钻柱静力学已能较好描述钻柱的变形,在井眼轨迹控制中具有一定的指导意义,但它忽略了转速的影响。实际钻进中钻柱动力学性能不仅影响钻头轨迹,强烈的振动还有可能造成严重的钻井事故。比如在转速的激励下,钻柱很可能产生高频交变应力而造成疲劳破坏,降低其使用寿命。一旦转速达到某一临界值,钻柱就会产生大的横向位移,造成管柱磨损、井壁失稳等复杂事故。并对钻井地面设备、井眼轨迹控制都会产生严重影响。因此,为了更好地了解钻柱井下动态工作状态和准确预测临界转速,钻柱动力学分析势在必行。 本文以下部钻具组合为研究对象,将下部钻具组合沿钻柱轴线离散为若干个空间直梁单元,建立了单元的三维有限元杆力学模型。通过插值函数和广义位移确定钻柱任一截面位移与节点位移的关系后,结合能量法导出单元的动能和势能,然后求解局部坐标系下单元的刚度、质量、阻尼、载荷及应力矩阵。在此理论基础上,该论文编制了计算下部钻具组合动力响应的包含15个模块的计算机模拟程序,再运用强迫频率理论求解出与转速有关的的等效刚度矩阵,然后对钻头及稳定器边界条件进行了处理,用Gauss—列主元消元法求解动力学方程组,求出系统位移矩阵后,判断每个节点边界约束并对超出井壁约束的点使用约束——放松迭代法处理,结合节点位移及单元应力矩阵求出单元任意截面的弯曲应力。该程序最终输出了BHA在不同转速下的最大径向变形及最大弯曲应力,据此分别绘制出相应的幅频响应曲线后,确定了BHA的临界转速,并绘制了BHA在临界转速下的最大径向变形分量和最大弯曲应力分布图。程序分别对古董—1井现场实例及五种BHA结构进行了动力学计算。 最后,该论文还对下部钻具组合失效的动力学机理进行了分析,同时提出了使用水力加压器及非旋转套式稳定器减振的两种方案。 本文研究成果可为优选现场钻井机械参数、避免钻具组合发生疲劳失效等方面提供理论依据。