天然气水合物钻探取样保真系统力学行为数值研究

【摘要】：深海天然气水合物的无扰动保真取样是通过大尺寸绳索取样专用钻柱带动刮刀钻头旋转实现的。钻探取样过程中,钻柱的安全可靠性以及钻头对水合物岩层的扰动情况直接关系到能否成功获取海底天然气水合物实物样品。论文结合课题组多年对天然气水合物取样设备的研究成果,主要运用数值模拟及理论计算的方法对天然气水合物保真取样系统的力学行为进行深入研究。 论文首先对大尺寸绳索取样专用钻柱进行静态有限元分析。在忽略动态因素的前提下,对钻柱进行受力和变形分析,找出钻柱应力集中部位,即危险截面。并分析了扭矩、钻压、转速等因素对钻柱受力的影响,得出钻柱等效应力变化规律及挠度变形情况。 论文在忽略钻头几何尺寸的前提下,对钻柱的振动模态进行分析,得到钻柱振动的前10阶固有频率,确定钻柱发生共振的临界转速,并分析钻柱壁厚、钻铤长度对固有频率的影响,为防止钻探取样过程中钻柱发生共振提供理论依据。 论文在考虑惯性力和阻尼作用的影响的基础上,对钻柱进行瞬态动力学分析,研究钻柱在随时间变化的载荷下轴向位移随时间变化的规律,并分析了转速对横向波动范围的影响。 论文通过设置钻头与水合物地层之间的刚-柔接触模拟取样过程,对取样过程中钻头对水合物地层的扰动情况进行了模拟分析。研究钻探取样过程中钻头对水合物岩层的扰动率,并提出减小扰动的措施。 最后,论文对钻探取样过程进行瞬态热应力分析。在天然气水合物钻探取样过程中,由于钻头与天然气水合物地层之间存在切削摩擦作用,会产生大量的热能,摩擦热量直接影响天然气水合物的原位状态,造成水合物分解。对刮刀取样钻头和水合物地层之间的这种切削摩擦过程进行瞬态热应力分析,确定钻进过程中温度变化情况,有助于了解这种影响程度,并为海底天然气水合物保温取样提供参考。 【关键词】：天然气水合物 保真系统 力学行为 振动模态 瞬态动力学
【学位授予单位】：中国石油大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：TE952
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 绪论11-19
• 1.1 课题来源及研究意义11-12
• 1.1.1 课题来源11
• 1.1.2 研究意义11-12
• 1.2 国内外研究现状12-17
• 1.2.1 天然气水合物及其取样设备研究现状及进展12-15
• 1.2.2 钻柱力学研究现状及进展15-17
• 1.3 课题研究内容17-19
• 第二章 有限元分析理论基础19-25
• 2.1 有限元分析概述19-20
• 2.1.1 有限元分析数值方法19-20
• 2.1.2 有限元方法的基本步骤20
• 2.2 有限元力学分析理论基础20-22
• 2.2.1 力学平衡方程20-21
• 2.2.2 钻柱力学分析方法21-22
• 2.3 摩擦接触非线性理论22-24
• 2.3.1 两种摩擦接触理论22-23
• 2.3.2 摩擦接触有限元方程23-24
• 2.4 小结24-25
• 第三章 钻柱系统静态有限元分析25-40
• 3.1 钻柱结构及参数25-26
• 3.1.1 钻柱结构组成25
• 3.1.2 钻柱结构参数25
• 3.1.3 钻井参数25-26
• 3.2 钻柱受力分析26-30
• 3.3 钻柱静态有限元分析30-39
• 3.3.1 ANSYS 静力学分析流程31
• 3.3.2 钻柱静力学基本方程31
• 3.3.3 基本假设31-32
• 3.3.4 建立有限元模型32-33
• 3.3.5 约束及加载33
• 3.3.6 结果分析33-39
• 3.4 小结39-40
• 第四章 钻柱系统振动模态分析40-52
• 4.1 钻柱振动非线性动力学分析40-41
• 4.1.1 基本假设40
• 4.1.2 钻柱系统振动特征方程40-41
• 4.2 钻柱振动模态分析41-45
• 4.2.1 选择单元41-42
• 4.2.2 振动模型结构参数42-43
• 4.2.3 建立有限元模型43
• 4.2.4 加载求解及后处理43-45
• 4.3 钻杆厚度对钻柱固有频率的影响45-46
• 4.4 钻铤长度对钻柱固有频率的影响46-49
• 4.5 避免钻柱共振研究49-51
• 4.6 小结51-52
• 第五章 钻柱系统瞬态动力学分析52-57
• 5.1 钻柱瞬态动力平衡方程及理论求解方法52-53
• 5.2 钻柱瞬态动力学分析53-56
• 5.2.1 瞬态动力学分析步骤53-54
• 5.2.2 结果后处理54-55
• 5.2.3 模拟结果正确性验证55-56
• 5.3 小结56-57
• 第六章 钻头钻探取样过程的有限元分析57-76
• 6.1 有限单元法模拟钻探取样过程的基本原理57-59
• 6.1.1 水合物地层的屈服破坏准则57
• 6.1.2 接触单元本构模型57-58
• 6.1.3 接触刚度的概念58-59
• 6.2 取样钻头与水合物地层相互作用的有限元分析59-69
• 6.2.1 问题描述59
• 6.2.2 水合物地层模型尺寸的确定59-61
• 6.2.3 模型参数及建模61-62
• 6.2.4 结果分析62-65
• 6.2.5 最佳参数选择65-68
• 6.2.6 减小扰动措施68-69
• 6.3 钻探取样过程温度场研究69-74
• 6.3.1 基本假设69
• 6.3.2 热力学参数69-70
• 6.3.3 建模及加载70-71
• 6.3.4 求解及结果分析71-72
• 6.3.5 基于相平衡的天然气水合物的保温机理研究72-74
• 6.4 小结74-76
• 第七章 结论与展望76-78
• 7.1 结论76
• 7.2 展望76-78
• 参考文献78-82
• 附录82-85
• 攻读硕士期间取得的学术成果85-86
• 致谢86

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