广义边界下含双相流水平井钻柱频率特性分析

钻柱在内流作用和旋转因素的影响下容易产生耦合振动,发生疲劳失效。本文基于微分求积法（DQM）对含双相流水平井钻柱耦合动力学特性进行了研究。利用扩展的Hamilton变分原理建立了计入内流、轴向压力及旋转等因素影响的水平井钻柱动力学方程。在振动问题中考虑了广义边界条件,通过改变边界等效弹簧刚度将模型简化为简支、悬臂等简单边界条件模型进行研究。通过分析旋转角速度、轴向压力、液相流速、气体体积分数等因素对模型频率特性的影响,得到了无量纲固有频率随不同参数变化的特征曲线。分析结果表明：不同边界条件下模型的频率特性曲线有很大的差别;气体体积分数对临界流速的影响在悬臂管系统中表现的更为明显;在简支管模型中,随着轴力的增大会产生模态耦合颤振。此外,通过液相流速和旋转角速度的频率云图展示了两种因素对钻柱频率特性的影响。     

旋转输流管中管结构强迫振动的格林函数解

基于Hamilton原理建立了计入气-液双相流、轴向外载及自旋角速度影响的管中管动力学控制方程。采用格林函数法,获得了系统双向耦合振动的解析解,得到的四个格林函数基础解适用于各种边界条件。首先验证了此方法的可靠性,然后利用系统的格林函数解,分析了内流气体体积分数、双相流流速、轴向压力、弹簧刚度系数等参数对管中管系统动力学特性的影响。结果表明,旋转系统在非受力向产生了响应,且各参数对系统的响应有着明显的影响;流速和转速的共同作用使得耦合系统产生了特殊的共振带,工程中需要选取远离共振带的转速与流速以避免失稳与破坏。     

基于格林函数的多跨钻柱系统的振动特性分析

随着油气勘探开发向着深层、深水及非常规等复杂领域的不断扩展,钻井面临的井况与约束条件更加苛刻,钻柱的动力学特性更加复杂,失效问题频发。该文应用格林函数理论对多跨旋转钻柱双向耦合动力学特性进行了定量分析和研究。考虑多稳定器及不同约束条件,以钻柱整体为研究对象,基于Euler-Bernoulli梁模型和Hamilton原理建立了具有广义边界约束条件及多稳定器的旋转钻柱双向耦合动力学方程。采用分离变量法、Laplace变换及Laplace逆变换求解所获得的振动微分方程,得到了旋转钻柱系统横向振动的格林函数解以及以格林函数为基础的多跨旋转钻柱系统的闭合形式的模态函数及隐式的频率方程。定量地分析了稳定器位置、弹簧刚度系数与稳定器个数对钻柱系统振动特性的影响。数值结果表明:稳定器位置与固有频率的关系曲线中有相应阶次数目的峰值;随着等效弹簧的刚度系数的增大,系统的固有频率随之增大,但当刚度增加到一定值时,系统的一阶和二阶频率将趋于稳定。研究结果有助于深化对多跨旋转钻柱的动力学特性规律的认识,为提高钻速、减少钻柱失效及钻柱钻井技术的应用提供了新的研究方法和理论依据。