（机械电子工程专业论文）套管钻井管柱力学分析综合集成平台开发.pdf

摘要 套管钻井作为一种十分新颖并富有创造性的新技术，已经引起了国内外石油 企业的高度重视。套管钻井中的管柱力学行为，直接关系到套管柱在钻井过程及 后来的完井、固井的安全性和可靠性，并最终影响油气井的正常生产。因此设计 出一款套管柱力学分析软件综合集成平台，具有一定的智能，并能最大程度参与设 计活动的管理及产品数据的维护，减少设计人员不必要的工作，具有重要的理论意 义和实用价值。 本文采用模块化和参数化技术，基于商品化计算机辅助工程软件a n s y s ，在可 视化编程软件d e l p h i7 0 环境下设计出了套管钻井管柱力学分析综合集成软件平 台。本文首先从套管钻井管柱力学分析平台所涉及学科和应用的分析方法着手， 对各力学模块进行力学建模和软件需求分析，得出软件流程。对标准化零件的力 学分析采用参数化建模技术，实现软件自动生成套管钻井管柱、套管螺纹结构等 设计模型。其次，本平台实现了将a n s y s 等商品化软件集成在统一界面下，在统 一的数据库支持下进行数据调度，并以集成方式显示计算结果。本平台基于可视 化、强大功能的d e l p h i7 0 实现了有效的将套管钻井中常用力学分析异构软件模 块有机的集成在一起，实现本综合集成平台各方面的优越功能。 关键词：套管钻井管柱参数化a n s y s 二次开发异构集成数值计算 a b s t r a c t c a s i n gd r i l l i n ga sav e r yc r e a t i v ea n di n n o v a t i v en e wt e c h n o l o g i e s ，h a sa t t r a c t e d d o m e s t i ca n df o r e i g no i lc o m p a n i e sa t t a c hg r e a ti m p o r t a n c e c a s i n gd r i l l i n gs t r i n go f m e c h a n i c a lb e h a v i o ri sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ec a s i n gi nt h ed r i l l i n gp r o c e s sa n dt h e s u b s e q u e n tc o m p l e t i o n ，c e m e n t i n gt h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t y ，a n du l t i m a t e l ya f f e c tt h e n o r m a lp r o d u c t i o no fo i la n dg a sw e l l s t h e r e f o r e ，t h ed e s i g no fac a s i n gs t r i n g m e c h a n i c a la n a l y s i ss o f t w a r ei n t e g r a t i o np l a t f o r m ，h a sas m a r t ，a n dt h eg r e a t e s td e g r e e o fa c t i v i t yi n v o l v e di nt h ed e s i g no ft h ep r o d u c td a t am a n a g e m e n ta n dm a i n t e n a n c e ， d e s i g n e r sr e d u c eu n n e c e s s a r yw o r k ，a ni m p o r t a n t t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lw o r t h t 1 1 i sa r t i c l ei sm o d u l a ra n d p a r a m e t r i c t e c h n o l o g y ， b a s e do nt h e c o m m e r c i a l i z a t i o no fc o m p u t e r - a i d e de n g i n e e r i n gs o f t w a r e ，a n s y s ，i nt h ev i s u a l p r o g r a m m i n g e n v i r o n m e n td e l p h i7 0s o f t w a r ed e s i g n e dc a s i n gd r i l l i n gs t r i n g m e c h a n i c a la n a l y s i so ft h ei n t e g r a t e ds o t t w a r ep l a t f o r m t h i sa r t i c l e f i r s ts t r i n go f e a s i n gd r i l l i n gp l a t f o r ma n a l y s i so f t h em e c h a n i c si n v o l v e di nd i s c i p l i n ea n da p p l i c a t i o n o fa n a l y t i c a lm e t h o d sb e g i nu s i n gp a r a m e t r i cm o d e l i n gt e c h n o l o g y ，s o f t w a r e a u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e ds t r i n go fc a s i n gd r i l l i n g ，c a s i n gt h r e a d ，a n do t h e rd e s i g n m o d e l s s t r u c t u r e t h i sa r t i c l ef i r s ts t r i n go fe a s i n gd r i l l i n gp l a t f o r ma n a l y s i so ft h em e c h a n i c s i n v o l v e di nd i s c i p l i n ea n da p p l i c a t i o no fa n a l y t i c a lm e t h o d sb e g i nu s i n gp a r a m e t r i c m o d e l i n gt e c h n o l o g y ，s o f t w a r ea u t o m a t i c a l l yg e n e r a t e ds t r i n go fc a s i n gd r i l l i n g ，c a s i n g t h r e a d a n do t h e rd e s i g nm o d e l ss t r u c t u r e s e c o n d ，t h i sp l a t f o r mw i l lb ec o m m e r c i a l i z e d ， a n do t l l e ra n s y ss o f t w a r ei n t e g r a t i o ni nau n i f i e di n t e r f a c e ，i ns u p p o r to fau n i f i e d d a 伽a s ef o rd a t am o v e m e n ta n di n t e g r a t i o ni no r d e rt os h o wr e s u l t s b a s e do nt h e p l a t f o r mv i s u a l i z a t i o n ，t h ep o w e ro fd e l p h i7 0t oa c h i e v ea ne f f e c t i v ec a s i n gd r i l l i n g w i l lb e u s e di nm e c h a n i c a la n a l y s i so fh e t e r o g e n e o u ss o f t w a r e m o d u l ei n t e g r a t e s o r g a n i c ，i n t e g r a t e dp l a t f o r mt oa c h i e v et h i si na l la s p e c t s o ft h es u p e r i o rf e a t u r e s k e y w o r d s ：c a s i n gd r i l l i n gs t r i n g p a r a m e t r i ca n s y ss e c o n d a r yd e v e l o p m e n t h e t e r o g e n e o u si n t e g r a t i o n n u m e r i c a l 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名： 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期坦壁：墨：! ： 日期二笔丛生 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 近三十年来，现代科学技术包括计算数学与计算力学理论、图形图象学和计 算机软件与硬件技术均取得了飞速发展，综合运用这些理论和技术形成的现代工 程设计方法一虚拟样机模拟技术亦即计算机辅助工程c a e ( c o m p u t e r - a i d e d e n g i n e e r i n g ) 技术也日趋成熟和完善。c a e 可以有效地缩短新产品的开发与研究 周期，对于提高产品竞争力起着至关重要的作用。c a e 技术的发展使得以前不能 解决或解决十分困难又成本昂贵的工程问题，现在可以轻而易举地得以实现，计 算机数值模拟技术的应用使许多行业实现了“更快、更好、更省 的目标。 石油工业是具有上百年历史的传统工业，c a e 数值模拟技术会给石油工业带 来什么样的影响呢? 从某种意义上说，石油钻井工程与航天工程相类似，地面以 上有井架与钻井动力系统，循环净化系统、后勤安全保障系统等：地面以下包括 钻柱、钻挺、井底钻具组合或井下动力钻具、导向系统、钻头、以及油层目标靶 点等。就井身结构可区分为垂直井、定向井、水平井、多底井、大位移水平井、 侧钻水平井等多种复杂的井身结构。由于钻柱结构受力的复杂性，对于钻井系统 中大到系统结构，小到各个部件的力学性能、静态强度、动力学特性都对钻井系 统产生重要影响，因此将c a e 引进钻井工程是必要和迫切的比1 。 套管钻井作为一种十分新颖并富有创造性的新技术，已经引起了国内外石油 企业的高度重视。以此为课题的科研团队已取得了许多富有实用价值的理论研究 成果，为了及时发挥这些理论成果的应用价值，非常有必要开发一套综合软件平 台，集成所有的理论成果，为本专业的技术人员提供高效，统一的套管钻井套管 柱力学分析，参数优化等综合处理平台。 1 2 钻井力学分析与c a e 的结合现状及前景 1 2 1 套管钻井发展现状 套管钻井系统是一项新的钻井工艺技术，与钻井中传统的钻杆相比，套管柱 具有外径大、壁厚薄、环空间隙小等特点，其特有的性质对套管钻井作业以及后 续作业具有重要的影响。其中，套管钻井中的管柱力学行为，尤其是旋转套管柱 的动力学行为，直接关系到套管柱在钻井过程及后来的完井、固井的安全性和可 靠性，并最终影响油气井的正常生产。因此，套管钻井中的力学行为分析对于套 2 套管钻井管柱力学分析综合集成平台开发 管钻井技术的发展具有重要的意义。目前，与套管钻井配套的钻井工艺及管柱力 学等研究都尚处在起步阶段，需要有针对性地对套管钻井系统所需的套管柱结构 及井身设计进行专门的研究。本文以套管柱力学为基础，借助大型有限元软件 a n s y s 分析技术，通过建立适当的套管钻井中的套管有限元分析模型，并结合钻 井工程实际，分析了套管柱的相关力学性能，为套管柱钻井的技术的进一步发展， 提供力学分析的技术技持。 套管钻井是指用套管代替钻杆对钻头施加扭矩和钻压，实现钻头旋转与钻进。 整个钻井过程不再使用钻杆、钻铤等，钻头是利用钢丝绳投捞，在套管内实现钻 头升降，即实现不提钻更换钻头钻具。减少了起下钻和井喷、卡钻等意外事故， 提高了钻井安全性，降低了钻井成本3 1 。 早在2 0 世纪5 0 年代就有人设想用套管代替钻杆来完成钻井作业，但受当时 的技术和装备条件的限制，很难实现这一设想。在2 0 世纪9 0 年代，由于新技术、 新材料以及电子技术的大发展，促进了石油开采技术不断发展，一大批钻井新工 艺、新工具、新装备涌现出来，套管钻井技术再一次被人们提出来。加拿大t e x c o 公司1 9 9 6 年钻成了第一口套管钻井的试验井，该井为试验场地井，用9 5 8 套管 钻进了1 5 0 米。到2 0 0 0 年底t e s c o 公司采用套管钻井技术一共完成了2 0 多口开发 井，取得了良好的经济效益。 套管钻井的特点 套管钻井与常规钻杆钻井相比具有明显的优势，它是钻井工程的一次技 术性革命，它能为油田经营者带来巨大的经济效益。套管钻井有如下特点： 1 、套管钻井使用标准的油井套管，并使钻井和下套管作业同时进行； 2 、井底钻具组合装在套管柱的下端，可用钢丝绳通过套管内部迅速取出。 在取出过程中可保持泥浆连续循环； 3 、整个钻进过程中，一直保持套管直通到井底，改善井控状况； 4 、套管只是单方向钻入地层，不再起出。除非打完井后确认是干井，可 能要起出最后一段套管柱； 5 、套管钻井可沿用许多已有钻井技术，如定向钻井、注水泥、测井、取 芯和试井等作业； 6 、应用这些技术和原来相比主要区别是不再依靠钻杆，而是靠钢丝绳进 行更换钻头作业； 7 、套管钻井使用标准的油田套管进行，唯一不同的是，套管接箍或螺纹 需要改进，以便提供钻井所需要的扭矩；t e s c o 公司打第一口试验井时选用的 螺纹是( h y d r i l l5 1 1p r e m i u mt h r e a d ) ，接箍则选用改进型加强接箍( m o d i f i e d b u t t r e s sc o u p l i n g ) 。 套管钻井的优点 第一章绪论 3 1 、减少起下钻的时间。用钢丝绳起下更换钻头要比传统的用钻杆起下钻 大约快5 1 0 倍； 2 、节省与钻杆和钻铤有关的采购、运输、检验、维护和更换的费用； 3 、因为井筒内始终有套管，也不再有起下钻杆时对井筒内的抽汲作用， 使井控状况得到改善； 4 、消除了因起下钻杆带来的抽汲作用和压力脉动； 5 、用钢丝绳起下钻头时能保持泥浆连续循环，可防止钻屑聚集，也减少 了井涌的发生； 6 、改善了环空上返速度和清洗井筒的状况。向套管内泵入泥浆时因其内 径比钻杆大，减少了水力损失，从而可以减少钻机泥浆泵的配备功率。泥浆 从套管和井壁之间的环形空间返回时，由于环空面积减小，提高了上返速度， 改善了钻屑的携出状况； 7 、 可以减小钻机尺寸、简化钻机结构、降低钻机费用。原因如下： ( 1 ) 水力参数的改善降低了对钻机泥浆泵功率的需求； ( 2 ) 可以取消二层平台和排放钻杆的钻杆盒； ( 3 ) 不再使用钻杆； ( 4 ) 套管钻井是基于单根套管进行的，不再需要采用类似双根或三根钻 杆构成的立根钻井方式，因此井架高度可以减小，底座的重量可以减轻；对 于深井钻机而言，建造一台基于单根钻井的钻机，其井架和底座要的结构和 重量比基于立根钻井的钻机简单的多。 8 、钻机更加轻便，易于搬迁和操作。人工劳动量及费用都将减少； 9 、根据t e s c o 公司的测算，打一口1 0 0 0 0 英尺的井，可节省钻井时间约 3 0 。 套管钻井允许作业者在钻进的同时下套管和评价油气层，因而大幅度降低了 钻井时间和无法预测的隐患。现场研究证明，利用套管钻井技术钻井，从开钻到 撤走钻机约可节省2 0 - - 一3 0 的钻井时间。陆上和海上的钻井实践证明，套管钻井 能提高油层的产能。钻井实践还证明，在深水钻井中应用套管钻井技术，由于可 以把地层损害、建井成本和修井费用控制为最低，因而可简化油井结构。 1 2 2c a e 结合的必要性 在现代化的石油机械设计工业中，产品的设计愈来愈精细、复杂，市场竞争 要求石油机械设备的性能指标大幅度提高，而a n s y s 这样的c a e 工具，在许多 方面为石油石化企业保持竞争优势提供了强有力的技术保证。a n s y s 软件是第一 个通过i s 0 9 0 0 1 质量认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会 套管钻井管柱力学分析综合集成平台开发 ( a s m e ) 、美国核安全局( n q a ) 及近二十种专业技术协会认证的标准分析软 件，在国内第一个通过了中国标准化技术委员会的认证并在国务院十七个部委推 广使用“1 。 a n s y s 程序提供了两种优化的方法：零阶和一阶方法。零阶方法是一个很完 善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题。一阶方法基于目标函数对 设计变量的敏感程度，因此更加适合于精确的优化分析。这两种方法可以处理绝 大多数的优化问题。 对于这两种方法，a n s y s 程序提供了一系列的分析评估修j 下的循环 过程。就是对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修j 下 设计。这一循环过程重复进行直到所有的设计要求都满足为止。除了以上两种优 化方法，a n s y s 程序还提供了一系列的优化工具以提高优化过程的效率。例如， 随机优化分析的迭代次数是可以指定的。随机计算结果的初始值可以作为优化过 程的起点数值“”。 a n s y s 具有功能强大的疲劳分析能力，疲劳分析具有以下特点：方便的用户 操作面板、丰富的材料数据库、多种的载荷历史组合方式，考虑多种影响疲劳寿 命的圆素、丰富的疲劳分析模型、分析结果的3 d 显示。 图1la n s y s 力学分析图不 c a e 软件肘工程和产品的分析、模拟能力，主要决定于单元库和材料库的丰 富和完善程度，知名c a e 软件的单元库一般都有百余种单元，并拥有一个比较完 善的材料库，使其对工程和产品的物理、力学行为，具有较强的分析模拟能力。 一个c a e 软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库；特别是在并行 计算机环境f 运行，先进高效的求解演算法与常规的求解算法，在计算效率上可 能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异。c a e 软件现己可咀在超级并行机，分布 乡一- |，|筝氢 ，墟。 彳= 一 矿 第一章绪论 式微机群，大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。 c a e 主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的 工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能 和性能的可用性与可靠性。c a e 软件是迅速发展中的计算力学、计算数学、相关 的工程科学、工程管理学与现代计算技术相结合，而形成的一种综合性、知识密 集型信息产品 1 。可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂 问题。 1 3 套管钻井力学分析与c a e 的结合前景 c a e 技术的研究始于2 0 世纪5 0 年代中期，c a e 软件出现于7 0 年代初期， 8 0 年代中期c a e 软件在可用性、可靠性和计算效率上已基本成熟。国际上知名的 c a e 软件有n a s t r a n 、a n s y s 、a s k a 、m a r c 、m o d u l e f 、d y n 3 d 等。 但其数据管理技术尚存在一定缺陷；运行环境仅限于当时的大型计算机和高档工 作站。近十多年是c a e 软件的商品化发展阶段，其理论和算法日趋成熟，已成为 航空、航天、机械、土木结构等领域工程和产品结构分析中必不可少的数值计算 工具，同时也是分析连续过程各类问题的一种重要手段。其功能、性能、前后处 理能力、单元库、解法库、材料库，特别是用户介面和数据管理技术等方面都有 了巨大的发展。前后处理是c a e 软件实现与c a d 、c a m 等软件无缝集成的关键 性软件成份；它们通过增设与相关软件( 如p r o e 、c a d d s 、u g 、s o l i d e d g e 以及 s o l i d w o r k s 、m d t 等软件) 的接口数据模块，实现有效的集成；通过增加面向行 业的数据处理和优化算法模块，实现特定行业的有效应用1 。 目前国际上先进的c a e 软件，已经可以对工程和产品进行如下的性能分析、 预报及运行行为模拟： 静力和拟静力的线性与非线性分析包括对各种单一和复杂组合结构的弹性、 弹塑性、塑性、蠕变、膨胀、几何大变形、大应变、疲劳、断裂、损伤，以及多 体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析： 线性与非线性动力分析 包括交变荷载、爆炸冲击荷载、随机地震荷载以及各种运动荷载作用下的动 力时程分析、振动模态分析、谐波响应分析、随机振动分析、屈曲与稳定性分析 等； 声场与波的传播计算 包括静态和动态声场及噪音计算，固体、流体和空气中波的传播分析，以及 稳态与瞬态热分析( 传导、对流和幅射状念下的热分析，相变分析等) ，静态和 交变态的电磁场和电流分析( 电磁场分析、电流分析、压电行为分析等) ，流体 6 套管钻井管梓力学分析综合集成平台开发 计算( 常规的管内和外场的层流、端流等) 等。 c a e 技术的发展趋势将体现在以下几方面： 真三维图形处理与虚拟现实 随着专用于图形和多媒体信息处理的高性能d s pj f j ! j = 片的发展，p c 机的图形处 理能力近两年会有成百倍的提高，再加上三维图形算法、图形运算和参数化建模 算法的发展，快速真三维的虚拟现实技术将会成熟。因此c a e 软件的前后处理系 统将会在复杂的三维实体建模及相关的静态和动念图形处理技术方面有新的发 展，例如复杂的三维实体建模及相应的自适应有限元剖分，复杂的动态物理场的 虚拟现实与即时提示等。 面向对象的工程数据库及其管理系统 高性能价格比的大容量存贮器及其高速存取技术在迅速发展，p c 机的硬盘容 量很快将由g b 量级达到t b 量级，用户将要求把更多的计算模型、设计方案标准 规范和知识性信息纳入c a e 软件的数据库中，这必将推动c a e 软件数据库及其 数据管理技术的发展，高性能的面向对象的工程数据库及管理系统将会出现在新 一代的c a e 软件中。 多相多态介质耦合、多物理场耦合以及多尺度耦合分析目前的c a e 软件，都 仅限于宏观物理、力学模型的工程和产品分析，虽然有少数软件涉足了微机电系 统分析，但其物理力学模型尚存在一定问题。值得指出的是：对于多物理场的强 耦合问题、多相多态介质耦合问题，特别足多尺度模型的耦合问题，目前尚处于 基础性前沿研究阶段。但是，它们已成为国内外科学家的重点研究课题，由于其 强烈的工业背景，基础研究的任何突破，都会被迅速纳入c a e 软件，不久的将来， 将形成从材料性能的预测、仿真，到构件与整个产品性能的预测、仿真，集计算 机辅助材料设计制备，到工程或产品的设计、仿真与优化于一体的新一代c a e 系 统。 适应于超级并行计算机和机群的高性能c a e 求解技术c a d c a e c a m 已成 为技术人员实施技术创新的得力工具，每秒千亿次、万亿次、千万亿次及量子计 算机即将诞生，分布式并行计算机群即将投入使用，为适应这种情况，新型的高 精度和高效率并行算法正被研究，一些实用的新算法将不断问世。这些新的高性 能算法必然会被做成c a e 的软件模块，使其在对复杂的工程或产品仿真时，能够 充分发挥超级并行计算系统的软、硬件资源，高效率和高精度地获得计算结果。 o u l 4 - 多媒体的用户介面 伴随着计算机图形用户介面( g u i ) 和联机共用的图形与数据库软件的发展， 狭义的语音输入输出已成现实，计算机视觉系统很快能在一定范围内分析体态、 眼神和手势，不久的将来会听、看、说、写和学习的计算机将问世，这些多媒体 技术一定会使未来c a d c a e c a m 软件的用户介面具有更强的直观、直感和直觉 第一章绪论 7 性，c a e 软件将来不仅具有常见的弹出式下拉菜单，对话框、工具杆和多种数据 导入的宏命令，还要开发若干专用的智能用户介面，帮助用户选择单元形态，分 析流程，判断分析结果等，使某些专业用户使用c a e 软件，就像使用“傻瓜相 机一样，具有一按即得的功效d 1 。 1 4 本文课题来源及意义 套管钻井作为一种十分新颖并富有创造性的新技术，已经引起了国内外石油 企业的高度重视。以西安石油管材研究所杨龙教授等为课题负责人的科研团队完 成了“套管钻井管柱力学研究”项目，取得了很多富有实用价值的理论研究成果， 为了及时发挥这些理论成果的应用价值，非常有必要开发一套综合软件平台，集 成所有的理论成果，为本专业的技术人员提供高效，统一的套管钻井套管柱力学 分析，参数优化等综合处理平台。 1 5 本文所做的工作 “套管钻井管柱力学分析软件包”是在石油管力学与环境行为重点实验室杨 龙等人完成的“套管钻井管柱力学研究 之研究成果的基础上进一步开发形成的 一套计算软件，目的在于“对套管钻井及完井中的管柱力学及套管的适用性进行 研究 。该软件包主要完成五个方面的任务： 1 ) 本文在论述了现代钻井发展的过程及研究现状的基础上，分析了以往钻井软 件平台的不足和优点，提出了一个基于提高运算效率和无缝集成的综合分析 运算平台的必要性； 2 ) 研究了套管钻井的主要力学分析方面：套管钻井套管柱屈曲和弯曲行为分析、 套管钻井套管柱摩阻和扭矩计处算、套管钻井含磨损等缺陷套管的剩余强度 分析、套管钻井用套管柱疲劳强度，疲劳寿命预测、套管钻井用套管螺纹接 头疲劳强度，疲劳寿命预测、套管钻井作业参数优化选择、“套管螺纹接头有 限元分析和“套管钻井套管柱振动分析； 3 ) 对以上的各个模块进行力学建模和需求分析，提出综合软件平台的大的架构， 对各个模块进行分解模块化编程； 4 ) 基于商品化c a e 软件a n s y s ，提出了集成c a e 和数据库进行参数化设计和 二次开发综合系统。重点研究了系统的总体设计思想及关键技术，使用d e l p h i 开发环境和a n s y s 的二次开发语言a p d l 集成出了a n s y s 的主菜单和有 限元分析的主界面，设计出了方便用户使用的菜单模块；并在软件中使用s q l s e r v e r 和a c c e s s 两个数据库来管理大量的数据，进行动态修改和显示，还配 套管钻井管柱力学分析综合集成平台开发 以d b c h a r t 来动态图形显示计算结果，方便更直观理解分析结果； 5 ) 每个任务形成一个模块，所有模块汇聚在一个统一的w i n d o w s 环境中，形成 综合分析平台，以方便用户使用。 第二章套管钻井力学模型建立和分析 9 第二章套管钻井力学模型建立和分析 油气井杆管柱在充满流体的狭长井筒内工作，在各种交变应力的作用下，处 于十分复杂的变形和运动状态之中。对油气井管柱进行系统的、准确的力学分析 具有重要的工程实用意义。鉴于此，本文对近年发表的文章中有关钻柱力学研究 的数学模型、主要结论以及存在的问题进行总结分析，对于今后管柱问题的研究 提出一些建议。 2 1 钻井力学建模 钻柱是快速优质钻井的重要工具，它是连通地面与地下的枢纽。在钻井时是 靠它来传递破碎岩石所需的能量，给井底施加钻压，以及向井内输送钻井液等。 合理的钻井技术参数及其它技术措施，只有在正确使用钻柱的前提下才能实现。 过分的简化或者添加不必要的边界条件将对管柱力学的研究起到制约甚至是阻碍 的作用，有些甚至是错误的。目前油气井管柱研究大致从三方面进行：1 、理论研 究：油气井杆管柱力学建模及数值计算；2 、实验研究：油气井杆管柱的实验及现 场数据分析；3 、成果应用：井眼轨道优化控制、杆管柱的优化设计和强度校核、 井下问题准确诊断和处理、钻采设备和工作参数优选、应用软件的编制等方面 1 0 l 。 2 1 1 轴向力和扭矩下的螺旋屈曲 管柱缩短量、弯曲应力值、估算锁死条件和临界强度条件等，是钻井、完井 过程中必须考虑的问题。广泛应用的力与螺距关系是通过最小势能原理推出来的。 m i t c h e l l 通过引入摩阻的影响改进了l u b i n s k i w o o d s 模型，以前的屈曲模型和后屈 曲模型都没有考虑扭矩的影响。下面分析了长管柱在轴向力和扭矩作用下的螺旋 屈曲，推导了轴向力一扭矩一螺距关系式、侧向接触力和管柱缩短表达式，对扭矩 的影响进行了分析 1 1 - - 1 3 。 数学模型 在模型推导过程中做了如下假设： 1 ) 管柱屈曲后为螺旋形；2 ) 管柱足够长，端点条件不影响轴向力一扭矩一螺距 关系式；3 ) 应用细长梁理论简化弯矩与曲率关系；4 ) 井眼圆直；5 ) 忽略摩阻影响； 6 ) 变形能只考虑弯曲应变能。 螺旋线中心线方程为： x = r c o s f l( 2 - 1 ) 竺 套管钻井管柱力学分析综合集成平台开发 一_ 二一 y = r s l n z = 去p 为建立线性系统的稳态临界值，需考虑总势能，即 v = 一q f q ， 其中弯曲应变能，q f 和q r 是外载和扭矩的势能。 把q f 和q r 代入总势能，得 y ：8 r c 4 r _ 2 一e i l 一，2 7 1 2 r = f l 一4 7 9 3 r 2 t i , p 4p 2 p 3 方程2 - 5 把管柱屈曲总势能作为p 和r 的函数。稳定平衡的充分必要条件是万y ：0 和万2 v o 。如果万2 v 0 ( 压缩) 且t 0 满足方程2 1 5 ，二阶导数总 大于零，表示随遇平衡。 这是坷以计算横向载荷如下。 横向载荷 管柱与井壁之间的接触力可由罢表示。在推导2 1 3 过程中由于假设i o v ：o ， 接触力消失。在推导2 - 1 5 过程中单位长度的侧向力为： 办：16 z 1 4 r e l 一4 z 2 丁r f 一一8 7 r 3 广r t ( 2 - 2 0 ) 忙丁一1 厂一1 r 把方程2 - 1 5 中的p 代入方程2 - 2 0 ，得单位和度的侧向力为： h = 一熹( 9 t 2 + a + 6 t , f - a ) ( 3 t 2 + r 历+ 1 6 e i f ) ( 2 2 1 ) ( 1 6 e ) 3 、 其中 a = 9 t 2 + 3 2 e i f 管柱长度变化为： 代入p 后： 址：2 z 2 7 r 2 一l p 三：r 2 l ( 3 t + 9 t 2 + 3 2 e i f 一) 2 12 8 ( e i ) 2 扭矩对弯曲应力的影响： 吒2 d r ( 9 t 面16 面e l f 广一3 t , , a ) 2 + 2 1 2 斜直井段套管柱屈曲行为分析 ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 - 2 4 ) 对屈曲方程应用伽辽金法求解得到了管柱正弦屈曲构型的解析解，利用多尺 第二章套管钻井力学模犁建立和分析 度法得到了管柱螺旋屈曲构型的解析解，所得到的解析解与四阶强非线性屈曲微 分方程的数值解具有非常良好的一致性。并根据z l m i 。0 条件确定了管柱处于三种 平衡状态的载荷范围。 套管柱在斜直圆管中的屈曲微分方程 箬_ 6 ( 参2 窘+ 3 百m r 瓦d o 万d 2 8 + 瓦d 【面f d g ) + q 肌s i n c t d z s i l l 9 = o ( 2 2 5 ) d 0、d z d z ze l d zd z 2 d z 默 e h 、 其中：q 为管柱单位长度的重量；磊为管柱最下端的轴向压力；f 为管柱在z 处的轴向载荷。 f = 坑- q z c o s c t ( 2 2 6 ) 管柱截面内的扭矩为： m z = ma + mn p 2 7 ) 其中鸠：e i r c z ( 牢) ，为管柱屈曲变形引起的附加扭矩。 化 管柱与约束圆管之间的接解力为 = 啦【4 万d 3 0 瓦d o + 3 ( 窘) 2 一( 警) 4 】+ 坼帐警) 3 - 万d s t g j _ + r ( 警) 2 + g s i n 窃c 。s p 为简单起见这里不考虑扭矩对屈曲的影响 无量纲化的管柱屈曲微分方程 唿膈一唣戽名+ 尔卜c o s 唿7 k + q s i n a s i n 0 = 0 ( 2 2 9 ) 其中： = 压吩刀= 毒一号璧胁丽q ， q = q os i n 口 其管柱与约束管壁之间的接触力的无量纲形式为 咒= 4 名”名+ 3 唾一一名一+ 2 ( 1 一c o s 咚”+ qs i l l 口s i n o ( 2 - 3 0 ) 考虑轴向载荷变化时管柱的正弦屈曲结果分析 对于屈曲构型结果的简单形式为： 1 4 套管钻井管柱力学分析综合集成平台开发 0 = 8 ( 1 - c o s 口) 2 一o os i n a 1 2 ( 1 - c o s a ) 2 一o o s i n as i n ( q ) ( 2 3 1 ) 对于管柱在斜直约束圆中的正弦屈曲构型，i t c h e l l ( 1 9 9 6 ) 曾经用数值方法分析 过，其正弦构型的幅值用最小二乘法拟合后的公式为： 钱。= 1 1 2 2 7 ( 1 - 6 孝 c o s a ) 一q os i n a 0 4 6 0 ( 1 一c o s 口) n 0 4 0 ( 2 3 2 ) 为了得到更为精确的管柱正弦屈曲构型，可假设屈曲构型的形式为： 0 = a s i n ( r ) + bs i n ( 3 r )( 2 3 3 ) 其对应的伽辽金方程为： f r ( 岛”一6 0 j 2 岛+ 2 0 。+ gs i n 目) s i n r d r = 0 ( 2 - 3 4 ) r ( 岛懈- 6 e , , 2 岛+ 2 0 + gs i n d s i n ( 3 r ) d r = 0 ( 2 - 3 5 ) 给定管柱处于正弦屈曲状态中任意位置的载荷q ，既可由方法3 1 l 式得到其 相应构型函数中的待定系数a ，b ，从而确定这一位置的构型。结合接触力等于零 的条件，则可通过以下非线性方程组确定管柱保持正弦屈曲构型的极限状态 3 2a 3 + 2 7 a b 2 + 兰, 4 2 b - a + q l ( 彳一昙彳3 一l a b + 吾a 2 b ) = o 6 3 b + 3 2a 3 + 2 7 a 2 b + 2 2 4 _ _ _ 三3b 3 + q l ( b 一1 44 2 b + 1 2 4 彳3 ) = 。( 2 - 3 6 ) - 2 a 2 1 0 8 a b - 3 0 6 8 2 - a 4 1 2 a 3 b 一5 4 a 2 8 2 1 0 8 a b 3 8 1 8 4 + q = 0 求解以上方程组可得 q 幽2 0 5 2 6 6 ， a = 0 58 0 8 ，b = 一0 0 0 410 8 其中q 曲即为管柱保持正弦屈曲平衡状态的上极限值。由此可得管柱保持稳定正 统屈曲构型的载荷范围为 o 5 2 6 6 q 0 ( 2 3 8 ) ， ， 、 历d t 一= 祁( s i n - u c o s f l ) n 。 ( 2 4 2 ) 万d t + 胪= 社( s i n + c o s p ) n 甜( ”+ 1 ) = 材( ”) + a u ( “) 式中： 沙( 甜n ) = f 仃 咖一厂( “月) 一欲( z f ”) - 失衡力向量 巧 ) 们- 弹性刚度矩阵；a r ( a u ”) 一接触力增量 收敛准则为： 屈服准则： s 表2 1 屈服准则 ( 2 6 2 ) ( 2 6 3 ) ( 2 - 6 4 ) ( 2 6 5 ) ( 2 6 6 ) 屈服准则 表达式 说明 t r e s e a q q = j ，( 后) y 材料系数 v o nm i s e s ( 以7 ) “2 = k ( k ) m o h r - c o u l o m b q 一吒= 2 c c o s c p 一( q + o 3 ) s i n 丘p c ：粘聚力 d r u c k p r a g e r 压罄量咖州秽22 蒜要詈咖 缈：内摩擦角 材料在初始屈服后将同时具有弹性和塑性性质，增量加载引起的应变增量为： d q = d e l + d e p 口 q - 6 7 ) 其中弹性应变增量满足广义虎克定律为： 。= 盟2 g + 半磊d ( 2 6 8 ) 套管钻井管柱力学分析综合集成平台开发 式中：吒- 偏应力张量 o k k - 静水压力 磊一k r o n e c k e r 记号 在增量加载中，载荷p 分为m 段，则第m 次载荷为p = 九e 0 ，则增量则度法的 迭代格式为： a u 。”= k r o 。) 】一1 ( 丸昂一g t - 1 ) ( 甜) ) ( 2 6 9 ) u 。”lu 所”一1 + 甜。”( 2 7 0 ) 对于具有足够边界位移约束的两个接触物体q 。和q 。可以写出基本方程： ( 鲁三。 ：，) = 篇，) + 戈。) ( 2 7 1 ) 对于作用在轴对结构上的任意载荷p ( r ，z ，0 ) ，先将它沿坐标轴方向分解为 最( ，z ，秒) ，e z ( ，z ，0 ) ，弓( ，z ，0 ) ，再展开为傅里叶级数为： p r ( r ，z ，d = p r o ( r ，z ) + 尸5 刀( ，z ) c o s l 0 + p a r l ( ，z ) s i n l o i = 1f = l 芝( 郴，护) = p s z o ( r ，力+ 尸 z t ( r ，z ) c o s l o + p a z j ( 厂，z ) s i n l o ，= l1 = 1 p r ( r ，z ，口) = p s r o ( f ，z ) + p m ( ，z ) s i n l o + 尸月尉( ，z ) c o s l o 结构上任一点的位移u ，v ，w ，也可以按傅里叶级数展开： 甜( 啪，秒) = “5 。( 邵) + 甜5 ，( ，z ) c o s l o + “a t ( r ，z ) s i n l o ，_ l1 = i y ( 啪，秒) = 1 ，5 。( 啪) + y 3 ，z ) c o s l 0 + y a l ( ，z ) s i n l 0 1 = 11 = 1 w ( 啪，1 9 ) = w s o ( 叫) + w 。，( ，z ) s i n l 0 + w a i ( ，z ) c o s l o 对于对称弯曲载荷，通过推导可得对称载荷的等效点载荷： ip 脚( ，z ) c o s l oi ) = m p z t ( 即) c 。s 1 0 恤d 9 ip 5 刀( ，z ) s i n l oi ( 2 - 7 2 ) ( 2 7 3 ) ( 2 - 7 4 ) 套管钻井螺纹结构复杂，牙型包括圆、偏梯或者钻柱螺纹，具承受多种载荷， 因此有限元网格划分和数据准备工作量很大。考虑到管柱螺纹己标准化，其结构 尺寸可用参数化表示。这就方便了参数映射变换法进行网格自动划分。 套管钻进螺纹自动建模程序框图如下： 第二章套管钻井力学模型建立和分析 图2 3 套管螺纹有限元建模流程图 自动网格划分时，将子块映射到规则正方形区域中，则正方法区域内各细分 点的局部坐标为： 一1 + ( i - 1 ) 嘉 ， 一1 + ( ，一1 ) 矗 子块内各点的整体坐标为： 7 z ) r t 7 7 ) 缸 式中m ( f ，1 7 ) 为子块的形函数 ( 2 7 5 ) ( 2 7 6 ) 开始 接头尺寸参数 接头牙型参数 接头网格参数 接头工况参数 上 计算管柱接头尺寸 0 生成子块单元拓扑及节点坐标 上 细分网格生成内部节点坐标 占 单元拓扑计算重复节点消除 上 l 搜索接触点约束点载荷作用面并赋值 上 输出有限元数据卡 j 结束 白 ，j、 f卢j、 以 以 。心。陶 = = 厂 z ，、【