数值与解析逼近方法在钻柱系统稳定性分析中的应用

数值与解析逼近方法在钻柱系统稳定性分析中的应用
作者：于永平
出版时间：2017年版
丛编项： 博士后文库
内容简介
本专著集中研究了几种钻柱力学模型的后屈曲变形及振动问题。给出了解决相应问题的数值打靶方法与构造解析逼近解的方法。一方面：分析与深部大陆科学钻探系统相关的钻柱力学稳定性模型，建立该问题的数值解及解析逼近解。通过分析某科研钻井设计2个实例，研究系统参数、温度等因素对下部钻柱系统屈曲稳定性的影响，为优化下部钻具组合提供理论依据。另一方面：分析在深部大陆科学钻探装备系统中有越来越广泛的应用的MEMS/NEMS陀螺仪传感器等设备的稳定性问题。其研究成果，对于MEMS/NEMS陀螺仪传感器等设备的设计与优化、正确使用等方面都有非常重要的意义。
目录
目录
《博士后文库》序言
前言
第1章 绪论 1
1.1 钻柱力学的研究背景和意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.2.1 基于受约束管柱的钻柱力学模型综述 3
1.2.2 弹簧钻柱稳定性模型介绍 5
1.2.3 温湿钻柱及复合钻柱的屈曲模型进展 7
第2章 典型钻柱与计算方法简介 11
2.1 典型钻柱介绍 11
2.1.1 钻柱组成部分 11
2.1.2 典型钻具组合 15
2.2 数值方法简介 21
2.3 解析方法回顾 23
第3章 基于受圆管约束管柱模型的钻柱稳定性分析 29
3.1 井内钻柱后屈曲变形分析 29
3.1.1 不包含摩擦力影响的钻柱屈曲模型及求解 29
3.1.2 包含扭矩影响的钻柱屈曲模型 32
3.1.3 包含摩擦力影响的钻柱屈曲模型 34
3.2 钻柱系统屈曲稳定性影响因素分析 36
3.2.1 下部钻具上端压力为零时钻柱壁厚对钻柱屈曲的影响 36
3.2.2 下部钻具上端压力为零时钻井环空对钻柱屈曲的影响 42
3.3 水平井内钻柱动态稳定性分析 48
3.3.1 数学模型的建立 48
3.3.2 第一类蛇行运动 52
3.3.3 第二类蛇行运动 54
第4章 钻柱系统屈曲稳定性实例分析 59
4.1 某科学钻井钻孔结构设计方案介绍 59
4.2 某科学钻井设计方案简介 60
4.2.1 阶段I在设计井深5800m用涡轮-转盘钻进的钻柱组合 61
4.2.2 阶段II在设计井深5800m下尾管方案 63
4.2.3 阶段III 5800~6600m的钻柱组合方案 63
4.3 某科学钻井钻柱系统屈曲稳定性分析 65
4.3.1 阶段I 设计井深5800m下部钻具系统屈曲稳定性分析 65
4.3.2 阶段III 设计井深5800~6600m的下部钻具稳定性分析 66
4.4 采用孕镶金刚石取心钻头的钻柱屈曲实例分析 68
4.4.1 取壁厚δ =34.9mm的钻柱进行稳定性分析 68
4.4.2 取壁厚δ =25.4mm的钻柱进行稳定性分析 68
第5章 井内弹簧钻柱及简支温湿钻柱力学模型研究 71
5.1 井内弹簧钻柱力学模型屈曲分析 72
5.1.1 控制方程及其求解 72
5.1.2 结果与讨论 76
5.2 井内简支温湿钻柱力学模型的稳定性分析 78
5.2.1 温湿钻柱后屈曲数学模型及求解 78
5.2.2 结果与讨论 82
5.3 典型算例分析 84
5.3.1 应用弹簧钻柱的屈曲模型分析结果 84
5.3.2 应用简支温湿钻柱的屈曲模型分析结果 85
5.4 井内温度对钻柱力学性能的影响分析 86
5.4.1 温度可自由向上传导的情况分析 86
5.4.2 在钻柱中和点处有约束的情况分析 87
第6章 井内复合钻柱屈曲模型分析 89
6.1 井内复合钻柱力学模型研究 89
6.1.1 控制方程及求解 90
6.1.2 结果与讨论 93
6.2 钢铝合金复合钻柱举例分析 96
第7章 钻柱振动的变截面杆模型研究 99
7.1 引言 99
7.2 数学模型的建立 100
7.3 模型求解方法 103
7.4 结果与讨论 105
第8章 钻探用MEMS/NEMS传感器微梁稳定性研究 109
8.1 引言 109
8.2 固支MEMS微梁后屈曲变形力学模型及其求解 112
8.2.1 控制方程及总势能 112
8.2.2 求解方法 113
8.2.3 结果与讨论 115
8.3 弥散场及Casimir力对NEMS稳定性影响分析 118
8.3.1 力学模型及其求解 118
8.3.2 结果与讨论 121
参考文献 126
附录 139