[发明专利]一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种建模方法，特别是关于一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法。

背景技术

定向钻井中，旋转导向技术比其它定向控制技术具有显著优势。旋转导向系统(RSS：Rotary Steerable System)完全抛开了传统的滑动导向方式，在钻柱旋转的状态下自动、连续、灵活地调整井斜和方位，大大提高了钻井速度和安全性，井眼轨迹控制精度高，是满足闭环自动化钻井发展需要的一种导向方式。RSS在世界范围内的许多现场应用中都产生了效益，然而RSS的地面驱动和导向驱动方式也导致了钻井问题的增加。RSS的使用带来了一个主要问题，即钻柱系统动力的控制，这又把人们带回到钻井力学问题中去。

现代旋转导向钻井中，全井段钻柱的长细比约10⁴～10⁵，由一系列空心圆截面钢管连接而成，包括下部旋转导向钻具组合和钻头，地面由顶驱或转盘驱动并控制钻进速度，导向动力由钻井液压差或井下电机驱动。钻柱的高速旋转使其在充满钻井液的狭长井眼内处于十分复杂的受力、变形和运动状态，直到今天仍然无法做到对钻柱系统动力学、运动学特性的准确描述和精确的定量计算。随着旋转导向工具(RST：Rotary Steering Tool)、随钻测量工具MWD/随钻测井工具LWD、井下工程参数测量仪、柔性短节等装备加入到下部钻具组合(BHA：Bottom HoleAssembly)中，必需全面考虑旋转钻进动力与导向动力的控制以及动态导向钻进过程，这使得旋转导向钻柱系统的动力学问题变得更加棘手。

RSS实现旋转导向的核心是井下旋转导向工具系统的研制和现场应用。旋转导向工具系统为机械、电气/液压控制一体化系统。应用旋转导向工具系统进行井眼轨迹控制时，必需全面理解旋转导向工具系统的导向方式和控制方法，定量预测系统的导向性能，并以提高导向性能为目标，优化配置旋转导向组合。这是一个力学、机械、控制等多学科综合的复杂问题，是旋转导向钻井实现井眼轨迹控制的基础和重要组成部分。

目前，我国旋转导向工具的研制仍然采用传统的设计方法，即产品设计-样机研制-试验-修改设计-样机制造-试验的循环反复过程，每一环节都伴随着物理样机的设计、制造和试验，研发周期长，研发成本大。而现有的滑动导向钻井和传统的钻柱动力学理论及分析方法研究复杂情况下旋转导向钻井系统的力学特性及井眼轨迹的预测和控制存在一定困难。以旋转导向钻进技术为代表的现代钻进技术对整个钻井系统的力学性能提出了更高的要求。因此就需要从系统角度出发，建立完整的钻井系统力学模型，并在此基础上快速分析系统力学行为及在线控制系统，为钻井设计及现场作业提供指导和分析手段。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能实现优化设计下部钻具组合、预测和实时控制井眼轨迹的旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法，其包括如下步骤：(1)根据钻井系统结构信息建立结构单元力学模型；(2)建立约束模型：①速度约束模型：将顶驱运动以一定速率变化的速度约束描述；②角速度约束模型：钻井系统在恒定转速下工作时，顶驱装置单元转动的边界条件用匀速变化的角速度约束模型描述；③刚体-梁固支约束模型：结合刚体与柔性体建模方法，建立刚体与梁之间固支约束的数学方程；④梁-梁固支约束模型：基于梁的建模方法，建立梁与梁之间固支约束的数学方程；(3)建立作用力模型；(4)建立钻井系统参数化模型；(5)将计算模型文件导入多体动力学仿真程序中，进行钻井系统的动力学分析，完成建模，其具体包括如下分析：钻压调制过程仿真、钻柱横向振动与涡动现象研究、钻柱纵向振动与跳钻现象研究、钻柱扭转振动与粘滑现象研究、钻柱与井壁的接触力分析、全井钻柱内力分析、摩阻分析、钻头力学特性研究、驱动装置力学特性研究以及钻井系统导向性能研究。

所述步骤(1)中，所述结构单元力学模型主要包括以下部分：①顶驱装置单元：将电机运动方程耦合到钻井系统力学模型中；②钻杆单元：采用基于绝对结点坐标描述的梁模型来建立钻杆单元的动力学方程；③钻铤单元：将钻铤单元的基本力学模型简化成梁模型；④底部钻具组合单元：将底部钻具组合中各部分抽象成梁单元，利用刚体模型建立稳定器力学方程；⑤钻头单元：根据力的作用效果建立钻头与岩石相互作用的等效的力和力矩模型；⑥井眼单元：将井眼轨道离散成若干段首尾依次连接的直圆柱单元，分析钻杆、钻铤、底部钻具组合以及钻头结构单元与离散圆柱碰撞，进而研究整个钻井系统与井壁接触问题。