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旋转钻柱与钻井液耦合动力学分析方法研究

批准号10672037 学科分类非传染病流行病学 ( H2610 )
项目负责人董玛霞 负责人职称 依托单位东北石油大学
资助金额0.00
万元
项目类别面上项目 研究期限2007 年 01 月 01 日 至
2009 年 12 月 31 日
中文主题词钻柱,钻井液,固液耦合,动力学
英文主题词drilling string, drilling fluid, fluid-struction interaction, dynamics

摘要

中文摘要 根据旋转钻柱的工作状态,建立了旋转钻柱碰撞接触动力学分析模型及方法。建立了不同偏心情况下环空流体力学分析的三维数值模型,揭示了偏心环空流体流动特性及界面力随转速和偏心度的变化规律。考虑旋转钻柱结构和钻井液螺旋流特性,将结构动力学方程、流体连续方程和动量方程耦合,采用变分原理和有限元法,推导了界面力和界面位移的计算公式、迭代格式及收敛准则,建立了钻柱与钻井液耦合系统动力学分析的三维数值模型和计算方法。为了解决管道和环空螺旋流体离散单元多、PC机无法计算的问题,提出了管道和环空流体特性描述数据库,该数据库能够自动记录和提取不同流体段、不同工艺参数下的流体分析结果。设计和建立了垂直旋转管柱和管内外流体耦合系统模拟实验装置,实验研究了转速和流量对旋转钻柱运动状态的影响规律。根据上述模型和理论,编制了钻柱与钻井液耦合系统动力学计算程序,通过算例表明了固液耦合效果,且数值计算结果与实验结果基本吻合,验证了固液耦合理论方法的正确性。本项目的研究完成能够为科学描述钻柱与钻井液耦合系统动力学分析提供理论基础和计算方法,为钻具失效与安全评价、井眼轨道设计与控制等相关技术发展提供强有力的理论支持。
英文摘要 According to the working condition of the rotary drilling string, the model and method have been established for collision and contact dynamic analysis of the rotary drilling string. The three-dimensional fluid dynamics analysis model is established with different eccenters, it is revealed that the variable rule about the eccentric annulus fluid flow characteristics and interfacial force with the speed and eccentricity. In terms of the structure about drilling string and helical flow characteristics about drilling fluid, equations of the structure dynamics, fluid equation of continuity and momentum equation have been coupled, the variation principle and the finite element method are adopted. Thus the calculation formula about the interface force and displacement, the congruent iterative format and convergence criterion have been derived. A three-dimensional numerical model and the computational method have been established about the rotary drilling string and drilling fluid coupled system.In order to solve the problem great quantity element number of the hydraulic pipelines and annular flow and the disability of the PC machine, the characterization database about the hydraulic pipelines and the annular flow is established. The database is able to automatic record and extract the fluid analysis result of different flow fragment and technological parameters. The laboratory simulation test is carried on that is about coupled system of the vertical rotary pipe string and the inside and outside fluid of pipe. It is studied the variable rule of the impact about the rotate speed and the flow rate to the movement condition, Based on the above models and theories, the computer program is compiled about the rotary drilling string and drilling fluid coupled system.The fluid-structure interaction effect was showed by example. The fluid-structure interaction numerical arithmetic result was fundamental coincided with the experimental result. It was verified that the validity of the fluid-structure interaction theoretical method. The project's research and completion provides the theoretic basic and the computational method for the scientific description of drilling string and the drilling fluid coupled system dynamics analysis. It can also provide the powerful theory support for the drilling tool failure and the safety evaluation, the well track's design and control and correlation technological developments.
结题摘要 根据旋转钻柱的工作状态,建立了旋转钻柱碰撞接触动力学分析模型及方法。建立了不同偏心情况下环空流体力学分析的三维数值模型,揭示了偏心环空流体流动特性及界面力随转速和偏心度的变化规律。考虑旋转钻柱结构和钻井液螺旋流特性,将结构动力学方程、流体连续方程和动量方程耦合,采用变分原理和有限元法,推导了界面力和界面位移的计算公式、迭代格式及收敛准则,建立了钻柱与钻井液耦合系统动力学分析的三维数值模型和计算方法。为了解决管道和环空螺旋流体离散单元多、PC机无法计算的问题,提出了管道和环空流体特性描述数据库,该数据库能够自动记录和提取不同流体段、不同工艺参数下的流体分析结果。设计和建立了垂直旋转管柱和管内外流体耦合系统模拟实验装置,实验研究了转速和流量对旋转钻柱运动状态的影响规律。根据上述模型和理论,编制了钻柱与钻井液耦合系统动力学计算程序,通过算例表明了固液耦合效果,且数值计算结果与实验结果基本吻合,验证了固液耦合理论方法的正确性。本项目的研究完成能够为科学描述钻柱与钻井液耦合系统动力学分析提供理论基础和计算方法,为钻具失效与安全评价、井眼轨道设计与控制等相关技术发展提供强有力的理论支持。

成果

序号 标题 类型 作者
1 注水管柱下放摩阻计算 期刊 董峰|李治淼|刘巨保|
2 动力钻具旋转钻井时极限转速计算 期刊 毕春林|李治淼|刘巨保|
3 细长管与管内外流体流固耦合计算效率研究 期刊 刘巨保|张强|霍喜军|
4 偏心环空流体螺旋流的流动特性及界面力分布 期刊 郭帅|栾一秀|罗敏|王琳|
5 管道内旋转细长梁的固液耦合方法研究 期刊 罗敏|王琳|刘巨保|栾一秀|

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