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基于弹性杆理论的三维弯曲井眼中管柱受力及变形分析

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下入井眼中的管柱因受来自不同大小、方向的力作用而处于复杂的变形状态,要使理论计算得出的结果与实际完全符合是不可能的。所有对管柱受力和变形分析的方法都会对模型做出一定的简化。当模型中考虑的因素过于简单后就无法准确验证、解释在钻井生产中出现的一系列问题,所以作为一个较为理想的模型被广泛使用既要保证能够合理的与实际情况符合,同时还要具备一定的效率,从而为现场的生产实践提供指导。本论文研究的目的在于尝试提出一种新对管柱受力和变形分析的模型—基于弹性杆理论的管柱受力与变形模型,将近几年兴起的用于模拟DNA分子链的弹性细杆理论与管柱力学相结合,形成一套能够在三维条件下模拟管柱受力、变形的方法,验证在实际中出现但现有模型无法解释的问题。 虽然钻井工程中使用的钻柱均为刚性材料,但由于下入长度较大而使管柱处于大变形的状态。弹性杆理论所描述的曲杆具有超大变形且极端细长的特性,与处于井眼中管柱的状态相一致,这就为这一理论与管柱力学相结合提供了依据。同时相较于现有的模拟方法,弹性杆理论具有最明显的优势是将模型直接建立在三维条件下,能够考虑因扭矩而产生的正压力耦合问题。 论文的研究工作主要包括以下几个方面 (1)建立基于弹性杆理论的模型和平衡方程,采用三种不同的方法来求解平衡方程并优选出能够与管柱力学相结合的方法; (2)建立受分布力影响的单跨弹性杆管柱在不同边界条件下受力与变形分析的模型。通过与纵横弯曲梁法计算的结果进行对比、分析,验证本方法的正确性以及两种方法存在不同的原因; (3)建立受井壁约束和分布力影响的多跨弹性杆管柱在不同边界条件下受力与变形分析的模型,并与本课题组的室内实验仪器相结合,验证在不同井眼曲率、扭转角、钻柱尺寸和工况条件下钻柱所受轴向力和扭矩的变化趋势; (4)通过理论模型运算出的结果来验证作用于管柱上的扭矩是否会对管柱的正压力产生影响,从而改变管柱所受的轴向力。 通过尝试将弹性杆理论与管柱力学结合的初步性工作中,证明了弹性杆可以作为一种新的对管柱受力与变形进行模拟、分析的模型,由于该模型的主轴坐标系相切于管柱的截面中心线,所以在解决单跨管柱的大变形问题时不会出现因坐标系近似而产生的误差。通过理论模拟的室内试验装置数据结果可得,在管柱处于井壁约束、三维受力的条件下弹性杆理论计算的结果要比纵横弯曲梁更为准确。最后,通过理论模型运算出的结果表明管柱端部所受到的扭矩大小会影响管柱所受到的正压力,进而改变轴向力的大小。

于凡

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石油钻井 三维弯曲井眼 钻柱结构 受力特征 变形分析 弹性杆理论

硕士

石油与天然气工程

黄根炉、杨春旭

2017

中国石油大学(华东)

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