一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法技术方案

本发明专利技术涉及一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法，其包括如下步骤：（１）根据钻井系统结构信息建立结构单元力学模型；（２）建立约束模型：①速度约束模型；②角速度约束模型；③刚体－梁固支约束模型；④梁－梁固支约束模型；（３）建立作用力模型；（４）建立钻井系统参数化模型；（５）将计算模型文件导入多体动力学仿真程序中，进行钻井系统的动力学分析，完成建模。本发明专利技术由于基于多体动力学基本理论建立钻井系统的力学模型，实现了旋转导向全井钻柱系统的旋转运动及动力学分析，动态预测井眼轨迹。本发明专利技术可以广泛应用于油气田及煤层气开发领域中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种建模方法，特别是关于一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分 析建模方法。
技术介绍
定向钻井中，旋转导向技术比其它定向控制技术具有显著优势。旋转导向系统 (RSS =Rotary Steerable System)完全抛开了传统的滑动导向方式，在钻柱旋转的状态下 自动、连续、灵活地调整井斜和方位，大大提高了钻井速度和安全性，井眼轨迹控制精度高， 是满足闭环自动化钻井发展需要的一种导向方式。RSS在世界范围内的许多现场应用中都 产生了效益，然而RSS的地面驱动和导向驱动方式也导致了钻井问题的增加。RSS的使用带 来了一个主要问题，即钻柱系统动力的控制，这又把人们带回到钻井力学问题中去。现代旋转导向钻井中，全井段钻柱的长细比约IO4 105，由一系列空心圆截面钢 管连接而成，包括下部旋转导向钻具组合和钻头，地面由顶驱或转盘驱动并控制钻进速度， 导向动力由钻井液压差或井下电机驱动。钻柱的高速旋转使其在充满钻井液的狭长井眼内 处于十分复杂的受力、变形和运动状态，直到今天仍然无法做到对钻柱系统动力学、运动学 特性的准确描述和精确的定量计算。随着旋转导向工具(RST=Rotary Steering Tool)、随 钻测量工具MWD/随钻测井工具LWD、井下工程参数测量仪、柔性短节等装备加入到下部钻 具组合(BHA=Bottom HoleAssembly)中，必需全面考虑旋转钻进动力与导向动力的控制以 及动态导向钻进过程，这使得旋转导向钻柱系统的动力学问题变得更加棘手。RSS实现旋转导向的核心是井下旋转导向工具系统的研制和现场应用。旋转导向 工具系统为机械、电气/液压控制一体化系统。应用旋转导向工具系统进行井眼轨迹控制 时，必需全面理解旋转导向工具系统的导向方式和控制方法，定量预测系统的导向性能，并 以提高导向性能为目标，优化配置旋转导向组合。这是一个力学、机械、控制等多学科综合 的复杂问题，是旋转导向钻井实现井眼轨迹控制的基础和重要组成部分。目前，我国旋转导向工具的研制仍然采用传统的设计方法，即产品设计-样机研 制-试验-修改设计-样机制造-试验的循环反复过程，每一环节都伴随着物理样机的设 计、制造和试验，研发周期长，研发成本大。而现有的滑动导向钻井和传统的钻柱动力学理 论及分析方法研究复杂情况下旋转导向钻井系统的力学特性及井眼轨迹的预测和控制存 在一定困难。以旋转导向钻进技术为代表的现代钻进技术对整个钻井系统的力学性能提出 了更高的要求。因此就需要从系统角度出发，建立完整的钻井系统力学模型，并在此基础上 快速分析系统力学行为及在线控制系统，为钻井设计及现场作业提供指导和分析手段。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的目的是提供一种能实现优化设计下部钻具组合、预测和 实时控制井眼轨迹的旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法。为实现上述目的，本专利技术采取以下技术方案，其包括如下步骤(1)根据钻井系统结构信息建立结构单元力学模型； (2)建立约束模型①速度约束模型将顶驱运动以一定速率变化的速度约束描述；②角速 度约束模型钻井系统在恒定转速下工作时，顶驱装置单元转动的边界条件用勻速变化的 角速度约束模型描述；③刚体-梁固支约束模型结合刚体与柔性体建模方法，建立刚体与 梁之间固支约束的数学方程；④梁-梁固支约束模型基于梁的建模方法，建立梁与梁之 间固支约束的数学方程；(3)建立作用力模型；(4)建立钻井系统参数化模型；(5)将计算 模型文件导入多体动力学仿真程序中，进行钻井系统的动力学分析，完成建模，其具体包括 如下分析钻压调制过程仿真、钻柱横向振动与涡动现象研究、钻柱纵向振动与跳钻现象研 究、钻柱扭转振动与粘滑现象研究、钻柱与井壁的接触力分析、全井钻柱内力分析、摩阻分 析、钻头力学特性研究、驱动装置力学特性研究以及钻井系统导向性能研究。所述步骤(1)中，所述结构单元力学模型主要包括以下部分①顶驱装置单元将 电机运动方程耦合到钻井系统力学模型中；②钻杆单元采用基于绝对结点坐标描述的梁 模型来建立钻杆单元的动力学方程；③钻铤单元将钻铤单元的基本力学模型简化成梁模 型；④底部钻具组合单元将底部钻具组合中各部分抽象成梁单元，利用刚体模型建立稳 定器力学方程；⑤钻头单元根据力的作用效果建立钻头与岩石相互作用的等效的力和力 矩模型；⑥井眼单元将井眼轨道离散成若干段首尾依次连接的直圆柱单元，分析钻杆、钻 铤、底部钻具组合以及钻头结构单元与离散圆柱碰撞，进而研究整个钻井系统与井壁接触 问题。所述步骤(3)中，所述作用力模型包括以下部分①顶驱电机驱动力矩模型将描 述电机内电量变化的二阶微分方程，与动力学方程统一求解，并通过数值积分方法得到电 机内电流变化规律；②钻杆和钻铤与井壁随机接触力模型采用轴向包围盒方法作为接触 预检测，比较梁的轴线位置与井眼轴线的相对关系来判断钻杆或者钻铤是否与井壁发生接 触；③非钻进情况下钻头与岩石相互作用模型钻头与岩石相互作用过程用赫兹接触模型 描述，钻头与井底接触转化成球与平面基本几何体接触问题，钻头与井壁接触转化为圆与 圆接触问题；④其它相关接触力模型钻井系统中滚轮稳定器以及扶正器与井眼相互作用 采用接触模型来描述；翼肋组件伸出过程时，转向头前端导向轮与翼肋组件接触面之间作 用模型等效为圆与圆接触模型。所述步骤(4)中，所述钻井系统参数化模型包括以下部分①几何实体CAD/CAE模 型参数化对旋转导向系统进行三维几何建模；②计算模型参数化将系统自顶而下定义 若干模块顶驱装置单元模块、柔性钻杆/钻铤单元模块、底部钻具组合单元模块和钻头单 元模块以及辅助功能单元模块；除辅助功能单元模块外，每个模块包含的动力学信息都由 相应的模块属性元素来描述。所述步骤②中，所述模块属性元数主要有刚体属性信息、柔性体属性信息、约束属 性信息、载荷属性信息、marker属性信息和模块之间连接属性信息，各属性定义如下刚体 属性定义了该模块中刚体总数；柔性体属性定义了该模块中柔性体数目、种类等信息；约 束属性定义了该模块内各种约束索引信息；载荷属性定义了该模块中载荷类型，载荷数目 以及载荷定义的相关参数信息；Marker属性定义了该模块中与约束、载荷以及单元体相关 的属性信息；模块间连接属性信息定义不同模块之间连接信息索引。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本专利技术由于基于多体动力学基本理论建立钻井系统的力学模型，实现了旋转导向全井钻柱系统的旋转运动及动力学分 析，动态预测井眼轨迹。2、本专利技术由于利用全井段钻井系统的多体动力学模型，通过数值仿 真研究钻井工程关注的若干动力学问题，揭示系统的整体特性与局部特性力学特性，为钻 井系统设计优化等提供理论依据。研究了钻柱系统横向振动、纵向振动以及扭转振动，诠释 了诸如涡动、跳钻、粘滑现象和反转等复杂非线性动力学现象，并通过数值仿真模拟出上述 现象；从定性和定量的角度研究了钻柱系统的拉压中性点计算，全井钻柱内力分析，摩阻计 算以及钻柱与井壁接触防护等问题。3、本专利技术由于基于数值仿真研究了钻井系统顶驱装置 的力学特性，为钻井系统驱动电机选型、顶驱吊钩设计等提供参考。3、本专利技术由于通过仿真 试验研究不同钻井参数、不同钻井组合、钻头类型和导向工具工作参数时旋转导向钻本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法，其包括如下步骤：（１）根据钻井系统结构信息建立结构单元力学模型；（２）建立约束模型：①速度约束模型：将顶驱运动以一定速率变化的速度约束描述；②角速度约束模型：钻井系统在恒定转速下工作时，顶驱装置单元转动的边界条件用匀速变化的角速度约束模型描述；③刚体－梁固支约束模型：结合刚体与柔性体建模方法，建立刚体与梁之间固支约束的数学方程；④梁－梁固支约束模型：基于梁的建模方法，建立梁与梁之间固支约束的数学方程；（３）建立作用力模型；（４）建立钻井系统参数化模型；（５）将计算模型文件导入多体动力学仿真程序中，进行钻井系统的动力学分析，完成建模，其具体包括如下分析：钻压调制过程仿真、钻柱横向振动与涡动现象研究、钻柱纵向振动与跳钻现象研究、钻柱扭转振动与粘滑现象研究、钻柱与井壁的接触力分析、全井钻柱内力分析、摩阻分析、钻头力学特性研究、驱动装置力学特性研究以及钻井系统导向性能研究。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋世全，程载斌，任革学，周建良，何保生，杨蔡进，李汉兴，管楠祥，
申请(专利权)人：中国海洋石油总公司，中海石油研究中心，清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]