基于ANSYS软件的钻柱横向振动分析

（） 虑轴 向力 ， ３考 忽略转 矩 。钻 柱静 态 轴 向载 荷对 钻柱
＊ 收稿 日期 ：０ ９０—９ ２０ －５１
第一作者简介 ： （９ ２） ， 龙尧 １８ 一 四川 阆中人 ， 男 助理工程师， 主要从事井下作业新工艺与新技术的研究和井下钻具机械力学行为方面的研究 。
２１ ０ ０年第 ８期
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西部探矿工程
２ １ 年第 ８ ００ 期
基 于 ＡＮ Ｙ Ｓ Ｓ软 件 的钻 柱横 向振 动分 析
龙 尧 ， 王安义 伍嘉 亨 ， ， 胡立 明
（． １华北油田第一采油厂， 河北 任丘 ０ ２５ ； ． ６５２ ２ 西南石油大学机 电工程学院， 四川 成都 ６ ００ ） １５０
主要 讨论勘察 钻进 中钻柱 的横 向振 动问题 ， 钻进 其 深度一般 都在数千 米 以上 。因此 ， 对着 眼于钻柱 的整体 分析 和研 究而言 ， 了便 于建模及 后续分析 能抓住 主要 为 矛盾 ， 在有 限元建模 时作如 下几点基 本假设 ：
要有 自 、 重 转盘扭矩、 泥浆的压力及浮力 、 以及井底钻头 所受 的轴 向阻力 及 阻力矩 等 。对 钻柱 有 限元 模 型 的约 束及边界条件作如下的假设： １除两接头受井筒限制 （） 外 ， 体部分 不受井 筒 的约束 ；２阻尼很 小 ， 杆 （） 忽略不计 ；
括定义单元类型、 实常数和材料属性 ， 创建节点及单元 等。选用的单元类型为 Ｐ Ｐ ５ 。ＰＰ ５ 单元为单轴 ＩＥ ９ ＩＥ ９ 三维弹性直管单元 ， 可以承受拉、 、 弯 ， 压 扭、 而且能够模
拟管 内外 流 体的力 学影 响 。该单 元 在 每个 节点 上 有平 移 和旋转 ６ 自由度 。在 单 元 中考 虑 了应 力 剐度 和大 个 变形 的影 响 。ＰＰ ５ 单元 非常适 宜用来 模拟钻柱 的实 ＩＥ ９ 际 结构及 工作状况 。由于 通 过密 度 方式 来 体现 均 布质
载荷引起随钻测量仪工具失效［ 。采用 Ａ Ｓ Ｓ有限 １ ］ ＮＹ
元 分析软件 ， 建立钻 柱 的有 限元模 型 ， 用 ＡＮＳ Ｓ软 利 Ｙ 件 中 的模态 分析技术 ， 计算 出钻柱横 向振动 的各阶 固有 频率 及振型 曲线［ 。为 实 际钻 进工 程 采取 减 振措 施 提 ２ ］
供 了有利 的数据 。 ２ 用 Ｙ Ｓ对钻柱 进行 分析的 步骤
加 而减 小。为 实际钻进 工程提 供理论依 据 。
关键词： 钻柱 ； 向振动； 横 固有频率 ； 有限元分析
中图分 类号 ： ２ 文 献标识 码 ： 文章 编号 ：Ｏ ４ ７ ６ ２ １ ） ８ Ｏ ４ —０ ＴＥ ４ Ａ １ ０ —５ １ （Ｏ Ｏ Ｏ 一 Ｏ ２ ３
１ 概述
随着油气 田勘探 开发 不断深 入 ， 深层勘 探成 为探明
钻进 工 程 中， 由方 钻 杆 、 杆 、 铤 等 基本 钻 具 组 钻 钻
成， 并用接头连接起来 的人井管串称为钻柱 。为了便于 后 面 的有 限元建模 及仿真分 析 ， 钻柱 组合采 用较 为简单 的形 式 ： １ ７ ２ ｍｍ 钻杆 ＋ １ ５ ６ ｍｍ 钻铤 。钻柱 的材 料 属性 为弹性模 量 Ｅ一２ １ ０ Ｐ ， ． ×１ ｎ ａ 泊松 比为 ０ ３ 密度 ．，
为 ７ ８ 。 ｇ ｍ３ ． Ｘ１ ｋ ／ 。 ０
量， 比通常采用设置质量方式、 模型更符合实际， 计算精 度更 高 。
２ ２ 加载 求解及后 处理 ．
’
求解 过程包 括选 择 模态 分 析类 型 、 置分 析选 项 、 设
加 载和求 解等 。对 于钻进 中的钻柱 而言 ， 到的载 荷主 受
３ 钻柱横 向振 动 固有频 率分 析
钻 铤是 钻柱 的重要 组成 部分 ， 要用 于给钻 头施加 主
油气储量、 确定油气 田开采重点 的工作之一， 随之而产 生的深井钻具 失效 问题 日益 突 出， 力学 的 角度 分 析 ， 从 钻柱 的强烈振 动是钻 柱严重受 损 的原 因 ， 尤其 是接近井
底 的一段钻柱 横 向振 动 异 常突 出。横 向振 动 引起 的 问 题有 ： 连接 的螺 纹加速 疲 劳而 扭 断 ； 钻头 旋 转 引起早 期 钻头失效 ； 井底 钻具 组 合 （ ＨＡ） Ｂ 同井壁 碰 撞 的 高振 动
摘 要 ： 用 ＡＮＳ Ｓ分析软件 对 ２ ０ ｍ 以 内钻 柱在 垂 直孔 、 考 虑接 头 影响 和 忽略 钻 头 几何 尺 寸 采 Ｙ ００ 不
条件下的整体横向振动进行分析 ， 得到钻铤长度、 钻柱长度对 固有频率的影响及具有意义的一些认 识， 同时获得钻柱横向振动的 １２３ ４５ 、、、 、 阶固有振型。结果表明： 钻柱的横 向振动低阶固有频率随钻 铤长度的增加而增加 ， 而高阶固有频率随着钻铤长度的增加很快又降低 ； 固有频率随着钻柱长度的增
（） １ 井眼轴线为一条直线 ， 井眼横截面为圆形； （）在钻柱运动开始前， ２ 钻柱 的轴线和井眼的轴线 重合 ；
（）不 考虑钻 柱上接 箍及接 头 的几何 形状影 响 ； ３ （）忽 略钻柱底 部钻 头的几何 尺寸 。 ４
２ １ 创 建有 限元模型 ．
由于钻 柱 的结 构 比较 简单 ， 采用直 接建模方式 。包
西部 探矿 工程
３ １ 钻 铤 长度对 固有 频率 的影 响 ．
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固有 频率 影 响很大 ， 能忽 略ｌ 。首 先对 钻柱 进行 静 力 不 ＿ ４ ］
分 析 ， 后对 其进行 横 向振动 固有频率 及振 型 的模 态 分 然 析 。ＡＮＳ ＹＳ的模 态 分 析 技 术 中 提 供 了 子 空 间法 等 ７ 种模 态提 取方 法 。利用 子 空 间 法 可 以求 得 钻 柱 横 向振 动 的各 阶固有 频率 及振 型 。高 于 １ Ｏ阶的钻 柱振 型遇 到 的概 率很 小 ， 以只计 算 到 １ 振型 。 所 ０阶