巖心鉆探中鉆桿扭轉振動特性分析及其應用

1、巖心鉆探中鉆桿扭轉振動特性分析及其應用張明明 【摘要】：巖心鉆探中鉆桿柱的受力情況比較復雜，鉆桿柱受到外界環(huán)境干擾而產(chǎn)生的振動是不可避免的，通常振動主要有四種形式：橫向振動、縱向振動、扭轉振動、耦合振動。不管何種方式的鉆柱振動，對鉆進過程都是有影響的，由扭轉振動而引起的鉆桿柱劇烈共振會導致鉆桿疲勞失效而引起鉆桿的斷裂和鉆頭的損壞，甚至會導致鉆探事故的發(fā)生。 由于傳統(tǒng)彈塑性強度理論和數(shù)值分析法在解釋鉆桿柱振動問題方面比較粗略和復雜，因此有必要找到一種新的研究方法代替，大型有限元分析法正是在這種背景下運用到鉆桿仿真分析中的。 本文主要對巖心鉆探中鉆桿柱的扭轉振動形成機理進行了分析，在此基礎上研究振

2、動對鉆進過程和鉆桿柱自身的不利影響，討論鉆桿柱在交變彎曲應力、徑向周向應力等復合載荷下以型、型裂紋擴展的速率，進行鉆桿柱疲勞壽命的估算。通過選取合適的Ansys有限元單元類型，建立了參數(shù)化鉆桿柱的仿真模型，為提高有限元軟件分析的效率，而使用了APDL語言，直接對模型實常數(shù)賦值，快速得到模型分析結果。 本文在探討理想垂直孔中鉆桿柱扭轉振動特性時，首先建立了與實際鉆進工況相近的鉆桿柱扭轉振動力學模型，求解扭轉振動力學方程，分析振動狀態(tài)下鉆桿柱的運動規(guī)律；并利用Ansys對鉆桿柱的動力學問題進行了分析，主要研究了扭轉振動固有頻率在多種因素（如環(huán)境溫度、泥漿密度、鉆桿與孔壁間隙等）影響下的變化規(guī)律，同

3、時獲得了鉆桿柱前六階的固有振型圖，分析扭轉振動角位移響應結果與鉆孔深度、鉆具組合方式之間的關系等。此外，還研究了線性結構桿柱承受隨時間變化的簡諧載荷時的響應結果，預測鉆桿柱的持續(xù)動力特性。鉆桿柱扭轉振動的有限元分析結果為確定鉆機臨界共振轉速，優(yōu)化鉆進的鉆具組合，鉆桿力學薄弱部位的處理等環(huán)節(jié)提供了參考依據(jù)，對鉆探工程中的防鉆桿共振破壞有著十分重要的指導意義。 基于鉆桿柱扭轉振動的分析成果，探討了大崗山水電站深孔帷幕灌漿孔鉆探工作中鉆桿的振動問題，結合鉆探取心資料和高頻次鉆孔測斜數(shù)據(jù)分析鉆桿的振動對帷幕成孔質量的影響。因鉆柱的振動和鉆孔的傾斜是相互因果的，為保證成孔頂角偏差控制在設計范圍內(nèi)，針對該

4、工程的特點，從不同方面提出了防止鉆桿發(fā)生共振的幾點措施。實踐證明，Ansys鉆桿柱扭轉振動分析成果具有較高的經(jīng)濟價值，極大地提高了鉆探工程的質量，效果顯著?！娟P鍵詞】：扭轉振動 疲勞極限 參數(shù)化鉆桿柱 動力學分析 應用分析 【學位授予單位】：成都理工大學【學位級別】：碩士【學位授予年份】：2014【分類號】：P634.3【目錄】： 摘要4-6Abstract6-11第1章 緒論11-201.1 研究目的和意義11-131.1.1 研究目的11-131.1.2 研究意義131.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-181.2.1 國外研究現(xiàn)狀13-161.2.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀16-181.2.3 發(fā)展趨勢及存

5、在的問題181.3 本論文主要的研究工作及技術路線18-201.3.1 論文的研究工作18-191.3.2 技術路線19-20第2章 鉆柱扭轉振動機理及疲勞破壞對壽命的影響分析20-322.1 鉆柱扭轉振動形成機理分析21-242.1.1 黏滑轉動和蹩鉆21-222.1.2 地層因素222.1.3 鉆柱管材屬性22-232.1.4 鉆探因素23-242.2 扭轉振動對鉆柱的影響24-252.3 扭轉振動下鉆桿壽命的估算25-312.3.1 力學模型262.3.2 鉆柱受力計算26-292.3.3 疲勞破壞下壽命估算29-312.4 本章小結31-32第3章 鉆桿柱扭轉振動有限元分析32-633

6、.1 有限元方法簡介32-333.1.1 概述323.1.2 有限元法的基本步驟32-333.2 鉆桿柱 Ansys 有限元建模33-373.2.1 鉆柱模型相關參數(shù)333.2.2 模型的基本假設33-343.2.3 單元的選取343.2.4 參數(shù)化鉆桿柱模型的建立34-363.2.5 鉆桿柱有限元建模的特點36-373.3 Ansys 有限元振動分析的理論與方法37-393.3.1 扭轉振動分析概述373.3.2 有限元動力分析的理論基礎37-383.3.3 鉆桿柱動力分析步驟38-393.4 鉆柱扭轉振動理論分析39-453.4.1 扭轉振動方程的建立39-413.4.2 扭振固有頻率的計

7、算41-453.5 鉆桿柱扭轉共振狀態(tài)下臨界轉速的確定45-463.6 鉆桿柱扭轉振動固有頻率的 Ansys 有限元分析46-553.6.1 鉆桿柱規(guī)格對扭轉振動固有頻率的影響分析46-473.6.2 鉆桿柱與孔壁間距對扭轉振動固有頻率的影響分析47-483.6.3 鉆孔深度對鉆桿柱的扭轉振動固有頻率的影響分析48-503.6.4 深井高溫對鉆桿柱的扭轉振動固有頻率的影響分析50-533.6.5 鉆井液對鉆桿柱的扭轉振動固有頻率的影響分析53-543.6.6 鉆桿柱材質對扭轉振動固有頻率的影響分析54-553.7 鉆桿柱扭轉振動固有振型的 Ansys 有限元分析55-593.8 鉆桿柱扭轉振動

8、的 Ansys 諧響應分析59-613.9 其他有效減振方法61-623.10 本章小結62-63第4章 鉆柱扭轉振動的工程應用分析63-754.1 場地工程地質條件63-644.1.1 自然地理位置63-644.1.2 水文與氣象644.1.3 地層巖性644.2 大壩帷幕灌漿鉆探工程概況64-684.2.1 鉆孔結構64-654.2.2 鉆探設備及鉆進規(guī)程654.2.3 鉆進中出現(xiàn)的主要問題及分析65-684.3 Ansys 研究鉆桿柱減振措施68-704.4 基于疲勞壽命估算下鉆桿柱合理使用的建議70-714.5 綜合效果評價71-744.5.1 鉆孔質量71-734.5.2 鉆進效率734.5.3 鉆探隊伍綜合素質73-744.6 本章小結74-75結論與展望75-77致謝77-78參考文獻78-81攻讀學位期間取得學術成果81下載全文 更多同類文獻 CAJ全文下載 (如何獲取全文？ 歡迎：購買知網(wǎng)充值卡、在線充值、在線咨