；
将非连续性指向式旋转导向钻具组合从下稳定器和上稳定器处断开，两点之间的钻具组合可看做是受纵横弯曲载荷的梁柱，由于钻具组合包括变截面，因此，该钻具组合的力学分析是变刚度问题；假设下稳定器为R点和上稳定器为T点，把R点与T点看做两个固定铰支座；假设R点与T点之间的长度为L，单位为m，其中R点受到逆时针弯矩M1，单位为N∙m、还有方向向右的轴向载荷P，单位为N；T点受到顺时针弯矩M2，单位为N∙m、还有方向向左的轴向载荷P，单位为N；由于有变截面，则梁柱上存在不同的惯性矩与均布载荷；假设变截面为S点，设其左端的惯性矩与均布载荷分别为I1和q1，其单位分别为与N/m，变截面右端的惯性矩与均布载荷分别为I2和q2，其单位分别为与N/m，并且I1小于I2、q1小于q2；在梁柱任意位置取长度为dx的微元段，以R点建立平面坐标系，取微元段进行力学分析，假设微元段左侧受到向上的截面剪力D，其单位为N、顺时针方向的弯矩M，其单位为N∙m、以及向右的轴向载荷P，其单位为N，而微元段右侧受到向下的截面剪力D+dD，其单位为N、逆时针方向的弯矩M+dM，其单位为N∙m、以及向左的轴向载荷P+dP，其单位为N，设该微元段的均布载荷为q；其在y轴上建立力的平衡方程可得：



取微元段右侧截面中心为基准，再由力矩的平衡方程可得：



其中是高阶次的小数，可以忽略；由弯矩的公式可得：



其中E是弹性模量，单位为Pa，I是惯性矩，单位为；联立上述公式（1）、（2）、（3）可得：



对这个非齐次微分方程求其通解得：



其中为常数，所以其直接计算的公式为：



2）、非连续性指向式旋转导向钻具组合中的位移、转角、弯矩与剪力的公式建立：
由于直接计算的公式已经推导出了，则其位移的公式为：



由静力学知识可知，转角为，弯矩为，剪力，则转角、弯矩、剪力分别为：



3）、非连续性指向式旋转导向钻具组合中各种连接方式的处理：
利用上述推导公式、连续性条件、边界条件共同对非连续性指向式旋转导向中各种连接方式进行列方程组；然后对方程组进行矩阵转换；在非连续性指向式旋转导向中，利用单元划分的思想，分别在钻头、下稳定器、偏心环、变截面、上稳定器、最后接触点等处建立节点，假设钻头为A点，下稳定器为B点，其中下稳定器内部的芯轴为B1点，与钻柱相连的下稳定器外部为B2点，偏心环为C点，其中偏心环的内部为C1点，偏心环外侧处的钻柱为C2点，变截面为D点，上稳定器为E点，最后接触点为F点；从钻头处开始，设A点到B点为第一段、B1点到C1为第二段、B2点到C2点为第三段、C2点到D点为第四段，D点到E点为第五段，E到F点为第六段；
由于A点处为铰接，所以位...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏成宇，王志亮，范宇，吴鹏程，王旭东，钱利勤，黄剑，
申请(专利权)人：长江大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42