直井内旋转钻柱动力学有限元分析及实验研究

2017年第45卷第12期石油机械CHINA PETROLEUM MACHINERY—7 —◄钻井技术与装备►钻柱-钻头-岩石系统动力学特性研究胡志强1>2祝效华2郝军1姚嘉欣3(1.江汉机械研究所2.西南石油大学机电工程学院3.渤海钻探工程有限公司测井分公司）摘要：钻头、钻柱和岩石系统作为一个整体，其动力学特性相互耦合，相互影响，而现有文 献的研究中大都忽略了整个系统这种动力学耦合。

鉴于此，考虑下部钻具纵横扭动力耦合、钻头 与岩石非线性接触，建立了钻柱-钻头-岩石系统动力学模型。

采用有限元法模拟了三牙轮钻头破 岩钻进的动态过程。

研究结果表明：在三牙轮钻头破岩钻进过程中，钻头与岩石互作用以及由此 引起下部钻具振动均具有明显的非线性和随机性；由于牙轮钻头破岩方式以纵向冲击为主，钻具 纵向振动强于横向，动钻压平均振幅达到静钻压的40%以上；扭转振动可能引起负扭矩现象。

研 究结果为牙轮钻头破岩机理及井下钻具非线性动力学特性的研究提供了新思路。

关键词：牙轮钻头；岩石力学；动力学特性；非线性；振动；有限元法中图分类号：TE921 文献标识码：A doi: 10. 16082/ki.issn. 1001-4578.2017. 12.002Study on Dynamic Characteristics of drill String-drill Bit-rock SystemHu Zhiqiang1,2 Zhu Xiaohua2 Hao Jun1 Yao Jiaxin3(1. Jianghan Machinery Research Institute, CNPC Drilling Research Institute \ 2. School o f Mechanical Engineering, Southwest Petroleum University ； 3. Well Logging Company, BHDC)Abstract : Drill bit，drill string and rock system as a whole，has coupled and interacted dynamic characteris-tics, which is neglected in most of researches. In view of this, considering the coupling of axial and lateral torsion of the lower drilling tool and the non-linear contact between the drill bit and the rock, a dynamics model of drill string-bit-rock system has been established. By using the finite element method, the dynamic process of rock drill­ing by tricone bit has been simulated. The results showed that, the interaction between the drill bit and the rock and the consequent vibration of the lower drilling tool were obviously nonlinear and random in the process of rock drilling by tricone bit. Because the axial impact is dominant in tricone bit drilling rock, and the axial vibration is greater than lateral vibration，the average amplitude of the dynamic weight on bit is 40% more than that of the static weight on bit. Torsional vibration may cause negative torque. The results provide a new idea for the study of the rock breaking mechanism of cone bit and the nonlinear dynamic characteristics of the downhole drilling tool.Keywords ： cone bit ； rock mechanics ； dynamic characteristics ； nonlinear ； vibration ； finite element method到硬度大和研磨性差的岩层时振动尤为剧烈。

利用有限元模型对钻机进行动态分析的研究摘要现在的工作的目的是使用分析和实验的结果发展和改进钻机的有限元分析模型，这种有限元分析已经用在监测将钻机的工作特性修改后对钻机动态的结构的影响；对钻机将有两个研究就进行。

第一个研究是：使用工具对钻机进行冲击来观察这种冲击对钻机的影响的实验已经在进行，通过人们公认对模型的证明我门已经知道这种方法的可行性；为了这一个有限元模型分析的机器，一个计算机程序已经被设计出来。

有限元分析获得的结果是将通过实验得到模型的比较与测量和控制的价值联系起来。

有限元分析模型已经被改进，是由于一个已经使用的有限元分析模型程序的改进。

第二个研究是：模式上的测试已经完成，这种测试包括运用各种任意的声音和模式的刺激。

公认的模式的测试方法被用来作为这种有限元分析模型的证据。

利用I-DEAS软件已经对有限元分析模型的作了分析。

利用FEMtools软件已经对有限元分析模型和实验得到的结果的联系进行了分析，利用以上两种软件已经对有限元分析模型进行了间接的改进。

灵敏度基于对参数估量的技术。

通过以上两种研究，对这种分析模型进行结构和动态的修改。

我们对动态设计的结果和结构和动态的修改相当的满意。

目录1.绪论；2.模型的测试和结论；3.钻机的有限元分析元素的表达；4.有限元分析的结果和实验结果的比较；5.有限元分析的发展；6.利用有限元分析对动态设计的动态和结构的修正；7.结论。

参考文献1．绪论动态设计的目的在于获得想要的机器和构件的动态参数，这些动态参数包括震荡频率，想要得到的结构尺寸和震荡响应，而根本的目的是有一个安静和舒适的环境，高的可靠性和更好的产品质量。

常规的动态设计是通过很多的原形的分析和实验来获得自己想要的参数。

这个设计的缺点是：要进行这个实验和分析需要很多的时间和精力，所以根本就没有效率所言。

然而，新型的有限元分析节省了时间节省了有关的花费。

动态设计所用的各种方法是：实验的模型分析（形态测试和实验确认），模型改进和结构上的，形态上的修改。

竖井地基固结解析理论与有限元分析一、本文概述《竖井地基固结解析理论与有限元分析》一文旨在深入探讨竖井地基固结问题的解析理论与有限元分析方法。

竖井地基作为现代土木工程中的重要结构形式，其固结特性对于工程的安全性和稳定性具有至关重要的影响。

本文将从解析理论和数值分析两个层面对竖井地基固结问题进行全面的研究，以期为相关领域的工程实践提供理论支撑和技术指导。

在解析理论方面，本文将重点研究竖井地基固结问题的基本方程和解析解。

通过建立合理的数学模型，推导出竖井地基固结过程中的应力、应变和位移等关键参数的变化规律，揭示竖井地基固结问题的内在机制。

同时，本文还将对竖井地基固结问题的边界条件和初始条件进行详细的分析，以提高解析解的准确性和实用性。

在有限元分析方面，本文将利用先进的有限元软件对竖井地基固结问题进行数值模拟。

通过构建合理的有限元模型，模拟竖井地基在不同工况下的固结过程，分析竖井地基的应力分布、变形特性和稳定性等关键问题。

有限元分析的结果将为工程设计提供重要的参考依据，有助于优化竖井地基的设计方案和施工工艺。

本文旨在通过解析理论和有限元分析两个层面的研究，全面深入地探讨竖井地基固结问题。

本文的研究成果将为竖井地基的工程实践提供理论支撑和技术指导，具有重要的理论价值和现实意义。

二、竖井地基固结解析理论竖井地基固结解析理论是岩土工程领域中一个非常重要的研究方向，它主要关注于如何通过理论分析和数学模型来描述和预测竖井地基在荷载作用下的固结行为。

竖井地基作为一种常见的基础形式，在各类建筑和工程结构中都有广泛的应用，因此对其固结行为的研究具有重要的理论价值和实践意义。

竖井地基固结解析理论的研究主要基于土力学、弹性力学和渗流力学等基础理论。

在竖井地基固结过程中，土壤颗粒之间的水分在压力作用下逐渐排出，土壤体积发生变化，最终导致地基固结。

这一过程中涉及到土壤的应力分布、变形特性、渗透性能等多个方面的因素。

在竖井地基固结解析理论中，常用的方法包括弹性理论、弹塑性理论和渗流理论等。