[发明专利]基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测方法

权利要求书

1.基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：将目标井的底部钻具组合沿井眼轴线分为若干单元，并以目标井的井眼轴线向为Z轴、以正东方向为X轴、以正南方向为Y轴，建立坐标轴，获得每一所述单元的底部钻具组合位移向量形式；

S2：根据拉格朗日方程，获得所述底部钻具组合的钻柱动力学模型；

S3：假设所述目标井井壁为刚性、所述钻具组合和所述目标井井壁随机接触，底部钻具组合与井壁接触时受到的井壁施加的力包括：轴向摩擦阻力Fez、切向摩擦阻力Fer、井壁扭矩Te及弯矩Me，获得所述钻具组合与井壁接触时的受力模型；

S4：设定所述底部钻具组合和边界条件，并将所述底部钻具组合位移向量方程式带入所述钻柱动力学模型，采用广义-α法离散求解每一所述单元的钻柱动力学模型，并根据所述受力模型得到所述底部钻具组合的等效应力；

S5：设定所述底部钻具组合的初始条件，并根据Walker模型和所述底部钻具组合的等效应力得到所述底部钻具组合的疲劳寿命，在疲劳寿命计算过程中，先计算出应力强度因子以及几何形状因子，并由无损探伤测定初始裂纹尺寸，再根据应力条件确定临界裂纹尺寸，最后根据Walker模型计算出疲劳寿命。

2.根据权利要求1所述的基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测方法，其特征在于，每一所述单元的底部钻具组合广义位移向量式为：

U＝(U_x1 U_y1 U_z1 θ_x1 θ_y1 θ_z1 U_x2 U_y2 U_z2 θ_x2 θ_y2 θ_z2)^T；

其中，U_x1、U_y1、U_z1、U_x2、U_y2、U_z2分别为每一单元两个节点各向的线位移；θ_x1、θ_y1、θ_z1、θ_x2、θ_y2、θ_z2分别为每一单元两个节点各向的角位移。

3.根据权利要求1所述的基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述底部钻具组合的钻柱动力学模型为：

其中，{U}，{F}分别为广义加速度、广义速度、广义位移及广义外力矢量；[M]，[C]，[K]分别为质量矩阵、阻尼矩阵及刚度矩阵。

4.根据权利要求3所述的基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述广义外力矢量包括每一所述单元两个节点所受的离心力和重力。

5.根据权利要求1所述的基于钻柱动力学的底部钻具组合疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述底部钻具组合与井壁接触时的受力模型为：

其中，F_ez为轴向摩擦阻力、F_er为切向摩擦阻力、T_e为井壁扭矩、M_e为弯矩；μ_e为底部钻具组合与井壁的摩擦系数；d_i是井筒直径，m；F_N为接触力，N。