转子/定子碰摩系统的非线性模态及其在干摩擦反向涡动响应预测中的应用

为了分析转子/定子碰摩系统中的非线性模态,确定交叉耦合效应对非线性模态的影响以及非线性模态在预测系统干摩擦反向涡动响应中的作用,针对一个考虑了定子运动学特性以及转子和定子间交叉耦合效应的四自由度转子/定子碰摩系统,用解析方法求解了其线性和非线性模态,分析了系统干摩擦反向涡动响应的涡动频率,确定了激发干摩擦反向涡动的临界速度与系统模态之间的关系。分析结果表明:系统存在2个负的线性模态频率;随着碰摩面摩擦系数的增大,其负的非线性模态频率由1个增加到3个;系统的2个负线性模态频率不但是相应非线性模态的边界,也是干摩擦反向涡动频率的上边界;非线性模态存在的最小摩擦系数就是发生干摩擦反向涡动失稳的最小摩擦系数。此项研究可为转子/定子碰摩系统的响应预测提供新的思路。     

底部钻具规则涡动轨迹的内摆线描述方法

为了认识和控制钻井过程中的钻柱涡动,基于几何学原理提出内摆线描述方法.该方法将涡动视为规则运动,从分析钻柱外缘固定点的运动特性入手,求解底部钻具(BHA)与井壁的摩擦接触的运动轨迹方程,确定轨迹上各点的速度,分析钻柱自转和公转速度对底部钻具运动轨迹的影响.结果表明:底部钻具的涡动可能造成钻柱以远高于其自转速度的角速度沿...     

油膜失稳引起的轴承碰摩故障研究

为了研究油膜失稳和转子-轴承碰摩两种单一故障相互作用形成的耦合故障,利用转子实验台模拟油膜失稳引起的轴承碰摩故障,采集发生此故障时转子系统升降速过程的振动信号.利用三维谱振图、重排小波尺度图、频谱图和轴心轨迹图对竖直方向振动信号进行分析,结果表明:重排小波尺度图可以很好地提取轴承碰摩时的时间和频率信息.当转子系统发生二者耦合故障时,油膜失稳占主导地位,油膜失稳引起的碰摩会产生转频和涡动频率的组合频率成分.此外,由于不可公约的组合频率出现,轴心轨迹变得混乱不规则.     

碰摩转子轴承系统非线性振动特征的实验研究

建立了转子碰摩故障的实验装置,通过实验研究了转子系统碰摩故障的非线性振动特征,发现对油膜力影响较小的系统,转定子碰摩使系统产生了半频及高频分量,而对于滑动轴承支撑的系统,较小的碰摩间隙使得系统在油膜涡动之前产生碰摩,系统产生了丰富的高频分量;当碰摩间隙较大时,碰摩在油膜涡动之后发生,此时碰摩对系统的影响很小,轴承油膜力对系统的影响最大·     

调制式振动对大斜度井减摩阻影响规律

基于钻柱振动与井壁摩阻间的耦合作用研究,依据弹性杆理论,建立大斜度井激发钻柱产生轴向振动减小摩阻的数学模型,分析激振力强度、激振频率、摩阻系数和钻井液黏滞系数对钻柱振动减阻效果的影响。采用正交数值试验对各因素的影响程度进行分析。结果表明:提高激振力强度、频率或降低摩阻系数和钻井液黏滞系数均可提高振动减阻效果,其中激振频率存在最优值;各因素对钻柱振动减阻效果的影响由大到小依次为激振器强度、摩阻系数、激振器频率和钻井液黏滞系数。     

钻柱力学若干基本问题的研究

依据动力学普遍原理，采用微元矢量分析方法，建立了钻柱的一般平衡方程，其中包含了钻柱的涡动效应，在此基础上，导出了不可伸长弹性钻术变形的一般动态控制方程，并且对钻柱下部组合的静力分析方法及钻柱摩阻分析方法进行了讨论，此外，还就钻柱运动学及其弹性稳定性问题进行了初步探讨，给出以钻柱为研究对象的基本方程，这些基本方程也适用于其它相同性质问题的管柱。     

钻柱力学若干基本问题的研究

依据动力学普遍原理，采用微元矢量分析方法，建立了钻柱的一般平衡方程，其中包含了钻柱的涡动效应．在此基础上，导出了不可伸长弹性钻柱变形的一般动态控制方程，并且对钻柱下部组合（简称ＢＨＡ）的静力分析方法及钻往摩阻分析方法进行了讨论．此外，还就钻柱运动学及其弹住稳定性问题进行了初步探讨，给出以钻柱为研究对象的基本方程．这些基本方程也适用于其它相同性质问题的管柱．     

碰摩转子系统滑动轴承底座的有限元分析

为了避免轴承底座产生共振,采用Reynolds简化方程求出转子和定子间的非线性油膜力解析表达式,并对碰摩状态下碰摩力模型作出简化。运用有限元软件对轴承施加非线性复杂载荷,进行模态分析和谐响应分析,找到振型最大区域中的一点,分析其共振频率及在碰摩力状态下碰摩力以及非碰摩状态下油膜涡动的工作频率和临界频率之间的关系,为分析轴承系统稳定工作提供理论基础。     

等曲率井眼中钻柱与井壁间接触力分析

建立了等曲率井眼中考虑轴向力和重力的钻柱平衡方程式,采用理论和非线性有限元的方法分析了等曲率井眼中钻柱与井壁之间的接触力.采用牛顿-拉普森方法对非线性有限元方程进行了迭代求解.要保证理论分析的精度,同样需要考虑边界条件.计算结果表明,由于外力的作用,钻柱紧贴于井壁的一侧时,钻柱的刚度对钻柱与井壁间的接触力无影响,此时,井眼曲率越大,钻柱与井壁之间的接触力越大.当外力不足以使钻柱紧贴于井壁的一侧时,钻柱的刚度对钻柱与井壁之间的接触力有影响.与理论分析相比,非线性有限元方法应用范围更广,解的精度更高.     

空气钻井斜直井眼中钻柱的动力学特性及失效机理

钻柱涡动是钻柱失效的主要原因之一.应用有限元方法,仿真了空气钻井时斜直井眼中带牙轮钻头钻柱的动力学特性,比较了空气钻井和钻井液钻井条件下钻柱的涡动、变形以及动态应力状况,探讨了空气钻井钻柱失效的动力学机理.结果表明,钻柱在不同时刻的动态应力与静力学条件下计算的结果有宏观上的一致性,空气钻井时钻柱的应力波动较钻井液钻井的要大,钻柱涡动更加频繁.     

滚动钻柱摩阻研究

现有计算钻柱摩阻力矩的模型是在假设钻柱自转的条件下建立的，不适宜计算钻柱出现反转时的阻力矩。通过引入滚动摩阻系数，建立了反转条件下摩阻力矩的计算方法，得出了计算公式，并给出了水平井段钻柱出现反转的判别式。该研究成果有利于直井防斜和提高水平井钻井技术。     

钻柱涡动及其应用

从动力学角度建立了钻柱涡动方程，然后对钻柱涡动的特性进行了简单分析．结果表明，钻柱在斜井中涡动时，重力沿井眼的侧向分量引起钻柱内部较大的轴向力变化，从而产生防斜及降斜作用．利用涡动防斜的实例证实了这一点．     

钻柱黏滑振动动力学研究

以四自由度钻柱动力学方程为基础,结合钻头–岩石的相互作用规律,分析了钻柱在直井眼内的动力学特征,
研发了多自由度钻柱粘滑振动仿真软件。利用该软件开展了钻柱动力学行为影响的单因素分析,得出了管柱、钻头和
转盘的刚度与转动惯量,以及钻压、转速等对钻柱动力学行为的影响规律,获得了钻柱运动的4 种状态特征。通过对
实际钻柱动力学参数的仿真分析,表明钻杆越长,钻铤越短,钻柱越容易处于黏滑振动状态。另外,改变钻柱的内外直
径不可能有效抑制黏滑振动。研究成果对现场钻井作业具有非常实用的指导意义。     

钻柱隔振理论及钻井效率分析

应用有限元法建立了钻柱隔振的力学模型，对钻柱进行了纵向振动的动力响应分析和固有频率计算，比较了常规钻柱和隔振钻柱钻头处的位移、井口处的位移以及钻压的变化．钻柱隔振后，其固有频率远高于常规钻井时的激振频率，因此隔振后的钻柱可以避免发生共振现象，提高钻井效率．钻柱隔振理论可以为隔振器的设计和应用提供可靠的理论基础．     

底部钻具组合二维分析新方法

提出一种用于分析底部钻具组合稳定器处的轴向力的新方法 ,即认为轴向力方向应与钻柱切线方向一致 ,其大小不应忽略井壁支反力的影响。在此基础上 ,采用加权余量法推导出一套用于计算底部钻具组合二维受力和变形的新的公式。实例计算结果表明 ,由于该公式考虑影响因素更全面 ,因而其计算结果更具合理性 ,与钻柱实际受力情况更加相符 ,且计算过程更为简便、快捷。     

光面护壁爆破的护壁效果及作用机理探讨

试验研究了光面护壁爆破的护壁效果,论述了护壁爆破的作用机理.采用智能声波检测仪测试爆破前后岩体的超声波速度,从而评价光面护壁爆破与普通光面爆破在相同条件下的爆破效果,结果发现护壁爆破声波平均降低率1.45%,普通光面爆破平均降低4.83%,普通光面爆破是光面护壁爆破的3倍以上,显示出光面护壁爆破避免岩体损伤的优越性.分析认为:在冲击波和爆生气体准静压作用下,光面护壁爆破在产生定向爆裂岩石的同时,保留部分岩体得到药包外壳半圆管的保护,从而避免爆破损伤.在龙16号油气井钻前场地施工工程中应用,岩体损伤小,护壁效果好.     

转子系统油膜失稳故障的振动实验分析

在单跨转子实验台上对油膜失稳故障(油膜涡动和油膜振荡)进行实验,分别对发生油膜失稳的转子稳定运行过程和转子升降速过程进行了振动测试·在油膜振荡期间,转子振动的时域波形呈现复杂的多周期性特点,轴心轨迹为扩散的不规则曲线,功率谱与全息谱表现出明显的分频(0 44倍频)特征·转子升降速过程的时频域分析揭示了转子油膜由涡动到振荡的发生发展过程·实验与分析的结果对研究转子油膜失稳故障现象、实现旋转机械的状态监测与预报有重要意义·     

垂直井中旋转钻柱受拉段分岔研究

在以往对钻柱稳定性的研究中 ,人们对受压段钻柱的稳定性问题给予了足够的重视 ,而对受拉段钻柱稳定性的研究则明显不足。钻柱属于细长柔性杆件 ,大部分钻柱在工作时处于受拉状态。在旋转钻井作业中 ,当钻柱较长且转速与拉力存在某种关系时 ,钻柱受拉段也会发生屈曲变形。考虑到垂直井中钻柱受拉段在旋转时的转动效应 ,建立了顶部悬挂、受分布浮重作用的旋转细长钻柱的分岔微分方程。通过对方程的数值求解 ,得到了相应的分岔值曲线。利用该计算模型可以模拟石油钻井工程中旋转细长钻柱受拉段的工作状态 ,所得结果对钻井作业具有一定的指导意义。