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钻柱力学研究现状及进展

钻柱力学研究现状及进展
钻柱力学研究现状及进展

文章编号:1000-7393(2008)02-0001-09

钻柱力学研究现状及进展*

李子丰梁尔国

(燕山大学,河北秦皇岛066004)

摘要:钻柱力学是井眼轨道设计和控制、钻柱设计及钻井参数优选的基础。从钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态、钻柱动力学基本方程、钻柱的拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱振动与涡动等方面分析了钻柱力学的发展状况。钻柱力学已经形成了比较完整的理论体系。钻柱静力学发展快,计算精度高。动力学发展则滞后较大,还有很多问题没有解决。结合现代钻井技术的发展趋势,对钻柱力学研究的未来走向做了初步探讨。基础理论研究、系统控制论理论与研究方法、动态特性测试及虚拟仿真技术将在钻柱力学的未来发展中扮演重要角色。

关键词:钻柱力学;拉力扭矩;钻柱稳定性;下部钻具;钻柱振动与涡动

中图分类号:TE21;TE921.2文献标识码:A

Research and develop m ent of drill string m echanics

L I Z ifeng,L I ANG E rguo

(Yan s han Un i v e rsit y,Qinhuangdao066004,C hina)

Abstract:D r ill str i ng m echan ics is t he basis of the desi gn and contro l of boreho le trajectory,the dr ill str i ng des i gn,and t he dr il-l i ng param eter opti m ization.T he deve l op m ent o f drill stri ng mechan i cs is d i scussed from the perspec ti ves o f the introduc tion o f the top-ic,the research ob j ective,the m ethods e m ployed fo r the research,t he m otion behav ior o f the drill stri ng,the f unda m enta l equa tion f o r o f dr ill str i ng dyna m i cs,the tensi on and to rque o f the drill str i ng,the e l astic stab ility o f the drill str i ng,the stress analysis of the bo ttom ho l e asse m bly,the dr ill str i ng vibra ti on and s w irli ng.A re l a ti ve l y i n teg ra ted theory has been deve l oped for the dr ill str i ng m echan ics. T he drill stri ng statics deve lopes rap i dly w ith h i gh accuracy.H o w ever,t he drill stri ng dynam ics lag s behind consi derab l y,and a lot of prob l em s have not ye t been so l https://www.doczj.com/doc/fd1312565.html,b i ned w ith the deve l op m ent o f modern drilling techno l og ies,a preli m ina ry d i scuss i on i s m ade on the prospect for the resea rch trend of drill stri ng m echanics.Fundam enta l t heory research,syste m con tro l theor ies and me t hods,dy-na m ic characteristi cs tests,and fictiti ous si m ulati on techno l og i es w ill p lay an i m portant ro l e in t he deve l op m ent of dr ill str i ng m echan-ics.

K ey word s:dr ill str i ng m echanics;tensi on and torque;stab ility;bottom ho le assemb l y;v i bra ti on and s w irli ng

钻柱力学是指应用数学、力学等基础理论和方法,结合实验以及井场资料等数据综合研究受井眼约束的钻柱的力学行为的工程科学。开展钻柱力学研究,对钻柱进行系统、全面、准确的力学分析,在井眼轨道设计与控制、钻柱强度校核、钻柱结构和钻井参数优化等方面都具有重要意义。钻柱力学研究已经有五十多年的发展历史,许多研究成果已经应用到生产实践并产生了巨大的经济效益,但由于钻柱在充满流体的狭长井筒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力学特性的准确描述和和精确的定量计算。近年来,随着欠平衡井、深井、超深井、水平井、大斜度井和大位移井在油气勘探开发中所占的比重越来越大,井眼轨道控制、钻具疲劳失效、钻井成本等问题逐年突出,对钻柱力学研究提出了更高的要求。与现代钻井技术发展相适应,钻柱力学必然朝着更贴近井眼

第30卷第2期石油钻采工艺Vo.l30No.2 2008年4月O I L DR I L LI N G&PRODUCT I O N TEC HNOLOGY Apr.2008

*作者简介:李子丰,1962年生。1983年毕业于大庆石油学院钻井工程专业,1992年于石油大学(北京)油气田开发工程专业获博士学位。

1992-1994年任哈尔滨工业大学力学博士后。现任石油工程研究所所长,博士生导师,本刊编委。E-m ai:l zfli@ys https://www.doczj.com/doc/fd1312565.html,.

cn。

实际工况、控制和计算精度更高的方向快速发展。

文中首先介绍钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态和钻柱动力学基本方程。然后将钻柱力学分为钻柱静力学和动力学2个部分;介绍钻柱拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱振动与涡动等几个主要方面,并对未来发展趋势做出初步的预测。

1钻柱力学问题的提出与建立

在20世纪20-30年代,人们就发现了井斜,同时发现井斜与钻柱的力学问题有关。Lubinski是钻柱力学的创始人。1950年,他从定量分析直井中钻柱的屈曲问题入手,开创了钻柱力学研究的新局面[1],该研究成果得到了公认[2-4]。

2钻柱力学的研究目标

(1)钻柱的运动状态;(2)钻柱的应力、应变和强度;(3)钻柱与井底、井壁和钻井液相互作用及效果。这是钻柱力学研究的3个主要方面,互相联系、互相影响、不可分开。

3钻柱力学的研究方法

在钻柱力学长期发展中,经过不断的优化和比较,形成了几种比较典型的研究方法,即经典微分方程法、能量法、有限差分法、纵横弯曲连续梁法、有限元法和加权余量法[5-6]。

经典微分方程法是钻柱力学中应用最早的研究方法。该方法要求在满足经典材料力学的基本假设的前提下,建立钻柱线弹性的经典微分方程并求解。这种方法在考虑因素较多时,建立的微分方程很复杂,用经典微分方程法求解比较困难。

能量法是一种求解简单的弹性力学问题的方法。它要求势能函数不仅要满足弹性力学的控制方程,而且要满足边界条件,通过解的形式的假设及有关参数的确定,可得到问题的解答。由于满足以上2个条件是一件非常困难的事情。因此,这一方法的应用受到了限制。

有限差分法是一种近似方法。是通过对钻柱进行力学分析得到钻柱微分方程式,再通过适当的差分转换将位移控制方程转化为差分的形式求解。由于差分方程的系数是可变的,因此可以很容易考虑非线性的影响;同时,由于差分区间可以减小,可以比较容易考虑井眼的约束。但是要得到精确的解答,差分区间必须取得很小,这样就使矩阵的维数增加,降低了计算速度。对于钻柱力学来说,有限差分法是一种有效的近似计算方法。

纵横弯曲连续梁法是一种精确解法,这种方法是将钻柱视为相互联系的纵横弯曲的连续梁,应用材料力学中的三弯矩方程建立一组非线性代数方程,该方程物理概念清楚,计算简单,且速度较快。由于这种方法是将三维空间问题分解成2个独立的二维问题求解,力学模型简化得太多,忽略了扭矩及可能的力和变形的耦合问题。这种方法在国内得到了推广和应用。

有限元法也是一种近似数值计算方法,这种方法是通过将钻柱分解为有限的离散梁单元,再通过适当的合成方法将这些单元组合成一个整体,用以代表原来的钻柱状态,并最终得到一组以节点位移为未知量的代数方程组。有限元法的物理概念清楚、简单,实用性强。不限制钻柱的材料和几何形状,且对单元尺寸也无严格的要求;又可以较容易地考虑非线性的影响。目前发展的接触有限元法,考虑了钻柱、稳定器与井壁之间的初始接触摩擦力,力学模型比较准确,考虑因素较多,解题的速度虽然是这几种方法中最慢的,但也可满足需要。

加权余量法是一个求解微分方程定解问题的强有力的数值方法,具有简便、准确、工作量小、残差可知等优点,已成功地用于下部钻具组合的大小挠度力学分析中;当然,要进一步提高精度就得增加试函数项数,也会增加一些运算量。

4钻柱的运动状态

钻柱的运动包含轴向运动和振动、横向振动、自转和扭转振动、公转(涡动)。

5钻柱动力学基本方程

应油气田开发的迫切需要,自20世纪50年代以来针对油气井杆管柱的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究,发表了数以百计的学术论文。特别是/七五0和/八五0期间国家组织的对定向井和水平井的科技攻关,使油气井杆管柱力学研究水平大大提高。但所有的研究工作都是基于某项特殊需要而进行的,未形成统一的理论,对某些问题如动力问题和几何非线性问题研究较少,为此需要对杆管柱动力学问题进行系统的研究,建立统一的理论。

2石油钻采工艺2008年4月(第30卷)第2期

1992年高德利提出了建立油气井杆管柱力学基本方程的设想[7]。1994年以后,李子丰将此项研究逐步完善[5-6、8-11]。

由于油气井杆管柱动力学基本方程统一了现有一切油气井杆管柱力学分析的微分方程,即:现有的油气井杆管柱力学分析的微分方程都可由该动力学基本方程通过适当简化而得到,所以,该基本方程在石油钻采工程界具有广泛的应用。已经成功用于油气井杆管柱的稳定性、油气井杆管柱的拉力和扭矩、下部钻具力学分析、有杆泵抽油系统井下工况诊断与预测、钻柱振动、热采井管柱力学分析等领域。

6钻柱静力学研究现状

钻柱静力学是钻柱力学的重要分支,是在忽略动力效应的前提下,对钻柱进行受力和变形分析。20世纪80年代以前,钻柱力学研究基本是围绕着钻柱静力学展开的。钻柱静力学主要包括钻柱拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力等方面的内容。

6.1钻柱稳态拉力扭矩

钻柱拉力扭矩的分布规律是钻柱力学研究的重要课题之一。由于实际井眼为三维的空间曲线,在钻柱轴向拉力和自重分力的作用下,钻柱与井壁之间存在着正压力和摩擦力,这些力对钻柱的强度和磨损起着关键作用。钻柱拉力扭矩研究是从定向井开始的。1983年Johancsi k考虑了定向井钻柱拉力、重力和井眼轨迹,首先建立了定向井钻柱拉力扭矩软钻柱模型[12]。该模型将钻柱假设成没有刚度的绳索,在弯曲井段钻柱两端受拉时钻柱紧贴上井壁,并假设滑动摩擦是扭矩和摩擦阻力的全部原因。模型主要存在的问题是假设条件与实际不完全相符;在正压力计算中只考虑了重力和井眼曲率2个因素,计算存在着一定误差。其后的研究中,Sheppard 等人考虑了钻柱内外压差和钻井液黏度的影响[13],对Johancsi k的软钻柱模型进行了修正,在扭矩损失的计算中引入转动摩擦系数。但其计算模型与Jo-hancsik的计算结果基本接近。

钻柱拉力扭矩软钻柱模型虽可以满足一般的工程需要,但由于没有考虑钻柱的刚度,使模型在深井和大位移井等复杂结构井拉力扭矩计算中存在较大误差。1987年,美国NL公司何华山博士提出了硬钻柱拉力扭矩模型,克服了软钻柱模型的缺点,使该研究有了新的突破[14]。

1992年以来,李子丰考虑了钻柱的运动状态,把一切引起轴向阻力和旋转扭矩增加的因素等价于钻柱与井壁摩擦系数的变化,即引进了等效摩擦系数的概念,建立钻柱稳态拉力扭矩模型并编制了计算软件系统。在钻柱强度校核、钻柱减摩措施、井眼轨道设计、井下工况监测等方面获得了成功的应用[15-20]。指出了一些拉力扭矩模型存在的问题[21-22]。

6.2钻柱的弹性稳定性

钻柱在井筒内经常处于压扭状态,有时会发生屈曲和塑性变形。受井眼约束钻柱发生屈曲后,屈曲构型随着载荷的增加而变化,除了保持稳定、正弦屈曲构型、螺旋屈曲构型及相互之间的转化外,在每种屈曲构型中钻柱的模态也会随着载荷的增加而变化。钻柱屈曲为复杂的多层次屈曲行为,对其受力和变形进行精确分析有利于进行钻柱优化设计和钻井措施设计。

钻柱屈曲问题最早由Lubinski提出并付诸研究的[1]。1950年,Lubinski等对管柱在斜直井眼中的屈曲进行了模拟试验,得出管柱在斜直井中临界屈曲载荷的计算公式;分析了油管内、外流体压力对油管屈曲的影响,并用能量法导出了无重油管柱螺旋屈曲的螺距与轴向压力的数学关系。Paslay和Bogy 利用能量法分析了管柱在斜直圆孔中的稳定性[23-24],导出了管柱在斜直井眼中发生正弦屈曲的临界载荷计算公式。M itche ll利用力学基本方程分析了螺旋屈曲的轴向载荷、接触压力和内力等[25-27]。Yu-Che Chen推导了正弦屈曲和螺旋屈曲的临界屈曲压力的公式,并用实验进行了验证[28]。

从1994年以来,李子丰对油气井杆管柱的稳定性问题进行了系统的研究[5-6,29-32]。主要分析了斜直井内的油气井杆管柱的稳定性判别、几何线性和非线性螺旋屈曲。

高德利等人对水平井和斜井管柱在压扭作用下的屈曲和后屈曲行为进行了深入研究[33]。利用能量变分原理建立了有重管柱的屈曲微分方程、边界条件及管柱与井壁之间的接触力方程;分析了正弦屈曲和螺旋屈曲模态的存在条件及载荷范围;着重分析了井眼曲率、管柱自重和摩阻对管柱屈曲行为的影响规律。得出约束管柱的曲率能够延迟管柱正弦屈曲和螺旋屈曲的发生,井眼处于增斜段时,管柱

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李子丰等:钻柱力学研究现状及进展

自重与曲率作用相同,降斜段时则相反;摩擦使管柱屈曲的临界载荷大幅提高。管柱进入正弦屈曲后,沿切向的摩擦力起主导作用,而进入螺旋屈曲后沿轴向的摩擦力起主导作用。

2005年以来,刘峰等又用有限法对钻柱的螺旋屈曲问题进行了研究[34-35]。

针对钻柱稳定性研究领域中的一些模糊和错误认识,李子丰对某些问题进行了澄清。1997年,指出油气井杆管柱的稳定性与纵横弯曲是不同条件下的两个问题[36]。1999年指出/压不弯钻铤0[37-39]没有理论基础[40]。2004指出,对钻柱工况的过分简化[41-45],使得研究结果变得荒谬[46]。/受拉钻铤结构及其防斜减振原理0[47]与/压不弯钻铤0一样,也缺乏理论依据。

6.3底部钻具组合的静力学分析

为了有效地控制井眼轨迹,底部钻具组合(B HA)的力学分析一直是钻井界研究的重点。先后提出过二次弯曲理论、钟摆钻具理论、二维钻具理论和三维钻具理论。二次弯曲理论由于以井眼竖直和平面屈曲为前提,许多结论是错误的;钟摆钻具理论和二维钻具理论考虑的是二维平面内的钻具受力状况,而实际井眼是三维空间曲线,存在较大的计算误差,使其应用受到很大限制。要想模拟真实的钻具状态,必须对钻具进行三维力学分析。

1950年,Lub i n sk i分析直井中钻柱的屈曲问题及钻头转角[1]。1977年,W alker首先应用最小势能原理对常规下部钻具组合进行了两维分析,继而与Friedm an合作建立了钻柱静力三维小挠度力学分析的数学模型,并用微分方程理论和伽辽金法对数学模型进行了近似求解[48]。W alker把下部钻具组合三维分析程序应用于下部钻具组合的设计,从而提高了钻速,降低了钻井成本。

1978年,在美国Am oco公司以M illhe i m为代表的一批研究人员,围绕井眼轨迹控制问题所进行的研究工作是引人注目的。他们用有限元法对B HA 进行静力分析以后,率先研究了B HA的动态特性及其对井眼轨迹的影响[49]。他们以钻头机械侧向力为依据,设计了适用于钻不同软硬地层的各种下部钻具组合,并对它们的造斜特性进行了评估。

美国NL公司何华山等人的研究也非常出色。1986年,何华山首次建立了钻柱静力大挠度控制方程,并使用有限差分法求其数值解[50]。他还建立了一个钻头与地层相互作用的矢量模型[51],从而确定了钻进方向与钻头的合力、钻头指向及地层法向之间的一种数学关系。

在国内,井眼轨迹控制理论的研究起步较晚,20世纪80年代初的水平还相当低。理论研究工作是从唐俊才等人修正/霍奇公式0开始,接着便是以白家祉为代表的一批专家和学者为井眼轨迹控制理论的发展做出了重要贡献。

1982年以来,白家祉和苏义脑应用三弯矩方程分析下部钻具组合的受力和变形[52-60],指导钻井实践,并用理论分析结果指导井下定向控制工具的研制工作。

1988年以来,高德利应用加权余量法完成了下部钻具组合的三维小挠度力学分析,并对二、三维大挠度问题进行了探讨[33,61-64]。该方法是国内学者独立提出的第2种B HA分析方法。他提出了一个钻头与地层相互作用的三维钻速方程[62,65-66]。

1992年以来,李子丰分别建立了下部钻具三维小挠度、大挠度静力分析模型,选用加权余量法、加权目标函数和最优化方法确定了钻柱与井壁的切点位置,解决了多元非线性微分方程组的求解问题[67-75];建立了三维钻速方程及其反演模型[67,70,71,76];以预测点的侧向钻速为0,建立了井眼轨道预测方程[67,70,71,75,77]。指出了对钻头处和切点处边界条件的错误认识[78-80]。

不倒翁式偏心防斜钻具[81-82]在井下没有应用价值。

7钻柱动力学研究现状

钻柱动力学主要研究钻柱在各种动载作用下的运动、受力和变形规律。由于钻头破碎岩石的不均匀性、钻柱的弯曲、转速达到钻柱共振频率等众多因素的影响,实际的钻井过程往往存在着纵向振动、横向振动、扭转振动、涡动以及耦合振动等多种振动形式。进行钻柱动力学分析可以更好地了解和掌握钻柱的工作状态,准确预测井眼轨迹,减少钻具断裂事故和有效延长钻柱寿命。早期的钻柱动力学研究主要是对直井中钻柱的纵向和扭转振动进行实验分析,其实验方法、手段以及认识水平,都与实际钻柱的状态相差甚远。一般认为,近代钻柱动力学研究是从80年代开始的。在这个时期,相关科学技术的进步和钻井界本身的发展、需求等都促进了钻柱动力学的迅猛发展[83-85]。

7.1钻柱涡动机理

4石油钻采工艺2008年4月(第30卷)第2期

S.F.W o lf使用有线遥控系统对直井钻进时的井底压力、加速度、岩层特性等进行测量,发现系统的共振频率明显低于钻柱的固有频率,观测到井底存在但井口却测不到的高弯矩,为钻柱涡动的存在提供了直接证据。V. A.Dunayevsky首次提出了钻柱不仅绕其本身轴线转动,而且同时存在着涡动。L.Rey-Fabret建立了一种B HA涡动识别方法,能够在地面和井底同时测量B HA涡动。测量原理为: B HA涡动时扭矩的平均值会发生变化,大钩载荷测量信号中出现有某种特定频率的信号;利用特定的信号处理程序,在地面信号中识别扭矩和钩载的变化。J.D.Jansen以转子动力学理论研究了带稳定器的钻铤的旋转及它的不规则运动。将两个稳定器间钻铤变形简化为简单的正弦波,由于流体力、稳定器与井壁的间隙及接触的非线性影响,钻铤的运动可以从简单的旋转变成复杂的运动。进动将严重地影响B HA的方位变化规律。J. D.Jansen的研究向人们揭示了钻柱动力响应有着很强的非线性,甚至进入混沌状态。

章杨烈建立了国内第1个B HA运动状态模拟装置[86],取得了十分重要的试验研究成果。提出了以反转运动为主要特征的旋转钻柱运动原理。当钻柱在直井中绕自身轴线顺时针旋转时,贴向井壁的各钻杆接头或钻铤将以近于无滑动滚动的方式绕井眼轴线反时针涡动,这种反转涡动的实质是多支点的自激晃振;只有当钻柱与井壁的摩擦力很小时,才不会产生钻柱的反转涡动。管志川利用B HA模拟试验装置研究了底部钻柱的动力学特性[87],得出随着转速的增加,钻柱运动将逐渐由有规则摆动阶段向无规则摆动阶段和规则反向涡动阶段转化。

到目前为止,人们只是从现场和实验室测量和观察到了直井受压钻柱的反向涡动现象,并导出了最大反向涡动角速度。

7.2钻柱的纵向及扭转振动规律

纵向振动产生的原因是井底不平、钻头牙齿间歇压入岩石和岩石间歇破碎。扭转振动则由于钻头间歇破碎岩石所导致。当钻头纵向或扭转振动的频率为钻柱固有频率的整数倍时,钻柱将处于共振状态。钻柱内的交变应力和振幅相当大,导致钻柱断裂或黏扣。高岩等对牙轮钻头钻进时钻柱的轴向振动进行了测量[88,89]。研究表明,纵向振动是钻柱疲劳损坏的主要原因。

F i n n ie等人对直井中钻柱的纵向振动和扭转振动进行了初步的实验和分析,不考虑钻井液阻尼情况下,近似计算出了的钻柱的固有频率。Skaugen 发表文章,从随机观点分析了钻柱振动问题,研究了钻头随机振动对钻柱纵向振动的影响。Ky lli n gstad 等人对大位移井管柱的/黏滑0振动问题作了深入探讨,并实验得出了提高转速有利于减小钻柱/黏滑0振动。

王珍应研究了钻柱的受迫振动,认为结构阻尼与声辐射和黏性阻尼相比小得多,完全可以忽略不计。同时提出了广义传递矩阵法解决钻柱的受迫振动问题[90]。

刘清友、马德坤等人对牙轮钻头引起的钻柱的轴向和扭转振动分别进行了分析[91-93]。

李子丰通过对钻井振动系统(井架、钢丝绳、游车和水龙头等)的适当简化,针对钻柱纵向振动分别建立了力激励法和位移激励法的钻柱纵向的数学模型;针对钻柱扭转振动分别建立了扭矩激励法和转角激励法的扭转振动的数学模型[5-6,94-97]。指出传统的以力激励为边界条件计算的最佳消振转速恰恰是共振转速;应该用位移激励法研究钻柱的纵向振动问题。

到目前为止,对钻柱的纵向和扭转振动的研究,还仅限于直井内钻柱对钻头处的边界条件响应问题。由于钻头处的边界条件十分复杂且多变,现在采用的钻头处的边界条件都是假设的,为此,纵向和扭转振动的研究还是处于开始阶段。

7.3钻柱的横向振动规律

V. A.Dunayevsky通过对牙轮钻头的钻柱动力学分析,首次从理论上给出了B HA横向振动的原因,为钻柱横向振动的理论研究提供了理论依据。确定了钻柱振动的参数共振区域与转速的关系。当钻压超过由静弯曲理论确定的临界值后,就会产生随时间变化的横向扰动;摩擦阻力的存在减小了共振区的范围。T.M.Bur gess将一些钻柱振动模型应用于现场后发现,钻柱振动在直井中比在斜井中严重,横向振动的共振频率主要取决于钻铤的尺寸和刚度、稳定器的位置和井眼的角度;井眼的角度决定稳定器上方的钻铤靠在井壁的位置,这个位置决定了横向振动系统的长度。

M.W.Dykstra对钻头和钻柱的动力学特性进行实验研究,结果表明:钻柱横向振动产生的不利影响远大于轴向振动;由于扶正器的隔离作用,钻头振动沿钻柱衰减很快,同时发现,地面与井下测量结果

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李子丰等:钻柱力学研究现状及进展

可能不一致。他们采取实验研究与理论分析相结合,证明了钻柱质量不平衡是引起钻柱横向振动的主要原因之一,钻柱质量不平衡包括偏心、初弯曲及偏磨等。

在横向振动理论分析方面,刘清友、朱才朝、韩春杰、况春雨等人都做了初步的研究。由于横向振动与涡动、轴向振动和扭转振动是相互影响的,在涡动、轴向振动和扭转振动还没有研究清楚之前,所有横向振动的研究都是不完备的。

7.4钻柱的耦合振动分析

A.S.Y i g it系统研究了钻柱的各种振动及其耦合作用,包括轴向振动和横向振动的耦合,采用假设模态法(A ssum ed M odes M ethod)建立了B HA运动方程,论述了耦合模型的非线性影响。但他只考虑了钻柱外钻井液的阻尼作用,没有考虑钻柱内外钻井液的耦合作用和钻柱自重的影响,并且仅对垂直井眼进行了研究。

Andreas.P.Christo forou等人分析了钻柱的轴向、横向和扭转的耦合振动,定量描述了钻头与地层、钻柱与井壁相互作用对振动的影响。

7.5底部防斜钻具的动力学分析

直井防斜打直技术一直是钻井界研究的重点问题。近年来在国内,动力学防斜打直技术获得了较广泛的应用。以动力学为基础的防斜钻具主要有3类:1偏轴接头(或偏心)钻具组合;o预弯曲结构钻具组合;?偏心刚柔钻具组合。这些钻具组合在多数情况下取得了防斜和纠斜效果,有时也会增斜。这些钻具都具有一个共同的特点:钻具横向振动严重、钻具寿命短、极易断裂。

狄勤丰对公转钻具的静动力学行为进行了探讨[98]。李子丰等认为公转钻具的防斜和增斜机理源于钻头处井壁岩石的非线性破碎[99]。由于岩石侧向破碎体积是侧向钻压的幂函数,且幂指数大于1,在原有的侧向钻压上叠加一个正弦侧向钻压后,静力状态具有降斜作用的钻具降斜能力增加,静力状态具有增斜作用的钻具增斜能力增加;与现场实践比较吻合。

在文献[100]力图对偏轴接头进行改进,其缺陷明显、实用性还值得进一步探讨。

8钻柱力学研究中存在的主要问题

从以上分析可以看出,通过几十年的发展,钻柱力学形成了比较完整的理论体系,并且许多理论已经转化为生产力,经受住了实践的检验。其中,钻柱静力学发展快,计算精度高,在井眼轨道优化控制、杆的优化设计与强度校核、井下问题准确诊断和处理、钻采设备和工作参数优选等方面获得了广泛的应用。钻柱静力学下一步将朝着更贴近井眼实际工况、控制和计算精度更高的方向发展。

与钻柱静力学的发展状况相比较,钻柱动力学的发展则相对滞后较大,还有为数不少的技术问题几十年来一直没有得到有效解决,具体表现在以下4个方面:

(1)在钻柱纵向振动、横向振动和扭转振动等方面,多局限于对各单一振动形式分析,对更复杂的非线性耦合振动问题研究较少。

(2)对钻柱的黏滑振动、涡动机理的研究明显不足,没有获得实质性的进展,还无法做到对复杂钻井条件下钻柱运动规律的准确描述。

(3)现有的研究工作大多着重于理论上定性分析,与实际的钻井工况还存在一定差距,定量分析尚有欠缺。

(4)钻柱力学基础研究已日趋成熟,但是关于实际应用研究的探索还不够。

9钻柱力学的未来发展趋势

未来的钻井技术必然走向自动化、智能化,钻柱力学研究是前提和基础。与现代钻井技术的发展相适应,基础理论研究、系统控制论理论与方法、动态特性测试技术及系统虚拟仿真技术将成为钻柱力学未来发展的主要方向。

9.1加强钻柱力学基础理论研究

基础理论研究历来是技术革新和发展的前提条件。深入开展钻柱力学的基础理论研究能够为技术的进步提供充足的理论依据。对钻柱力学而言,许多的技术问题仅仅依靠实践或者操作工艺的改善并不能解决根本问题,加强基础理论研究是钻柱力学获得充分长足发展的动力源泉。

9.2引进和应用系统控制论的理论与方法

钻柱力学存在的一些难于攻克问题,如耦合振动、涡动规律等问题,20年来并没有大的进展,主要原因是孤立地研究底部钻具组合的受力,对其它重要影响因素及其影响程度则难以进行准确评价和引入。系统控制论是当今时代发展最快的工程学科。从经典控制理论到近代控制理论,发展到如今的智能控制理论,形成了比较成熟的控制理论与策略。

6石油钻采工艺2008年4月(第30卷)第2期

引进和应用系统控制论的理论与方法,从系统的观点和研究方法出发,探寻耦合振动、涡动的具体影响因素及其影响程度,借鉴系统控制论的优化分析方法(如灰色关联、神经网络等方法)建立模型是可行的。

9.3提高钻柱力学动态特性测试技术水平

实现钻井的闭环自动控制,钻柱力学参数动态测试技术是钻井技术的一个重要方面。测试方法有2种:一种是对井场实钻参数资料的提取,以现有的MW D和L WD等测试手段为基础,发展专用的测试技术,以提高钻柱力学动态特性的测试精度;另一种则是在实验室条件下对钻柱力学的某些动态参数进行模拟实验和测试;该方法能够减少许多干扰因素,降低成本。

9.4大力开展系统虚拟仿真技术研究

随着计算机技术、数值仿真技术、科学可视化技术和虚拟现实技术的不断发展,虚拟仿真已经成为科学研究的重要手段,正在得到越来越广泛的应用。它以已经获得的大量翔实的实际数据为基础,以计算机高速处理能力为依托,采用软件虚拟的手段来研究较复杂的工程问题。软件即是仪器。虚拟仿真技术能够再现钻井的实际工况,大幅降低科研成本,必将为钻柱力学的发展注入新的活力。

作者附言:本文是应邀而作。由于学识、眼界、时间和精力有限,不能涵盖该领域的全部成果。文中错误在所难免,敬请批评指正。

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(收稿日期2008-01-08)

1编辑张振清2

9

李子丰等:钻柱力学研究现状及进展

岩石力学研究进展报告

岩石力学研究新进展报告 姓名:XXX 学号:XXXXXXXX 专业:岩土工程

岩石力学研究新进展报告 1 引言 时光如白驹过隙,一学期的《XXXXX》课程在不知不觉间结课了。这一学期的学习,使我在岩石力学方面有了很大的启发,特别是分形理论在岩石力学中的应用令我神往。下面我对岩石力学研究的新进展做简要报告。 岩石力学可以作为固体力学的一个新分支,用以研究岩石材料的力学性能和岩石工程的特殊设计方法。岩石力学经过近50年的发展,在土木工程、水利工程、采矿工程、石油工程、国防工程等领域都得到了广泛的应用,随着科学技术的进步,岩石力学涉及的领域会进一步扩大。岩石力学是一门内涵深,工程实践性强的发展中学科。岩石力学面对的是“数据有限”的问题,输入给模型的基本参数很难确定,而且没有多少对过程(特别是非线性工程)的演化提供信息的测试手段。另一方面,对岩体的破坏机体还不能准确的解释。岩石力学所涉及的力学问题是多场(应力场、温度场、渗流场、甚至还存在电磁场等)、多相(固、液、气)影响下的地质构造和工程构造相互作用的耦合问题。这就表明,工程岩体的变形破坏特征是极为复杂的,其大多数是高度非线性的。目前,岩石力学的许多数学模型是不准确和不完整的,可以广泛接受和适用的概化模型并不多。基于此,近年来,多种数值方法、细观力学、断裂与损伤力学、系统科学、分形理论、块体理论等在岩石力学中的应用以及各种人工智能、神经网络、遗传算法、进化算法、非确定性数学等域岩石力学的交叉学科的兴起,为我们提供了全新和有效的思维方式和研究方法,更能激发研究者的创新精神,这也为突破岩石力学的确定性研究方法提供了强有力的理论基础[1]。 本报告主要对分形岩石力学、块体岩石力学、断裂与损伤岩石力学和岩石细观力学四部分的研究新进展做简要报告。由于时间和精力有限(最近导师安排的任务非常多,而且要准备英语和政治期末考试),每部分内容除第一大段的研究新进展综述外,只对近几年的三篇比较好的文献做分析说明,包括两篇中文学术论文和一篇外文学术论文,这12篇学术论文我都比较仔细的看了。以后若有机会和时间,我会在导师和各位老师同学的不吝赐教下,努力做岩石力学的创新性研究,届时会在文献综述部分查阅和介绍更多最新以及更优秀的文献。 2 分形岩石力学 从古至今,岩石已成为人们熟知的工程材料,它是由矿物晶粒、胶结物质和大量各种不同阶次、不规则分布的裂隙、薄弱夹层等缺陷构成,是一种成分和结构高度复杂的孔隙体。岩石力学经过近50年的发展,人们尝试用各种数学力学方法研究和描述岩石复杂的自然结构性状和物理力学性质,提出了多种岩石力学分析和计算方法,为解决实际工程中的岩石力学问题创造了条件。19世纪70年代Mandelbrot创立分形几何学,提出了一种定量研究和描述自然界中极不规则且看似无序的复杂结构、现象或行为的新方法,从此分形几何学广泛地应用于自然科学研究的各个领域,并且在经济学等社会科学也有很巧妙的应用。19世纪80年代,分形几何学开始应用于岩石力学研究,开始形成分形岩石力学这一门新兴交叉学科。人们逐渐发现岩石力学领域中的分形现象相当普遍,不仅岩石的自然结构性状、缺陷几何形态、分布以及地质结构产状、断层几何形态、分布都观察到分形特征或分形结构,而且岩石体强度、变形、破断力学行为以及能量耗

重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析

第23卷第1期长 沙 交 通 学 院 学 报 Vol .23No .1 2007年3月 J O URNAL O F CHANGSHA COMM UN I CAT I O NS UN I VERS I T Y Mar .2007 文章编号:1000-9779(2007)01-0056-07 重载非均布荷载下沥青路面力学响应分析 谢 军 1,2 ,郭忠印 2 (1.长沙理工大学公路工程学院,湖南长沙 410076;2.同济大学教育部道路与交通工程重点实验室,上海 200092) 摘 要:选取不同的典型沥青路面结构,采用动态参数,进行了6个等级的非均布荷载作用下的8种路面结构有限元力学响应计算.结果表明:面层是沥青路面结构受力的最不利位置;在双矩形荷载作用下,沥青层底水平横向拉应力和拉应变最大值位于单轮底部中心偏外的位置;路表轮隙中心的应力状态主要和沥青面层厚度和交通荷载有关,随荷载增大,路表应力最大值作用点主要在轮缘外缘附近位置出现;路表最大剪应力随基层类型和沥青层厚度的不同而不同,路表最大剪应力出现在双轮及双轮之间的范围.所得结论可为重载条件下沥青路面设计指标的提出提供理论依据. 关键词:重载;非均布;动态模量;力学响应中图分类号:U416.217 文献标识码:A 收稿日期:2006-11-14 作者简介:谢 军(1975-),男,长沙理工大学讲师,博士. 目前,在国内重载现象普遍存在.重载不仅表现为交通量的增大,更表现为运输车辆普遍超载、超限, 交通量大和汽车普遍超载是重载交通的主要特征[1] .在重载交通条件下,沥青路面在使用过程中产生早期破坏的现象日益严重,路面使用寿命大大缩短、使用性能衰减加快,严重影响了道路的使用功能和服务质量.在本研究中,针对不同沥青路面典型结构,考虑不同荷载作用条件,进行了路面结构力学响应分析,以了解重载条件下路面结构的应力、应变规律,并为重载条件下沥青路面设计指标提供理论依据. 1 沥青路面的典型结构选取 在沥青路面修建过程中,由于土基条件、交通量、轴载及气候环境条件的不同,在各地区采用了不同的沥青路面结构,同时,根据具体实际情况,相应地制定了本地区的沥青路面典型结构.在不同地区的沥青路面典型结构中,考虑到结构层组合、结构层厚度等因素,选取其中8种典型路面结构进行力学计算分析(见表1). 表1 8种路面结构组合 c m 路面结构 沥青面层 基层沥青碎石级配碎石上基层6%水稳碎石 透水性水稳碎石 贫混凝土 下基层5%水稳碎石 底基层水稳粒料稳定土 垫层级配粒料4#106/24 ///24/2024#10/ / 20/ / / / 40/ 41#5//18///1820/58#15//18//1820//59#15///16/2020//60#16////201620//61#15/916//1616//62 # 12 / / 20 / / 20 20 / /

岩石力学研究的现状和未来

岩石力学研究的现状和未来 引言 岩石力学是运用力学原理和方法来研究岩石的力学以及与力学有关现象的 一门新兴科学。它不仅与国民经济基础建设、资源开发、环境保护、减灾防灾有密切联系,具有重要的实用价值,而且也是力学和地学相结合的一个基础学科。 岩石力学的发生与发展与其它学科一样,是与人类的生产活动紧密相关的。早在远古时代,我们的祖先就在洞穴中繁衍生息,并利用岩石做工具和武器,出现过“石器时代”。公元前2700年左右,古代埃及的劳动人民修建了金字塔。公元前6世纪,巴比伦人在山区修建了“空中花园”。公元前613-591年我国人民在安徽淠河上修建了历第一座拦河坝。公元前256-251年,在四川岷江修建了都江堰水利工程。公元前254年左右(秦昭王时代)开始出钻探技术。公元前218年在广西开凿了沟通长江和珠江水系的灵渠,筑有砌石分水堰。公元前221-206年在北部山区修建了万里长城。在20世纪初,我国杰出的工程师詹天佑先生主持建成了北京-张家口铁路上一座长约1公里的八达岭隧道。在修建这些工程的过程中,不可避免地要运用一些岩石力学方面的基本知识。但是,作为一门学科,岩石力学研究是从20世纪50年代前后才开始的。当时世界各国正处于第二次世界大战以后的经济恢复时期,大规模的基本建设,有力地促进了岩石力学的研究与实践。岩石力学逐渐作为一门独立的学科出现在世界上,并日益受到重视。

目前国际上已建和正建的大坝,高度超过300m,地下洞室的开挖跨度超过50m,矿山开采深度超过4000m,边坡垂直高度达1000m,石油开采深度超过9000m,深部核废料处理需要考虑的时间效应至少为1万年,研究地壳形变涉及的深度达50-60km,温度在1000oC以上,时间效应为几百万年。今后,随着能源、交通、环保、国防等事业的发展,更为复杂、巨大的岩石工程将日益增多。但是,国际上有许多工程由于对岩石力学缺乏足够的研究,而造成工程事故。其中最的是法国马尔帕塞(Malpasset)拱坝垮坝及意大利瓦依昂(Vajont)工程的大滑坡。 马尔帕塞薄拱坝,坝高60m,坝基为片麻岩,XXXX年左坝肩沿一个倾斜的软弱面滑动,造成溃坝惨剧,400余人丧生。瓦依昂双曲拱坝,坝高261.6米,坝基为断裂十分发育的灰岩。XXXX年大坝上游左岸山体发生大滑坡,约有2.7-3.0亿立米的岩体突然下塌,水库中有5000万立米的水被挤出,击起250米高的巨大水浪,高150米的洪波溢过坝顶,死亡3000余人。近年来,虽然岩石力学得到突飞猛进的发展,但与岩体失稳有关的大坝崩溃,边坡滑动,矿山瓦斯爆炸,围岩地下水灾害等惨剧仍时有发生。诸如此类的工程实例,都充分说明能否安全经济地进行工程建设,在很大程度上取决于人们是否能够运用近代岩石力学的原理和方法去解决工程上的问题。当前世界上正建和拟建的一些巨型工程及与地学有关的重大项目都把岩石力学作为主要研究对象。第一节国际岩石力学与岩石工程发展动态一、国际岩石力学学会成立前(XXXX)的概况 在国际岩石力学学会成立前,尤其是上世纪二战以后,为适应经济发展的迫切需要,各国都相继建立了一些机构对岩石力学进行专题研究。当时各国有代表性的研究机构如下:美国:(1)美国军部工程兵团(ACE,ArmyCorpsofEngineersU.S.A).

浅谈钢管混凝土柱

浅谈钢管混凝土柱 摘要: 由于钢管商品混凝土具有承载力高,耐腐蚀,便于施工等一系列优点,它在实际工程中的应用越来越多。从钢管商品混凝土柱工作原理、力学性能等方面,来显示钢管商品混凝土的优势。 关键词: 钢管商品混凝土柱; 钢筋商品混凝土柱; Abstract: As a result of concrete filled steel tube with high capacity, corrosion resistance, convenient construction and a series of advantages, it application in practical engineering more and more. This paper from the concrete filled steel tubular column working principle, mechanical properties and other aspects, to show the advantages of concrete filled steel tube. Key words: concrete filled steel tubular column; reinforced concrete column 钢管商品混凝土即在薄壁圆形钢管内填充商品混凝土,将两种不同性质的材料组合而形成的结构。它利用钢管和商品混凝土两种材料在受力过程相互之间的组合作用,充分发挥这两种材料的优点,弥补彼此的缺点,因而具有良好地力学性能和经济性。在桥梁,工业厂房,高层建筑中的应用越来越广泛。 1、钢管商品混凝土的工作机理钢管商品混凝土的基本原理:在钢管中填充商品混凝土,在力的作用下,商品混凝土对钢管有力的作用,但同时钢管约束了商品混凝土,使管内商品混凝土处于三向受压的应力状态,延缓其纵向微裂缝的发生和发展,从而提高其抗

管柱力学

学科前沿油气井杆管柱力学结课报告 学院:车辆与能源学院 专业:石油与天然气工程 学生姓名:李欣 学号:S130******** 指导教师:李子丰教授

研究油气井内的杆管柱力学问题。首先由美国 A Lubinski 于1951年开始研究,李子丰于1996年出版《油气井杆管柱力学》(石油工业出版社),2008年趋于完善《油气井杆管柱力学及应用》(石油工业出版社)。主要内容为:油气井杆管柱及其在井下的运动状态、油气井杆管柱的载荷和失效方式,油气井杆管柱动力学基本方程及其在分析油气井杆管柱的稳定性、杆管柱的稳态拉力和扭矩、钻柱振动、下部钻具三维力学分析与井眼轨道预测、有杆泵抽油系统参数诊断与预测、热采井管柱力学分析和固井等方面的应用。 真理是世界上最珍贵的信仰,为了这一信仰,科研道路上涌现出了一批批坚定不移的科学家,他们用自己的执著和智慧为世人点亮了一盏盏明灯。燕山大学的李子丰教授就这样一位执著追求、甘于奉献的学者。自从事石油事业以来,李子丰教授十年如一日地辛勤工作,把自己的青春和热血都奉献给了祖国的石油事业,同时也对哲学和物理学领域的基本难题进行了深入不懈的研究。 如果说,科学研究是发现真理的舞台,那么,李子丰教授就是这舞台闪烁的明星,他身上体现出的一种为真理而献身的执著精神和勇敢正直的人格,不愧为我们当代年轻人学习的楷模。 结合石油工程科学和技术发展的需要,李子丰创立了有特色的油气井杆管柱力学理论体系。该理论体系主要包括:油气井杆管柱动力学基本方程;斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型;油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型;试油管柱力学分析的数学模型;压裂管柱力学分析的数学模型;定向井有杆泵抽油系统动态参数诊断与仿真的数学模型;钻柱纵向振动、扭转振动、纵向与扭转耦合振动的数学模型;下部钻具三维力学分析的数学模型;热采井套管柱力学分析的数学模型及预膨胀固井技术;割缝筛管力学分析的数学模型。如今,依据这些理论模型所编写的软件,已经广泛地应用于我国石油钻采作业中。 同时,上述研究成果基本上都是国家“八五”重点科技攻关项目石油水平井钻井成套技术、国家“九五”重点科技攻关项目侧钻水平井钻井采油配套技术和“863”项目海底大位移井井眼轨道控制技术的研究内容,不但在理论上取得了较大进步,在经济上也获得了巨大的效益,赢得了国内外石油工程界和力学界的一致好评。 油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作,在各种力的作用下, 处于十分复杂的变形和运动状态。对油气井杆管柱进行系统的、准确的力学分析, 可以达到如下目的: (1) 快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道; (2) 准确地校核各种杆管柱的强度, 优化杆管柱设计; (3) 优化油气井井眼轨道;

钢管混凝土柱全寿命周期力学性能研究

目录 摘要..................................................................................................................................... I Abastract .................................................................................................................................... II 第1章绪论.. (1) 1.1 钢管混凝土全寿命周期的特点 (1) 1.1.1 钢管混凝土的特点及发展 (1) 1.1.2 全寿命周期的特点 (1) 1.2 课题的研究意义 (2) 1.3 相关课题的研究现状 (3) 1.3.1考虑钢管初应力的钢管混凝土柱受力性能研究现状 (3) 1.3.2考虑混凝土脱空缺陷的钢管混凝土柱受力性能研究现状 (6) 1.3.3考虑长期荷载作用的钢管混凝土柱受力性能研究现状 (8) 1.3.4中空夹层钢管混凝土柱全寿命周期受力性能研究现状 (10) 1.4 文献综述小结 (10) 1.5 课题的创新性 (11) 1.6 课题的技术路线 (11) 1.7 本文主要研究内容 (11) 第2章圆钢管混凝土轴压短柱全寿命周期力学性能研究 (13) 2.1 引言 (13) 2.2 有限元模型的建立 (13) 2.2.1 材料本构模型 (13) 2.2.2 单元类型选取、界面接触定义和划分网格 (15) 2.3 考虑钢管初应力的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析 (15) 2.3.1 模型验证 (15) 2.3.2 初应力对圆钢管混凝土轴压短柱受力影响 (17) 2.4 考虑混凝土脱空缺陷的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析 (19) 2.4.1 模型验证 (20) 2.4.2 脱空缺陷对圆钢管混凝土轴压短柱受力影响 (21) 2.5考虑长期荷载作用的圆钢管混凝土轴压短柱力学性能分析 (23) 2.5.1 模型验证 (23) 2.5.2 长期荷载对圆钢管混凝土轴压短柱受力影响 (27) 2.6 圆钢管混凝土轴压短柱全寿命周期力学性能分析 (29) 2.6.1全寿命周期受力全过程分析 (29) 2.6.2影响承载力的参数分析 (33) 2.7 本章小结 (34)

北京科技大学考研岩石力学答案`

文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎下载支持. 名词解释 1.岩石饱水系数(kw):指岩石吸水率与饱水率的比值。 2.岩石吸水率:岩石在常温下吸入水的质量与其烘干质量的百分比。3.岩石饱和吸水率:岩石在强制状态(高压或真空、煮沸)下,岩石吸入 水的质量与岩样烘干质量的比值。 4.岩石的天然含水率(W):天然状态下,岩石中水的质量Mw与岩石烘 干质量Mrd的比值。 5.岩石的流变性:岩石的应力—应变关系与时间因素有关的性质,包括蠕 变、松弛和弹性后效。 6.岩石的蠕变:当应力不变时,变形随时间增加而增长的现象。 7.岩石的松弛:当应力不变时,变形随时间增加而减小的现象。 8.弹性后效:加载或卸载时,弹性应变滞后于应力的现象。 9.岩石的各项异性:岩石的全部或部分物理力学性质随方向不同而表现出 差异的现象 10.岩石的粘性:物体受力后变形不能在瞬间完成,且应变速率随应力增 加而增加的性质 11.弹性:物体在受外力作用的瞬间即产生全部变形,而去除外力(卸载)后又能立即恢复其原有形状和尺寸的性质。 12.塑性:物体在受力后变形,在外力去除(卸载)后变形不能完全恢复的性质。 13.岩石的扩容:岩石在压力作用下,产生非弹性体积变形,当外力增加 到一定程度,随压力增大岩石体积不是减小,而是大幅增 加,且增长速率越来越大,最终导致试件破坏。这种体积 明显扩大的现象称为扩容。 14.岩石的长期强度:在岩石承受荷载低于其瞬时强度的情况下,如持续 作用较长时间,由于流变作用岩石也可能发生破坏, 因此岩石的强度是随外载作用时间的延长而降低。 通常把作用时间趋于无穷大的强度(最低值)称 为岩石的长期强度。 15.岩石的质量系数(RQD):钻探时长度在10cm(含10cm)以上的岩芯 累积长度占钻孔总长的百分比。 16.岩石的抗冻系数(cf):经冻融实验后,岩样抗压强度的下降值与冻融 前的抗压强度的比值 17.岩石的裂隙度(K):指沿取样线方向单位长度上的节理数量。18.岩石的软化系数():饱水岩样的抗压强度与自然风干岩样的抗压强 度之比。 19.岩石的泊松比():岩石的横向应变与纵向应变的比值称为泊松 比 20.龟裂系数(完整性系数):弹性纵波在岩体中的传播速度与在岩石中的 传播速度之比的平方。 21.等应力轴比:使巷道周边应力的均匀分布时的椭圆长短轴之比。22.零应力轴比:巷道设计时,不出现拉应力的椭圆长短轴之比。23.地应力:存在于地层中的未受工程扰动的天然应力。(原岩应力)24.次生应力:岩体开挖扰动后,应力重新分布而产生的地压。 25.变形地压:由于岩体变形,应力重新分布而产生的地压。 26.膨胀地压:粘性吸水矿物吸水后产生膨胀而对支架产生的力。27.边坡崩塌:边坡表层岩体突然脱离母体,迅速下落且堆积子坡脚下,伴随岩石的翻滚和破碎。 28.边坡稳定系数(F):沿最危险破坏面作用的最大抗滑力(或力矩)与 下滑力(或力矩)的比值。 即F=抗滑力/下滑力 29.岩石的边坡倾倒:有一组倾角很陡的结构面,将岩体切割成许多相互 平行的块体,而临近坡面的陡立块体缓慢地向坡外弯 曲和倒塌。 30.岩爆:岩石破坏后尚剩余一部分能量,这部分能量突然释放就会产生v 岩爆(冲击地压) 问答题 1.单轴压缩条件下岩石的全应力—应变曲线可将岩石的变形分成哪四个阶 段?各阶段的特征是什么? 答:可分成孔隙裂隙压密阶段(OA段)

管柱力学

第一章管柱结构及力学分析 1.1水平井修井管柱结构 1.1.1修井作业的常见类型 修井作业的类型很多,包括井筒清理类的、打捞落物类的、套管修补类的。 1)井筒清理类 (1)冲砂作业。 (2)酸化解堵作业。 (3)刮削套管作业。 2)打捞类 (1)简单打捞作业。 (2)解卡打捞作业。 (3)倒扣打捞作业。 (4)磨铣打捞作业。 (5)切割打捞作业。 3)套管修补类 (1)套管补接。 (2)套管补贴。 (3)套管整形。 (4)套管侧钻。 在各种修井作业中,打捞作业约占2/3以上。井下落物种类繁多、形态各异,归纳起来主要有管类落物、杆类落物、绳类落物、井下仪器工具类落物和小零部件类落物。1.1.2修井作业的管柱结构 1)冲砂:前端接扶正器和冲砂喷头。

图1 冲砂管柱结构2)打捞:直接打捞,下常规打捞工具。 图2 打捞管柱结构3)解卡:水平段需下增力器和锚定器。 图3 解卡管柱结构

4)倒扣:水平段需下螺杆钻具和锚定器。 图4 倒扣管柱结构5)磨铣:水平段需下螺杆钻具、锚定器和铣锥。 图5 磨铣管柱结构6)酸化:分段酸化需下封隔器。 图6 分段酸化管柱结构

1.1.3刚性工具入井的几何条件 在水平井打捞施工中,经常使用到大直径、长度较大的工具,工具能否顺利通过造斜率较大的井段是关系到施工的成败关键,对刚性工具,如果工具过长或工具支径过大,工具通过最大曲率处将发生干涉。 对于简单的圆柱形工具,从图7可以得出工具通过最大曲率井段的极限几何关系为: 22)d 2/D R (2)/D (R 2L +--+= 式中:L —工具长度;R —曲率半径;D —套管直径;d —工具直径。 图7 简单工具入井极限几何关系 图8 刚性工具串入井极限几何关系 对于复杂外形的工具或刚性工具串,从图8可以得出工具通过最大曲率井段的极限几何关系为: 222212)2 d 2d 2D R ()2D R ()2d 2d 2D R ()2D (R L ++--++++--+ = 式中:L —工具长度;R —曲率半径;D —套管直径;d —工具中部直径;d 1—工具上端直径;d 2—工具下端直径。 1.2修井管柱力学分析 1.2.1修井管柱工况分析 1)修井作业管柱受力类型 (1)上提或下放作业。 上提下放过程中,管柱可能受到的力有:套管压力、油管压力、大钩拉力、重力、浮力、接触反力、摩擦力、抽吸作用力、惯性力。

岩石力学发展史

岩石力学是伴随着采矿、土木、水利、交通等岩石工程的建设和数学、力学等学科的进步而逐步发展形成的一门新兴学科,按其发展进程可划分四个阶段: (1)初始阶段(19世纪末~20世纪初) 这是岩石力学的萌芽时期,产生了初步理论以解决岩体开挖的力学计算问题。例如,1912年海姆(A.Heim)提出了静水压力的理论。他认为地下岩石处于一种静水压力状态,作用在地下岩石工程上的垂直压力和水平压力相等,均等于单位面积上覆岩层的重量,即γH。朗金(W.J.M.Rankine)和金尼克也提出了相似的理论,但他们认为只有垂直压力等于γH,而水平压力应为γH乘一个侧压系数,即λγH。朗金根据松散理论认为;而金尼克根据弹性理论的泊松效应认为。其中,λ、υ、φ分别为上覆岩层容重,泊松比和内摩擦角,H为地下岩石工程所在深度。由于当时地下岩石工程埋藏深度不大,因而曾一度认为这些理论是正确的。但随着开挖深度的增加,越来越多的人认识到上述理论是不准确的。 (2)经验理论阶段(20世纪初~20世纪30年代) (3)该阶段出现了根据生产经验提出的地压理论,并开始用材料力学和结构力学的方法分析地下工程的支护问题。最有代表性的理论就是普罗托吉雅柯诺夫提出的自然平衡拱学说,即普氏理论。该理论认为,围岩开挖后自然塌落成抛物线拱形,作用在支架上的压力等于冒落拱内岩石的重量,仅是上覆岩石重量的一部分。于是,确定支护结构上的荷载大小和分布方式成了地下岩石工程支护设计的前提条件。普氏理论是相应于当时的支护型式和施工水平发展起来的。由于当时的掘进和支护所需的时间较长,支护和围岩不能及时紧密相贴,致使围岩最终往往有一部分破坏、塌落。但事实上,围岩的塌落并不是形成围岩压力的惟一来源,也不是所有的地下空间都存在塌落拱。进一步地说,围岩和支护之间并不完全是荷载和结构的关系问题,在很多情况下围岩和支护形成一个共同承载系统,而且维持岩石工程的稳定最根本的还是要发挥围岩的作用。因此,靠假定的松散地层压力来进行支护设计是不合

高等岩石力学答案

3、简述锚杆支护作用原理及不同种类锚杆的适用条件。 答:岩层和土体的锚因是一种把锚杆埋入地层进行预加应力的技术。锚杆插入预先钻凿的孔眼并固定于其底端,固定后,通常对其施加预应力。锚杆外露于地面的一端用锚头固定,一种情况是锚头直接附着在结构上,以满足结构的稳定。另一种情况是通过梁板、格构或其他部件将锚头施加的应力传递于更为宽广的岩土体表面。岩土锚固的基本原理就是依靠锚杆周围地层的抗剪强度来传递结构物的拉力或保持地层开挖面自身的稳定。岩土锚固的主要功能是: (1)提供作用于结构物上以承受外荷的抗力,其方问朝着锚杆与岩土体相接触的点。 (2)使被锚固地层产生压应力,或对被通过的地层起加筋作用(非顶应力锚杆)。

(3)加固并增加地层强度,也相应地改善了地层的其他力学性能。 (4)当锚杆通过被锚固结构时.能使结构本身产生预应力。 (5)通过锚杆,使结构与岩石连锁在一起,形成一种共同工作的复合结构,使岩石能更有效地承受拉力和剪力。 锚杆的这些功能是互相补允的。对某一特定的工程而台,也并非每一个功能都发挥作用。 若采用非预应力锚杆,则在岩土体中主要起简单的加筋作用,而且只有当岩土体表层松动变位时,才会发挥其作用。这种锚固方式的效果远不及预应力锚杆。效果最好与应用最广的锚固技术是通过锚固力能使结构与岩层连锁在一起的方法。根据静力分析,可以容易地选择锚固力的大小、方向及其荷载中心。由这些力组成的整个力系作用在结构上,从而能最经济有效地保持结构的稳定。采用这种应用方式的锚固使结构能抵抗转动倾倒、沿底脚的切向位移、沿下卧层临界面上的剪切破坏及由上举力所产生的竖向位移。 岩土的锚杆类型: (1)预应力与非预应力锚杆 对无初始变形的锚杆,要使其发挥全部承载能力则要求锚杆头有较大的位移。为了减少这种位移直至到达结构物所能容许的程度,一般是通过将早期张拉的锚杆固定在结构物、地面厚板或其他构件上,以对锚杆施加预应力,同时也在结构物和地层中产生应力,这就是预应力锚杆。 预应力锚杆除能控制结构物的位移外,还有其它有点: 1安装后能及时提供支护抗力,使岩体处于三轴应力状态。 2控制地层与结构物变形的能力强。 3按一定密度布臵锚杆,施加预应力后能在地层内形成压缩区,有利于地层稳定。 4预加应力后,能明显提高潜在滑移面或岩石软弱结构面的抗剪强度。 5张拉工序能检验锚杆的承载力,质量易保证。 6施工工艺比较复杂。 (2)拉力型与压力型锚杆 显而易见,锚杆受荷后,杆体总是处于受拉状态的。拉力型与压力型锚杆的主要区别是在锚杆受荷后其固定段内的灌浆体分别处于受拉或受压状态。拉力型锚杆的荷载是依赖其固定段杆体与灌浆体接触的界面上的剪应力(粕结应力)由顶端(固定段与自由段交界处)向底端传递的。锚杆工作时,固定段的灌浆体易出现张拉裂缝.防腐件能差。

车辆静荷载作用下沥青路面力学响应分析

车辆静荷载作用下沥青路面力学响应分析 发表时间:2019-05-22T16:56:02.993Z 来源:《防护工程》2019年第3期作者:林井权 [导读] 半刚性基层沥青路面是现在沥青路面的主要形式之一。我国现行路面设计方法采用竖向静荷载下弹性多层体系理论,本文采用Ansys10.0建立静载模型的形式,来探讨在竖向静载作用下路面的受力变形特性。 核工业西南勘察设计研究院有限公司 摘要:半刚性基层沥青路面是现在沥青路面的主要形式之一。我国现行路面设计方法采用竖向静荷载下弹性多层体系理论,本文采用Ansys10.0建立静载模型的形式,来探讨在竖向静载作用下路面的受力变形特性。结论表明:路面结构的变形主要由上面层承担,其余各层竖向位移较小。底基层层底为该类结构最不利受力层位。 摘要:刚性基层,静载,有限元 Analysis of Asphalt Pavement Response under Static Loading NUCLEAR INDUSTRY SOUTHWEST SURVEY&DESIGN INSTITUTE CO., LTD LIN Jing-quan Abstract:Semi-rigid asphalt pavement is one of the main structure forms of asphalt pavement at present. Nowadays layered elastic theory with vertical dead load applied to elastic multi-layer system is used. The large-scale finite element analysis software Ansys10.0 is used to build the static load pavement model, in order to discuss the stress of the pavement under vertical static load characteristics. The results showed that: Deformation of the pavement structure is mainly composed of upper slab that the rest of the each layer of the vertical displacement is smaller. The bottom of subgrade is the largest stress location. Key words: semi-rigid base; vertical static load; finite element 引言: 随着我国国民经济的迅速发展,公路修建里程也在不断增加,加之车辆的不断增多,路面因行车荷载的作用而引起的破坏已是路面破坏的主要形式之一。虽然目前越来越多的研究开始偏重于行驶中的车辆即动载对路面的影响。但我国现行路面设计方法仍采用竖向静荷载下弹性多层体系理论,且在收费站、停车场、飞机场路面主要承受静载的作用。研究静载对路面的影响仍然具有很大的意义。鉴于此,本文采用大型有限元分析软件Ansys10.0建立静载路面模型,研究路面受力变形特性。 1弹性理论体系基本假设 由不同材料组成的路面结构受荷载的作用,结构将产生变形。虽然应力随时间变化而变化,且卸载后有部分变形不能恢复。但是变形量小,且对于厚度较大、高强度的高等级路面来说,将路面视作线性弹性体,应用弹性层状体系理论分析是合适的。假设如下:(1)路面材料是均匀的,各项同性的。完全连续的线弹性材料。 (2)土基在水平方向与向下的深度方向均无限大,其上面各层厚度有限,水平方向无限大。(3)各层在水平方向无限远处及最下一层无限深处,应力、变形和位移均为零。 (4)层间接触应力和位移连续,或层间仅竖向应力和位移连续,无摩阻力。 (5)不计自重。 2行车荷载的选择 实际轮胎作用在路面上的形状和垂直压力是很复杂,并非多层弹性理论体系中的圆形均布荷载。据大量实验,轮胎形状接近矩形。为便于建立模型,对其进行简化,简化为矩形。 按照面积等效的原理将轮胎作用于地面形状进一步简化为正方形即车轮与路面接触面为189mm189mm的正方形,接触面积为35633。计算荷载采用沥青路面现行设计中的标准双轮轴载100KN,轮胎压强0.7MPa。双轮中心距为28.9cm,荷载作用于路面中心。 3静力学有限元模型建立 通常路面结构可视为半无限弹性多层体系,但在有限元的计算中,土基只能取为有限尺寸。路面模型的尺寸(X、Y、Z)为8m7.5m6m。 有限元模型单元采用八节点的SOLID 45 单元,模型采用布尔命令保证层间完全连续。 网格划分时采用映射网格划分方式,具体划分格网后的路面静载模型见图1。

《岩石力学》2017年秋学期在线作业(一)

《岩石力学》2017年秋学期在线作业(一) 一、单选题(共 10 道试题,共 50 分。) V 1. 格里菲斯强度准则不能作为岩石的宏观破坏准则的原因是()。 A. 该准则不是针对岩石材料的破坏准则 B. 该准则没有考虑岩石的非均质的特性 C. 该准则忽略了岩石中裂隙的相互影响 满分:5 分 2. 岩石的变形能力越大,岩石的()越大。 A. 脆性 B. 塑性 C. 刚性 满分:5 分 3. 在地下,岩石所受到的应力一般为()。 A. 拉应力 B. 压应力 C. 剪应力 满分:5 分 4. 岩石的弹性模量一般指()。 A. 割线模量 B. 切线模量 C. 割线模量、切线模量及平均模量中的任一种 满分:5 分 5. 一般情况下,岩石的抗拉强度()抗压强度。 A. 等于 B. 小于 C. 大于 满分:5 分

6. 原地应力状态与工程施工的关系是()。 A. 有关 B. 无关 C. 不确定 满分:5 分 7. 岩石的峰值强度随围压的增加而()。 A. 增大 B. 减小 C. 不变 满分:5 分 8. 已知某岩石的饱水状态与干燥状态的抗压强度之比为0.72,则该岩石()。 A. 软化性强,工程地质性质不良 B. 软化性强,工程地质性质较好 C. 软化性弱,工程地质性质较好 满分:5 分 9. 在原地应力的水平和垂直应力中一般来讲比较大的是()。 A. 垂直应力分量 B. 最大水平主应力分量 C. 最小水平主应力分量 满分:5 分 10. 在应力应变全过程变化曲线的四个阶段中,应变硬化现象发生在哪一阶段()。 A. 微裂隙的压密阶段 B. 线弹性变化阶段 C. 塑性变化阶段 满分:5 分 二、判断题(共 10 道试题,共 50 分。) V 1. 岩石中的孔隙和裂隙越多,岩石的力学性质越好。 A. 错误

钻柱强度计算新方法

钻柱强度计算新方法 韩志勇 (石油大学石油工程系,山东东营257062) 摘要 提出了一种钻柱强度计算新方法。可用于钻柱的强度设计和强度校核。新方法和传统方法相比,有以下五个特点:(1)对钻柱每一个断面都进行强度校核;(2)对管的内壁和外壁分别进行强度校核;(3)利用计算机进行断面上有关内力的计算;(4)用“液压系数”处理液压环境对钻柱轴向力的影响;(5)考虑液压环境引起的附加剪应力的影响。作者认为,“浮力系数”一次不甚恰当,应该用“液压系数”。详细地给出了各种液压环境下钻柱液压系数的计算公式及算例。并指出了新方法所属概念和共识的适用范围。 主题词 钻柱力学;钻井设计;强度;计算 0 引言 对钻柱在垂直井眼、倾斜井眼、弯曲井眼内,以及在循环条件下的轴向力计算问题,以有详细的论述和相关计算公式[1 ~4] 。但对一些问题的论述和钻柱强度计算公式的推导,还 有不完善的地方,本文对此作进一步阐述。文中给出的所有公式,均可按法定计量单位运算。使用常用单位时,应进行换算。 1 钻柱强度计算公式 1.1 安全系数和相当应力计算公式 微段的上断面的内缘处: N i =σs/σei )(3)(2 22ni mi bi a ei ττσσσ+++= 微段的上断面的外缘处: N o =σs/σeo )(3)(222no mo bo a eo ττσσσ+++= 式中,Ni 和No —分别为钻柱计算断面内缘、外缘处的强度安全数;

σs —钻柱钢材的最小屈服极限; σei 和σeo —分别为钻柱计算断面内、外缘处的相当应力; σa —钻柱计算断面上的轴向应力; σbi 和σbo —分别为钻柱计算断面内、外缘处的弯曲应力; τmi 和τni —分别为钻柱计算断面内缘处的扭应力和附加剪应力; τmO 和τnO —分别为钻柱计算断面外缘处的扭应力和附加剪应力; 1.2 轴向应力σa 的计算 σa =σz +σf +σp 式中,σz —由重力和液压力引起的轴向力; σf —钻柱轴向运动摩阻力引起的轴向应力; σp —钻压引起的轴向应力; 1.3 弯曲应力σbo 和σbi 的计算 若已知断面上的弯矩,可用下式计算: )(324 4i o i b bi D D D M ?=πσ ) (3244i o o b bo D D D M ?= πσ 若已知井眼曲率,可用下式计算: K ED i bi 21 =σ K ED o bo 2 1 =σ 若考虑接头影响,可用下式计算: )tanh(2U U K ED i bi =σ ) tanh(2U U K ED o bo =σ 其中,ρ??= L U 2 1 EI F z = ρ 式中,M b —计算断面的弯矩;

岩石力学研究最新进展报告

. 岩石力学研究新进展报告 : XXX 学号:XXXXXXXX 专业:岩土工程

岩石力学研究新进展报告 1 引言 时光如白驹过隙,一学期的《XXXXX》课程在不知不觉间结课了。这一学期的学习,使我在岩石力学方面有了很大的启发,特别是分形理论在岩石力学中的应用令我神往。下面我对岩石力学研究的新进展做简要报告。 岩石力学可以作为固体力学的一个新分支,用以研究岩石材料的力学性能和岩石工程的特殊设计方法。岩石力学经过近50年的发展,在土木工程、水利工程、采矿工程、石油工程、国防工程等领域都得到了广泛的应用,随着科学技术的进步,岩石力学涉及的领域会进一步扩大。岩石力学是一门涵深,工程实践性强的发展中学科。岩石力学面对的是“数据有限”的问题,输入给模型的基本参数很难确定,而且没有多少对过程(特别是非线性工程)的演化提供信息的测试手段。另一方面,对岩体的破坏机体还不能准确的解释。岩石力学所涉及的力学问题是多场(应力场、温度场、渗流场、甚至还存在电磁场等)、多相(固、液、气)影响下的地质构造和工程构造相互作用的耦合问题。这就表明,工程岩体的变形破坏特征是极为复杂的,其大多数是高度非线性的。目前,岩石力学的许多数学模型是不准确和不完整的,可以广泛接受和适用的概化模型并不多。基于此,近年来,多种数值方法、细观力学、断裂与损伤力学、系统科学、分形理论、块体理论等在岩石力学中的应用以及各种人工智能、神经网络、遗传算法、进化算法、非确定性数学等域岩石力学的交叉学科的兴起,为我们提供了全新和有效的思维方式和研究方法,更能激发研究者的创新精神,这也为突破岩石力学的确定性研究方法提供了强有力的理论基础[1]。 本报告主要对分形岩石力学、块体岩石力学、断裂与损伤岩石力学和岩石细

《岩石力学》考研计算题

某均质岩体的纵波波速是,横波波速是,岩石容重,求岩体的动弹性模量,动泊松比和动剪切模量。 解:弹性理论证明,在无限介质中作三维传播时,其弹性参数间的关系式如下: 动泊松比 动弹性模量 动剪切模量G,按公式 计算题(普氏理论,次生应力) 1抗拉强度的公式是什么巴西法p41. St=2P/πD·t=D·t P-劈裂载荷 D、t-试件直径、厚度 2将岩石试件单轴压缩压应力达到120MPa时,即破坏,破坏面与最大主应力方向夹角60 度,根据摩尔库伦准则计算1岩石内摩擦角2正应力为零时的抗剪强度(就是求C) α=45°+ψ;τ=C+fσ=C+σtanψ增加公式Sc=2Ccosψ/(1 - sinψ) 3计算原岩自重应力的海姆假说和金尼克假说的内容和各自的公式p85 海姆假说:铅垂应力为上覆掩体的重量,历经漫长的地质年代后,由于材料的蠕变性及地下水平方向的约束条件,导致水平应力最终与铅垂应力相均衡。 公式:σ1=σ2=σ3=ρgz=γz 金尼克假说:铅垂应力仍是自重应力σz=γz,而水平方向上,均质岩体相邻微元体相互受到弹性约束,且机会均等,故由虎克定律应有εx=[σx-ν(σy+σz)]/E=0 εy=[σy-ν(σx+σz)]/E=0,得到自重力的水平分量为σx=σy=νγz/(1-ν) 例题求在自重作用下地壳中的应力状态:如果花岗岩,泊松比,则一公里深度以下的应力是多少

解:因为地壳厚度比地球半径小的多。在局部地区可以把地表看作一个半平面,在水平方向为,深度也无限。现考 虑地面下深度Z 处的一个微小单元体。它受到在它上边岩、土体重量的压力。在单位面积上,这个重量是 , 其中, 是它上面物体的体积,是物理单位体积的重量,因此: 如果单元体四周是空的,它将向四周膨胀,当由于单元体四周也都在自重作用下,相互作用的影响使单元体不能向四周扩张。即 ; 解之,则得: 对于花岗岩,,一公里深度以下的应力为: 由此可见,深度每增加一公里,垂直压力增加 ,而横向压力约为纵向压力的三分之一。 绪论典型题解 岩石和岩体的概念有何不同 答:所谓岩石是由矿物或岩屑在地质作用下按一定的规律聚集而形成的自然物体;所谓岩体是在一定的地质条件下,含有诸如节理、裂隙、层理和断层等地质结构面的复杂地质体。岩石就是指岩块,在一般情况下,不含有地质结构面。 在力学性质上,岩体具有什么特征 答:岩体具有不连续性、各向异性、不均匀性、岩石块单元体的可移动性、赋存地质因子这五条特征。 ------------------------------------------------------------------- 岩石和岩体的基本物理力学性质典型题解 某岩石试件,测得容重3 /9.1cm kg =γ,比重△=,含水量%29=d ω,试求该岩样的孔隙比v ε,孔隙度n ,饱和度 r S 和干容重d γ。 解:孔隙比:83.019 .1) 29.01(69.21) 1(=-+= -+?= γ ωεd v 孔隙度:%3.45%10083 .0183 .0%1001=?+=?+= v v n εε 饱和度:%9483 .0% 2969.2=?= =ε ω G S r 干容重:)/(47.183 .0169 .213cm g d =+=+?= εγ

钻柱力学特性分析的剪变形理论

!专题研究" 钻柱力学特性分析的剪变形理论 # 易先中## !高德利 (石油大学(北京)石油天然气工程学院)!易志龙(江汉石油管理局第三石油机械厂)! 喻九阳 (武汉化工学院机械工程学院) !!摘要!在现有三维空间钻柱力学基本方程的基础上,考虑横向剪应力和剪应变两因素对钻柱挠曲变形的作用,参照"#$#%&’()*+,-(剪切梁理论,针对空间钻柱受力与变形特征,引入!!和!".个广义位移函数,建立了钻柱力学剪变形理论的通用基本方程。以某水平井一单跨钻柱两端简支情况下的二维横向振动为具体算例,给出了计算公式。该公式综合描述了横向剪切变形和轴向钻压对钻柱横向振动固有频率的影响,是对现有钻柱力学基础理论的补充和完善。!!关键词!剪切变形!剪应力!钻柱力学!计算公式 引!!!言 钻柱力学是石油钻井工程学科领域的重要理论基础。在旋转钻井中,井眼轨迹的形成是钻柱(包括钻头)与地层相互作用的结果,与钻柱的结构组成、钻井工艺参数、已钻井眼的几何形状和待钻地层的特性等诸多因素有关。其中,井下钻柱的力学行为特征,是影响井眼形成的最根本的决定性因素。/#012&,)-&、3#4#567-+8和49"#4(等 人[:]是国外研究钻柱力学的知名学者;国内以白家祉、赵国珍、高德利等人[.;<]的科研成就最为突 出,在钻柱力学和井眼轨迹控制的理论方面取得了丰硕成果。由于井下钻柱与井壁之间接触的边界条件和相对运动关系十分复杂,在钻柱的力学行为分析中,为了简化基本方程的表达形式,常忽略钻柱横向剪应力的影响;有时考虑了横向剪应力而略去了横向剪应变对管柱挠曲变形的影响,虽然所得到的结论能在一定范围内反映钻柱的主要力学特性,但理论精度仍有待提高。例如在定向井、大位移井、延伸井和水平井的弯曲井段,管柱与井壁之间的接触问题的分析中,常出现接触面的中间没有作用力,而在接触面的两端边界存在集中力的奇异现象(即 "#$#%&’()*+,-(梁的接触效应[:,=] )。这是忽略了接 触面上的法向应力和钻柱的横向剪切变形所引起的, 将影响井下钻柱摩阻分析与预测的准确性。 未来的钻井技术朝着:>;:<-’大位移井方向发展,这对钻柱力学的基础研究提出了新的挑战。长达上万米的钻柱在充满钻井液的井下三维狭窄空间中旋转并快速钻进,其工况十分恶劣,运动形态复杂,必须将其静动态特性等进行精确的分析。笔 者在高德利等人[?,<] 建立的三维空间钻柱力学基本 方程的基础上,考虑横向剪切变形和剪应力对钻柱挠曲变形的影响,针对空间钻柱的受力与变形特征,建立了钻柱力学剪变形理论的通用基本方程。 基准坐标系的建立 为了便于分析,文中引入了两个坐标系(如图:)。 (:)笛卡尔地理坐标系#$%&,原点#选在地面井口处,$轴指向地理正北方向,%轴指向地理正东方向,&轴垂直向下;该右手坐标系的单位向量分别为’$ ,($ ,)$ 。 (.)自然曲线坐标系#*+!",原点#*位于空间曲线上的任意一点,+,!和"轴分别指向该曲 — :—!! .>>?年!第@.卷!第@期石!油!机!械 A4BC/$D%EF0DGH H/A4BCDEI !!!!!! ## #国家自然科学基金重点项目(批准号:<>.@?>@>)和AC$A 石油科技中青年创新基金(合同编号:.>>.J>=>:)资助。 易先中,教授,生于:K=@年,:KL=年毕业于西南石油学院,获工学硕士学位。现从事石油钻井工具、机电一体化技术方面的研究。 本刊通讯员。地址:(?@?>.@)湖北省荆州市。电话::@=L@>:。高德利为第四作者。 (收稿日期:.>>@9><9.L ) 万方数据

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