專利名稱：一種旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)多體動力學快速分析建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種建模方法，特別是關(guān)于一種旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)多體動力學快速分 析建模方法。
背景技術(shù)：
定向鉆井中，旋轉(zhuǎn)導向技術(shù)比其它定向控制技術(shù)具有顯著優(yōu)勢。旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng) (RSS =Rotary Steerable System)完全拋開了傳統(tǒng)的滑動導向方式，在鉆柱旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下 自動、連續(xù)、靈活地調(diào)整井斜和方位，大大提高了鉆井速度和安全性，井眼軌跡控制精度高， 是滿足閉環(huán)自動化鉆井發(fā)展需要的一種導向方式。RSS在世界范圍內(nèi)的許多現(xiàn)場應用中都 產(chǎn)生了效益，然而RSS的地面驅(qū)動和導向驅(qū)動方式也導致了鉆井問題的增加。RSS的使用帶 來了一個主要問題，即鉆柱系統(tǒng)動力的控制，這又把人們帶回到鉆井力學問題中去。現(xiàn)代旋轉(zhuǎn)導向鉆井中，全井段鉆柱的長細比約IO4 105，由一系列空心圓截面鋼 管連接而成，包括下部旋轉(zhuǎn)導向鉆具組合和鉆頭，地面由頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤驅(qū)動并控制鉆進速度， 導向動力由鉆井液壓差或井下電機驅(qū)動。鉆柱的高速旋轉(zhuǎn)使其在充滿鉆井液的狹長井眼內(nèi) 處于十分復雜的受力、變形和運動狀態(tài)，直到今天仍然無法做到對鉆柱系統(tǒng)動力學、運動學 特性的準確描述和精確的定量計算。隨著旋轉(zhuǎn)導向工具(RST=Rotary Steering Tool)、隨 鉆測量工具MWD/隨鉆測井工具LWD、井下工程參數(shù)測量儀、柔性短節(jié)等裝備加入到下部鉆 具組合(BHA=Bottom HoleAssembly)中，必需全面考慮旋轉(zhuǎn)鉆進動力與導向動力的控制以 及動態(tài)導向鉆進過程，這使得旋轉(zhuǎn)導向鉆柱系統(tǒng)的動力學問題變得更加棘手。RSS實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)導向的核心是井下旋轉(zhuǎn)導向工具系統(tǒng)的研制和現(xiàn)場應用。旋轉(zhuǎn)導向 工具系統(tǒng)為機械、電氣/液壓控制一體化系統(tǒng)。應用旋轉(zhuǎn)導向工具系統(tǒng)進行井眼軌跡控制 時，必需全面理解旋轉(zhuǎn)導向工具系統(tǒng)的導向方式和控制方法，定量預測系統(tǒng)的導向性能，并 以提高導向性能為目標，優(yōu)化配置旋轉(zhuǎn)導向組合。這是一個力學、機械、控制等多學科綜合 的復雜問題，是旋轉(zhuǎn)導向鉆井實現(xiàn)井眼軌跡控制的基礎(chǔ)和重要組成部分。目前，我國旋轉(zhuǎn)導向工具的研制仍然采用傳統(tǒng)的設計方法，即產(chǎn)品設計-樣機研 制-試驗-修改設計-樣機制造-試驗的循環(huán)反復過程，每一環(huán)節(jié)都伴隨著物理樣機的設 計、制造和試驗，研發(fā)周期長，研發(fā)成本大。而現(xiàn)有的滑動導向鉆井和傳統(tǒng)的鉆柱動力學理 論及分析方法研究復雜情況下旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的力學特性及井眼軌跡的預測和控制存 在一定困難。以旋轉(zhuǎn)導向鉆進技術(shù)為代表的現(xiàn)代鉆進技術(shù)對整個鉆井系統(tǒng)的力學性能提出 了更高的要求。因此就需要從系統(tǒng)角度出發(fā)，建立完整的鉆井系統(tǒng)力學模型，并在此基礎(chǔ)上 快速分析系統(tǒng)力學行為及在線控制系統(tǒng)，為鉆井設計及現(xiàn)場作業(yè)提供指導和分析手段。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種能實現(xiàn)優(yōu)化設計下部鉆具組合、預測和 實時控制井眼軌跡的旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)多體動力學快速分析建模方法。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案一種旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)多體動力學快速分析建模方法，其包括如下步驟(1)根據(jù)鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息建立結(jié)構(gòu)單元力學模型； (2)建立約束模型①速度約束模型將頂驅(qū)運動以一定速率變化的速度約束描述；②角速 度約束模型鉆井系統(tǒng)在恒定轉(zhuǎn)速下工作時，頂驅(qū)裝置單元轉(zhuǎn)動的邊界條件用勻速變化的 角速度約束模型描述；③剛體-梁固支約束模型結(jié)合剛體與柔性體建模方法，建立剛體與 梁之間固支約束的數(shù)學方程；④梁-梁固支約束模型基于梁的建模方法，建立梁與梁之 間固支約束的數(shù)學方程；(3)建立作用力模型；(4)建立鉆井系統(tǒng)參數(shù)化模型；(5)將計算 模型文件導入多體動力學仿真程序中，進行鉆井系統(tǒng)的動力學分析，完成建模，其具體包括 如下分析鉆壓調(diào)制過程仿真、鉆柱橫向振動與渦動現(xiàn)象研究、鉆柱縱向振動與跳鉆現(xiàn)象研 究、鉆柱扭轉(zhuǎn)振動與粘滑現(xiàn)象研究、鉆柱與井壁的接觸力分析、全井鉆柱內(nèi)力分析、摩阻分 析、鉆頭力學特性研究、驅(qū)動裝置力學特性研究以及鉆井系統(tǒng)導向性能研究。所述步驟(1)中，所述結(jié)構(gòu)單元力學模型主要包括以下部分①頂驅(qū)裝置單元將 電機運動方程耦合到鉆井系統(tǒng)力學模型中；②鉆桿單元采用基于絕對結(jié)點坐標描述的梁 模型來建立鉆桿單元的動力學方程；③鉆鋌單元將鉆鋌單元的基本力學模型簡化成梁模 型；④底部鉆具組合單元將底部鉆具組合中各部分抽象成梁單元，利用剛體模型建立穩(wěn) 定器力學方程；⑤鉆頭單元根據(jù)力的作用效果建立鉆頭與巖石相互作用的等效的力和力 矩模型；⑥井眼單元將井眼軌道離散成若干段首尾依次連接的直圓柱單元，分析鉆桿、鉆 鋌、底部鉆具組合以及鉆頭結(jié)構(gòu)單元與離散圓柱碰撞，進而研究整個鉆井系統(tǒng)與井壁接觸 問題。所述步驟(3)中，所述作用力模型包括以下部分①頂驅(qū)電機驅(qū)動力矩模型將描 述電機內(nèi)電量變化的二階微分方程，與動力學方程統(tǒng)一求解，并通過數(shù)值積分方法得到電 機內(nèi)電流變化規(guī)律；②鉆桿和鉆鋌與井壁隨機接觸力模型采用軸向包圍盒方法作為接觸 預檢測，比較梁的軸線位置與井眼軸線的相對關(guān)系來判斷鉆桿或者鉆鋌是否與井壁發(fā)生接 觸；③非鉆進情況下鉆頭與巖石相互作用模型鉆頭與巖石相互作用過程用赫茲接觸模型 描述，鉆頭與井底接觸轉(zhuǎn)化成球與平面基本幾何體接觸問題，鉆頭與井壁接觸轉(zhuǎn)化為圓與 圓接觸問題；④其它相關(guān)接觸力模型鉆井系統(tǒng)中滾輪穩(wěn)定器以及扶正器與井眼相互作用 采用接觸模型來描述；翼肋組件伸出過程時，轉(zhuǎn)向頭前端導向輪與翼肋組件接觸面之間作 用模型等效為圓與圓接觸模型。所述步驟(4)中，所述鉆井系統(tǒng)參數(shù)化模型包括以下部分①幾何實體CAD/CAE模 型參數(shù)化對旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)進行三維幾何建模；②計算模型參數(shù)化將系統(tǒng)自頂而下定義 若干模塊頂驅(qū)裝置單元模塊、柔性鉆桿/鉆鋌單元模塊、底部鉆具組合單元模塊和鉆頭單 元模塊以及輔助功能單元模塊；除輔助功能單元模塊外，每個模塊包含的動力學信息都由 相應的模塊屬性元素來描述。所述步驟②中，所述模塊屬性元數(shù)主要有剛體屬性信息、柔性體屬性信息、約束屬 性信息、載荷屬性信息、marker屬性信息和模塊之間連接屬性信息，各屬性定義如下剛體 屬性定義了該模塊中剛體總數(shù)；柔性體屬性定義了該模塊中柔性體數(shù)目、種類等信息；約 束屬性定義了該模塊內(nèi)各種約束索引信息；載荷屬性定義了該模塊中載荷類型，載荷數(shù)目 以及載荷定義的相關(guān)參數(shù)信息；Marker屬性定義了該模塊中與約束、載荷以及單元體相關(guān) 的屬性信息；模塊間連接屬性信息定義不同模塊之間連接信息索引。本發(fā)明由于采取以上技術(shù)方案，其具有以下優(yōu)點1、本發(fā)明由于基于多體動力學基本理論建立鉆井系統(tǒng)的力學模型，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)導向全井鉆柱系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運動及動力學分 析，動態(tài)預測井眼軌跡。2、本發(fā)明由于利用全井段鉆井系統(tǒng)的多體動力學模型，通過數(shù)值仿 真研究鉆井工程關(guān)注的若干動力學問題，揭示系統(tǒng)的整體特性與局部特性力學特性，為鉆 井系統(tǒng)設計優(yōu)化等提供理論依據(jù)。研究了鉆柱系統(tǒng)橫向振動、縱向振動以及扭轉(zhuǎn)振動，詮釋 了諸如渦動、跳鉆、粘滑現(xiàn)象和反轉(zhuǎn)等復雜非線性動力學現(xiàn)象，并通過數(shù)值仿真模擬出上述 現(xiàn)象；從定性和定量的角度研究了鉆柱系統(tǒng)的拉壓中性點計算，全井鉆柱內(nèi)力分析，摩阻計 算以及鉆柱與井壁接觸防護等問題。3、本發(fā)明由于基于數(shù)值仿真研究了鉆井系統(tǒng)頂驅(qū)裝置 的力學特性，為鉆井系統(tǒng)驅(qū)動電機選型、頂驅(qū)吊鉤設計等提供參考。3、本發(fā)明由于通過仿真 試驗研究不同鉆井參數(shù)、不同鉆井組合、鉆頭類型和導向工具工作參數(shù)時旋轉(zhuǎn)導向鉆井系 統(tǒng)的導向性能，從而優(yōu)化設計下部鉆具組合、預測和實時控制井眼軌跡。本發(fā)明可以廣泛應 用于油氣田及煤層氣開發(fā)領(lǐng)域中。


圖1是本發(fā)明的鉆井系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖3是本發(fā)明的鉆桿接頭處截面示意圖4是本發(fā)明的底部鉆具組合等效為變截面組合梁模型示意圖5是本發(fā)明在鉆桿軸線上定義若干個離散待檢測結(jié)構(gòu)示意圖6是本發(fā)明巖石對鉆頭作用力簡化為球與平面的接觸示意圖7是本發(fā)明的計算模型參數(shù)化建模過程流程圖8是本發(fā)明的鉆壓變化曲線示意圖9是本發(fā)明在^Or/min轉(zhuǎn)速下鉆柱截面中心點在井眼中運動曲線示意圖
圖10是本發(fā)明在跳鉆過程中鉆壓變化曲線示意圖11是本發(fā)明在反轉(zhuǎn)過程中鉆頭轉(zhuǎn)速變化曲線示意圖12是本發(fā)明的鉆柱與三維井壁接觸情況示意圖13是本發(fā)明下入過程中鉆柱中軸力分布規(guī)律示意圖14是本發(fā)明的鉆頭處摩擦扭矩TOB變化曲線示意圖15是本發(fā)明的鉆頭轉(zhuǎn)速時間變化曲線示意圖16是本發(fā)明的驅(qū)動力矩變化規(guī)律曲線示意圖17是本發(fā)明的驅(qū)動電機輸出功率變化規(guī)律曲線示意圖18是本發(fā)明的井斜角變化規(guī)律曲線示意圖19是本發(fā)明的井眼軌跡曲線示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。如圖1所示，本發(fā)明運用多體動力學理論和方法建立旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)精確力學 模型，基于多體動力學平臺，考慮鉆柱柔性、井壁接觸及底層特性等復雜邊界條件，通過仿 真試驗研究不同鉆井參數(shù)、不同鉆井組合、鉆頭類型和導向工具工作參數(shù)時旋轉(zhuǎn)導向鉆井 系統(tǒng)的導向性能，從而優(yōu)化設計下部鉆具組合、預測和實時控制井眼軌跡。其步驟如下
1)根據(jù)鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息建立結(jié)構(gòu)單元力學模型，其主要包括以下部分(1)頂驅(qū)裝置單元1 將電機運動方程耦合到鉆井系統(tǒng)力學模型中；(2)鉆桿單元采用基于絕對結(jié)點坐標描述的梁模型來建立鉆桿單元的動力學方 程；如圖1、圖2所示，整個鉆桿部分是由若干節(jié)鉆桿2首尾依次連接而成，通常每節(jié)鉆 桿2的長度在9米左右，并且鉆桿2兩端鉆桿接頭3部分直徑要比中間部分的直徑粗。鉆 桿接頭3部分可以等效成剛體，鉆桿2是傳遞扭矩的載體。在狹長井眼4中，鉆桿2受到頂 驅(qū)4、井壁和井底等作用下會發(fā)生變形和運動(如圖3所示)。因此，根據(jù)鉆桿2運動、變形 和受力特點，鉆桿2的力學模型可以等效為梁單元模型。(3)鉆鋌單元與鉆桿2類似，鉆鋌單元的基本力學模型也簡化成梁模型；鉆鋌5處于鉆桿2的下部，其主要特點是壁厚大，一般為38 53mm左右，相當于 鉆桿2壁厚的4 6倍，具有較大的重力和剛度。它在鉆井過程中主要用來給鉆頭施加鉆 壓，使鉆桿2處于受拉狀態(tài)，同時保證底部鉆具組合(BHA) 6在受壓狀態(tài)下有足夠的強度，并 以其較大的剛性扶正鉆頭、減輕鉆頭的振動、擺動和跳動等，保持井眼4軌跡。鉆井系統(tǒng)中， 鉆鋌5部分的總長度會達到幾百米，其柔性變形效應在建模時需要考慮。(4)底部鉆具組合(BHA)單元底部鉆具組合6是鉆井系統(tǒng)最重要的部分，其結(jié) 構(gòu)很復雜，相應的力學模型也很復雜。本發(fā)明將底部鉆具組合6中鉆鋌5、隨鉆測量裝置 (MWD) 7、撓性短節(jié)8、穩(wěn)定器9、工程測量儀10、電阻率短節(jié)11及自然短節(jié)12等各部分抽象 成梁單元，并且每段梁單元具有不同材料屬性，幾何屬性等。將整個底部鉆具組合等效為變 截面組合梁模型(如圖4所示)，穩(wěn)定器9視為剛體單元，可以利用剛體模型建立其力學方 程。穩(wěn)定器9與對應梁之間用剛-梁固支約束連接。采用絕對結(jié)點坐標梁理論對不同梁單 元分別進行建模，再由梁-梁固支約束分別連接。(5)鉆頭單元根據(jù)力的作用效果建立鉆頭13與巖石相互作用的等效的力和力矩 模型。鉆頭13是鉆削巖石，形成井眼4的重要工具。鉆頭13視為剛體單元，并且等效為 剛性球模型。此時鉆頭13與井底以及井壁的相互作用力可以通過定義剛性球與井底(井 壁)的接觸力來描述。(6)井眼單元實際鉆井形成的井眼4呈三維不等徑的曲管狀。本發(fā)明假設井眼4為剛性，且井 眼軸線為空間光滑連續(xù)曲線，井眼4橫截面為等徑的圓截面。為了研究鉆井系統(tǒng)與井眼4 接觸問題的方便，本發(fā)明將井眼4軌道離散成若干段首尾依次連接的直圓柱單元。易知直 圓柱長度越短，等效的井眼模型就越能逼近真實的井眼4。通過定義鉆桿2、鉆鋌5、底部鉆 具組合6以及鉆頭13等結(jié)構(gòu)單元與這些離散圓柱碰撞就可以研究整個鉆井系統(tǒng)與井壁接 觸問題。實際鉆井過程中往往存在井眼擴大的問題，可以對不同的直圓柱段定義不同的半 徑來反映井徑變化的情況。2)建立約束模型(1)速度約束模型將頂驅(qū)運動定義以一定速率變化的速度約束描述。(2)角速度約束模型當鉆井系統(tǒng)在恒定轉(zhuǎn)速下工作時，頂驅(qū)裝置單元1轉(zhuǎn)動的邊 界條件可以用勻速變化的角速度約束模型來描述。
(3)剛體-梁固支約束模型結(jié)合剛體與柔性體建模理論，建立剛體與梁之間固支 約束的數(shù)學方程。(4)梁-梁固支約束模型基于梁的建模理論，建立梁與梁之間固支約束的數(shù)學方 程。3)建立作用力模型(1)頂驅(qū)電機驅(qū)動力矩模型將描述電機內(nèi)電量變化的二階微分方程，與動力學 方程統(tǒng)一求解。通過數(shù)值積分方法得到電機內(nèi)電流變化規(guī)律，可以得到作用在剛性轉(zhuǎn)盤上 的驅(qū)動力矩；(2)鉆桿2和鉆鋌5與井壁隨機接觸力模型比較梁的軸線位置與井眼軸線的相 對關(guān)系就可以判斷鉆桿2或者鉆鋌5是否與井壁發(fā)生接觸。為簡便起見，在鉆桿2 (或鉆鋌 5)軸線上定義若干個離散待檢測的接觸點(如圖5所示，其中黑色圓點表示離散接觸檢測 點，虛線表示鉆桿軸線)，從井眼4的橫向剖面中觀察，這些離散點實際上是具有一定半徑 的圓面。該圓的半徑根據(jù)研究接觸具體問題，或等于鉆桿2外徑，或等于鉆桿接頭3的有效 外徑，或等于鉆鋌5的外徑。當這些離散點到井眼4軸線的距離大于一定的間隙，即等效圓 半徑與井眼4半徑之差大于一定的間隙時，鉆桿2或鉆鋌5與井壁發(fā)生接觸。根據(jù)上面接 觸過程分析，并結(jié)合三維井眼模型，可以將鉆桿2和鉆鋌5與剛性井壁之間的接觸問題簡化 為等效“點”與直圓柱段內(nèi)接觸的基本幾何接觸模型。此外直接采用上述模型，進行鉆桿2 和鉆鋌5與剛性井壁接觸問題，計算效率很低。采用軸向包圍盒方法作為接觸預檢測來提 高接觸檢測效率，具有明顯的效果。(3)非鉆進情況下鉆頭與巖石相互作用模型在非鉆進情況下，鉆頭13與巖石相 互作用過程用赫茲接觸模型描述。在此工況下，鉆頭13等效為具有一定半徑的剛性球模 型。通過剛性球與井底與井壁的接觸，就可以確定巖石對鉆頭的作用力，簡化為球與平面的 接觸(如圖6所示)。由此可知，鉆頭與井底接觸最終簡化成球與平面基本幾何體接觸問 題；鉆頭與井壁接觸也轉(zhuǎn)化為圓與圓接觸問題。(4)其它相關(guān)接觸力模型鉆井系統(tǒng)中滾輪穩(wěn)定器14以及扶正器與井眼4相互作 用需要采用接觸模型來描述?？紤]到滾輪穩(wěn)定器14以及扶正器的表面形狀較為復雜，可以 在上述單元體幾何表面上定義若干個點。通過這些點與井壁接觸近似地描述穩(wěn)定器9和扶 正器與井壁的接觸作用。同樣，在研究翼肋組件15工作特性時，翼肋組件15與井壁的接觸 過程也是很復雜的。簡便起見，也可以在翼肋組件15上定義一些離散檢測點，并通過這些 點與井壁接觸來近似描述翼肋組件15與井壁之間的相互作用。鉆具在工作時，鉆具的外套 與井壁也會有接觸作用?？紤]到實際的鉆具外套具有復雜的幾何形狀，也可以通過點與圓 柱接觸模型近似地描述鉆具外套與井壁相互作用模型。此外研究翼肋組件15伸出過程時， 轉(zhuǎn)向頭前端導向輪與翼肋組件15接觸面之間作用模型可以等效為圓與圓接觸模型。4)建立鉆井系統(tǒng)參數(shù)化模型(1)幾何實體CAD/CAE模型參數(shù)化三維幾何建模對旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)，包括頂部驅(qū)動裝置單元1、鉆桿2、鉆鋌5、隨鉆測 量裝置MWD7、撓性短節(jié)8、穩(wěn)定器9、工程參數(shù)測量儀10、電阻率短節(jié)11、自然短節(jié)12、導向 工具16以及鉆頭13等進行幾何建模，并以STL文件格式輸出。STL格式文件主要有若干組三角面片按照一定的順序組成，并且每個三角面片由三個頂點和一個表征三角面單位外法線方向矢量構(gòu)成。利用Matlab等編寫相應代碼對原 有的幾何STL文件進行修改(平移、旋轉(zhuǎn)、放大縮小等)，再按照原先的順序?qū)懭胄碌膸缀?CAD文件中，以實現(xiàn)復雜系統(tǒng)幾何CAD模型的參數(shù)化建模。(2)計算模型參數(shù)化如圖7所示，計算模型文件包含以下相關(guān)信息剛體質(zhì)量慣 量，質(zhì)心位置、姿態(tài)位置、速度角速度等信息；各種約束和載荷信息，以及定義約束與載荷的 關(guān)聯(lián)信息，如Marker信息等；按照鉆井系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點，將系統(tǒng)自頂而下定義若干模塊頂驅(qū)裝置單元模塊、柔 性鉆桿/鉆鋌單元模塊、底部鉆具組合BHA單元模塊和鉆頭單元模塊以及輔助功能單元模 塊等。除輔助功能單元模塊之外，每個模塊包含的動力學信息都是由相應的模塊屬性元素 來描述。輔助功能單元模塊主要實現(xiàn)了坐標轉(zhuǎn)換，幾何位置計算等功能。模塊屬性元數(shù)主 要有剛體屬性信息，柔性體屬性信息、約束屬性信息、載荷屬性信息、marker屬性信息、模 塊之間連接屬性信息等。模塊屬性元數(shù)具體定義如下①剛體屬性定義了該模塊中剛體總數(shù)；每個剛體質(zhì)心位置坐標信息、質(zhì)量慣量參 數(shù)信息、質(zhì)心速度信息、空間姿態(tài)方位信息；幾何CAD模型文件信息等。②柔性體屬性定義了該模塊中柔性體數(shù)目、種類等信息；描述柔性體結(jié)點坐標信 息，材料彈性/剪切模型，長度，密度，截面形狀參數(shù)信息等。③約束屬性定義了該模塊內(nèi)各種約束索引信息，包括約束類型信息、約束點位置 信息、約束方向信息，約束數(shù)目，約束體與被約束相關(guān)索引信息等。④載荷屬性定義了該模塊中載荷類型，載荷數(shù)目以及載荷定義的相關(guān)參數(shù)信息等。⑤Marker屬性定義了該模塊中與約束、載荷以及單元體等相關(guān)的屬性信息。⑥模塊間連接屬性信息定義不同模塊之間連接信息索引等。按照上述步驟① 步驟⑥中各項內(nèi)容的要求定義每個模塊的屬性信息內(nèi)容。這樣 所有模塊屬性信息匯總在一起形成表征鉆井系統(tǒng)力學信息數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫保存了用參數(shù) 驅(qū)動的質(zhì)量慣量信息，位置速度信息和各種約束載荷以及Marker信息，單元模塊間關(guān)聯(lián)信 息等。用戶定義鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)鏈表信息。通過編寫程序，順序讀入結(jié)構(gòu)信息鏈表。程序根 據(jù)鏈表中內(nèi)容，在數(shù)據(jù)庫中尋找當前結(jié)構(gòu)單元模塊的屬性數(shù)據(jù)，并根據(jù)用戶定義參數(shù)信息 對每個模塊單元數(shù)據(jù)內(nèi)容自動進行計算和關(guān)聯(lián)操作，最后將更新后模塊單元的質(zhì)量慣量、 姿態(tài)方位、位置速度、約束載荷以及Marker信息等寫入計算模型文件中。實踐表明這種參 數(shù)化建模方法是有效的。5)將計算模型文件導入多體動力學仿真程序中，進行鉆井系統(tǒng)的動力學分析，完 成建模。具體包括如下分析(1)鉆壓調(diào)制過程仿真(如圖8所示)；(2)鉆柱橫向振動與渦動現(xiàn)象研究(如圖9所示)；(3)鉆柱縱向振動與跳鉆現(xiàn)象研究(如圖10所示)；(4)鉆柱扭轉(zhuǎn)振動與粘滑現(xiàn)象研究(如圖11所示)；(5)鉆柱與井壁的接觸力分析(如圖12所示)；(6)全井鉆柱內(nèi)力分析；
(7)摩阻分析(如圖13所示)；(8)鉆頭力學特性研究(如圖14、圖15所示)；(9)驅(qū)動裝置力學特性研究(如圖16、圖17所示)；(10)鉆井系統(tǒng)導向性能研究研究翼肋伸出對鉆具造斜過程的影響，采用兩組翼 肋推出組合第一組組合翼肋1推出22mm+翼肋2推出Omm+翼肋3推出8mm ；第二組組合 翼肋1推出18mm+翼肋2推出Omm+翼肋3推出4mm。兩種情況下，井斜角變化曲線(如圖 18所示，其中實線為第一組組合，虛線為第二組組合)。井眼軌跡變化曲線(如圖19所示， 其中實線為第一組組合，虛線為第二組組合)。由上述各步驟可知，本發(fā)明仿真試驗研究不同鉆井參數(shù)、不同鉆井組合、鉆頭類型 和導向工具工作參數(shù)時旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的導向性能，為鉆井系統(tǒng)驅(qū)動電機選型、頂驅(qū)吊 鉤設計等提供參考，并且優(yōu)化設計下部鉆具組合、預測和實時控制井眼軌跡。綜上所述，本發(fā)明基于絕對結(jié)點坐標框架的有限元梁模型描述大規(guī)模大長細比的 柔性鉆桿(鉆鋌等)在旋轉(zhuǎn)過程中受力-變形-運動；采用點和圓柱接觸模型描述柔性鉆 桿(鉆鋌)與三維剛性井壁的接觸問題，同時將軸向包圍盒接觸檢測方法與多體計算程序 相結(jié)合，提高計算效率，實現(xiàn)全井鉆柱力學分析；在上述梁理論和剛體動力學基本理論基礎(chǔ) 上，建立剛體-柔性梁固支約束以及柔性梁-柔性梁固支約束等模型，實現(xiàn)整個鉆井系統(tǒng) 的旋轉(zhuǎn)運動；在多體動力學軟件的框架下，開發(fā)了速度(角速度)等約束，從而描述了頂驅(qū) 裝置旋轉(zhuǎn)的運動，同時基于上述約束模型實現(xiàn)了鉆壓調(diào)制以及翼肋運動實現(xiàn)鉆井工具導向 等相關(guān)控制問題；分析了鉆井系統(tǒng)中各種復雜接觸問題，并將相關(guān)接觸問題簡化為球與面 接觸，圓與圓接觸、點與面接觸以及點與圓柱接觸等基本幾何體之間接觸問題，并此基礎(chǔ)上 提出了非鉆進過程鉆頭-巖石相互作用模型。最后基于模塊式建模思想，研究鉆井系統(tǒng)的 參數(shù)化建模過程，大大提高了系統(tǒng)建模效率。仿真試驗研究不同鉆井參數(shù)、不同鉆井組合、 鉆頭類型和導向工具工作參數(shù)時旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)的導向性能，從而優(yōu)化設計下部鉆具組 合、預測和實時控制井眼軌跡。上述各實施例僅用于說明本發(fā)明，各部件的結(jié)構(gòu)、尺寸、設置位置及形狀都是可以 有所變化的，在本發(fā)明技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，凡根據(jù)本發(fā)明原理對個別部件進行的改進和等 同變換，均不應排除在本發(fā)明的保護范圍之外。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)多體動力學快速分析建模方法，其包括如下步驟(1)根據(jù)鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息建立結(jié)構(gòu)單元力學模型；(2)建立約束模型①速度約束模型將頂驅(qū)運動以一定速率變化的速度約束描述；②角速度約束模型鉆井系統(tǒng)在恒定轉(zhuǎn)速下工作時，頂驅(qū)裝置單元轉(zhuǎn)動的邊界條件用 勻速變化的角速度約束模型描述；③剛體-梁固支約束模型結(jié)合剛體與柔性體建模方法，建立剛體與梁之間固支約束 的數(shù)學方程；④梁-梁固支約束模型基于梁的建模方法，建立梁與梁之間固支約束的數(shù)學方程；(3)建立作用力模型；(4)建立鉆井系統(tǒng)參數(shù)化模型；(5)將計算模型文件導入多體動力學仿真程序中，進行鉆井系統(tǒng)的動力學分析，完成 建模，其具體包括如下分析鉆壓調(diào)制過程仿真、鉆柱橫向振動與渦動現(xiàn)象研究、鉆柱縱向 振動與跳鉆現(xiàn)象研究、鉆柱扭轉(zhuǎn)振動與粘滑現(xiàn)象研究、鉆柱與井壁的接觸力分析、全井鉆柱 內(nèi)力分析、摩阻分析、鉆頭力學特性研究、驅(qū)動裝置力學特性研究以及鉆井系統(tǒng)導向性能研
2.如權(quán)利要求1所述的一種旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)多體動力學快速分析建模方法，其特征 在于所述步驟(1)中，所述結(jié)構(gòu)單元力學模型主要包括以下部分①頂驅(qū)裝置單元將電機運動方程耦合到鉆井系統(tǒng)力學模型中；②鉆桿單元采用基于絕對結(jié)點坐標描述的梁模型來建立鉆桿單元的動力學方程；③鉆鋌單元將鉆鋌單元的基本力學模型簡化成梁模型；④底部鉆具組合單元將底部鉆具組合中各部分抽象成梁單元，利用剛體模型建立穩(wěn) 定器力學方程；⑤鉆頭單元根據(jù)力的作用效果建立鉆頭與巖石相互作用的等效的力和力矩模型；⑥井眼單元將井眼軌道離散成若干段首尾依次連接的直圓柱單元，分析鉆桿、鉆鋌、 底部鉆具組合以及鉆頭結(jié)構(gòu)單元與離散圓柱碰撞，進而研究整個鉆井系統(tǒng)與井壁接觸問 題。
3.如權(quán)利要求1所述的一種旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)多體動力學快速分析建模方法，其特征 在于所述步驟(3)中，所述作用力模型包括以下部分①頂驅(qū)電機驅(qū)動力矩模型將描述電機內(nèi)電量變化的二階微分方程，與動力學方程統(tǒng) 一求解，并通過數(shù)值積分方法得到電機內(nèi)電流變化規(guī)律；②鉆桿和鉆鋌與井壁隨機接觸力模型采用軸向包圍盒方法作為接觸預檢測，比較梁 的軸線位置與井眼軸線的相對關(guān)系來判斷鉆桿或者鉆鋌是否與井壁發(fā)生接觸；③非鉆進情況下鉆頭與巖石相互作用模型鉆頭與巖石相互作用過程用赫茲接觸模型 描述，鉆頭與井底接觸轉(zhuǎn)化成球與平面基本幾何體接觸問題，鉆頭與井壁接觸轉(zhuǎn)化為圓與 圓接觸問題；④其它相關(guān)接觸力模型鉆井系統(tǒng)中滾輪穩(wěn)定器以及扶正器與井眼相互作用采用接觸 模型來描述；翼肋組件伸出過程時，轉(zhuǎn)向頭前端導向輪與翼肋組件接觸面之間作用模型等 效為圓與圓接觸模型。
4.如權(quán)利要求2所述的一種旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)多體動力學快速分析建模方法，其特征 在于所述步驟(3)中，所述作用力模型包括以下部分①頂驅(qū)電機驅(qū)動力矩模型將描述電機內(nèi)電量變化的二階微分方程，與動力學方程統(tǒng) 一求解，并通過數(shù)值積分方法得到電機內(nèi)電流變化規(guī)律；②鉆桿和鉆鋌與井壁隨機接觸力模型采用軸向包圍盒方法作為接觸預檢測，比較梁 的軸線位置與井眼軸線的相對關(guān)系來判斷鉆桿或者鉆鋌是否與井壁發(fā)生接觸；③非鉆進情況下鉆頭與巖石相互作用模型鉆頭與巖石相互作用過程用赫茲接觸模型 描述，鉆頭與井底接觸轉(zhuǎn)化成球與平面基本幾何體接觸問題，鉆頭與井壁接觸轉(zhuǎn)化為圓與 圓接觸問題；④其它相關(guān)接觸力模型鉆井系統(tǒng)中滾輪穩(wěn)定器以及扶正器與井眼相互作用采用接觸 模型來描述；翼肋組件伸出過程時，轉(zhuǎn)向頭前端導向輪與翼肋組件接觸面之間作用模型等 效為圓與圓接觸模型。
5.如權(quán)利要求1或2或3或4所述的一種旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)多體動力學快速分析建模 方法，其特征在于所述步驟(4)中，所述鉆井系統(tǒng)參數(shù)化模型包括以下部分①幾何實體CAD/CAE模型參數(shù)化對旋轉(zhuǎn)導向系統(tǒng)進行三維幾何建模；②計算模型參數(shù)化將系統(tǒng)自頂而下定義若干模塊頂驅(qū)裝置單元模塊、柔性鉆桿/鉆 鋌單元模塊、底部鉆具組合單元模塊和鉆頭單元模塊以及輔助功能單元模塊；除輔助功能 單元模塊外，每個模塊包含的動力學信息都由相應的模塊屬性元素來描述。
6.如權(quán)利要求5所述的一種旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)多體動力學快速分析建模方法，其特征 在于所述步驟②中，所述模塊屬性元數(shù)主要有剛體屬性信息、柔性體屬性信息、約束屬性 信息、載荷屬性信息、marker屬性信息和模塊之間連接屬性信息，各屬性定義如下剛體屬性定義了該模塊中剛體總數(shù)；柔性體屬性定義了該模塊中柔性體數(shù)目、種類等信息；約束屬性定義了該模塊內(nèi)各種約束索引信息；載荷屬性定義了該模塊中載荷類型，載荷數(shù)目以及載荷定義的相關(guān)參數(shù)信息；Marker屬性定義了該模塊中與約束、載荷以及單元體相關(guān)的屬性信息；模塊間連接屬性信息定義不同模塊之間連接信息索引。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)導向鉆井系統(tǒng)多體動力學快速分析建模方法，其包括如下步驟(1)根據(jù)鉆井系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息建立結(jié)構(gòu)單元力學模型；(2)建立約束模型①速度約束模型；②角速度約束模型；③剛體-梁固支約束模型；④梁-梁固支約束模型；(3)建立作用力模型；(4)建立鉆井系統(tǒng)參數(shù)化模型；(5)將計算模型文件導入多體動力學仿真程序中，進行鉆井系統(tǒng)的動力學分析，完成建模。本發(fā)明由于基于多體動力學基本理論建立鉆井系統(tǒng)的力學模型，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)導向全井鉆柱系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運動及動力學分析，動態(tài)預測井眼軌跡。本發(fā)明可以廣泛應用于油氣田及煤層氣開發(fā)領(lǐng)域中。
文檔編號G06F17/50GK102063541SQ20101061620
公開日2011年5月18日 申請日期2010年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月30日
發(fā)明者任革學, 何保生, 周建良, 李漢興, 楊蔡進, 程載斌, 管楠祥, 蔣世全 申請人:中國海洋石油總公司, 中海石油研究中心, 清華大學