天然氣水合物鉆探取樣保真系統(tǒng)力學(xué)行為數(shù)值研究

【摘要】：深海天然氣水合物的無擾動(dòng)保真取樣是通過大尺寸繩索取樣專用鉆柱帶動(dòng)刮刀鉆頭旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的。鉆探取樣過程中,鉆柱的安全可靠性以及鉆頭對(duì)水合物巖層的擾動(dòng)情況直接關(guān)系到能否成功獲取海底天然氣水合物實(shí)物樣品。論文結(jié)合課題組多年對(duì)天然氣水合物取樣設(shè)備的研究成果,主要運(yùn)用數(shù)值模擬及理論計(jì)算的方法對(duì)天然氣水合物保真取樣系統(tǒng)的力學(xué)行為進(jìn)行深入研究。 論文首先對(duì)大尺寸繩索取樣專用鉆柱進(jìn)行靜態(tài)有限元分析。在忽略動(dòng)態(tài)因素的前提下,對(duì)鉆柱進(jìn)行受力和變形分析,找出鉆柱應(yīng)力集中部位,即危險(xiǎn)截面。并分析了扭矩、鉆壓、轉(zhuǎn)速等因素對(duì)鉆柱受力的影響,得出鉆柱等效應(yīng)力變化規(guī)律及撓度變形情況。 論文在忽略鉆頭幾何尺寸的前提下,對(duì)鉆柱的振動(dòng)模態(tài)進(jìn)行分析,得到鉆柱振動(dòng)的前10階固有頻率,確定鉆柱發(fā)生共振的臨界轉(zhuǎn)速,并分析鉆柱壁厚、鉆鋌長度對(duì)固有頻率的影響,為防止鉆探取樣過程中鉆柱發(fā)生共振提供理論依據(jù)。 論文在考慮慣性力和阻尼作用的影響的基礎(chǔ)上,對(duì)鉆柱進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,研究鉆柱在隨時(shí)間變化的載荷下軸向位移隨時(shí)間變化的規(guī)律,并分析了轉(zhuǎn)速對(duì)橫向波動(dòng)范圍的影響。 論文通過設(shè)置鉆頭與水合物地層之間的剛-柔接觸模擬取樣過程,對(duì)取樣過程中鉆頭對(duì)水合物地層的擾動(dòng)情況進(jìn)行了模擬分析。研究鉆探取樣過程中鉆頭對(duì)水合物巖層的擾動(dòng)率,并提出減小擾動(dòng)的措施。 最后,論文對(duì)鉆探取樣過程進(jìn)行瞬態(tài)熱應(yīng)力分析。在天然氣水合物鉆探取樣過程中,由于鉆頭與天然氣水合物地層之間存在切削摩擦作用,會(huì)產(chǎn)生大量的熱能,摩擦熱量直接影響天然氣水合物的原位狀態(tài),造成水合物分解。對(duì)刮刀取樣鉆頭和水合物地層之間的這種切削摩擦過程進(jìn)行瞬態(tài)熱應(yīng)力分析,確定鉆進(jìn)過程中溫度變化情況,有助于了解這種影響程度,并為海底天然氣水合物保溫取樣提供參考。 【關(guān)鍵詞】：天然氣水合物 保真系統(tǒng) 力學(xué)行為 振動(dòng)模態(tài) 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)
【學(xué)位授予單位】：中國石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號(hào)】：TE952
【目錄】：

• 摘要4-5
• Abstract5-11
• 第一章 緒論11-19
• 1.1 課題來源及研究意義11-12
• 1.1.1 課題來源11
• 1.1.2 研究意義11-12
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀12-17
• 1.2.1 天然氣水合物及其取樣設(shè)備研究現(xiàn)狀及進(jìn)展12-15
• 1.2.2 鉆柱力學(xué)研究現(xiàn)狀及進(jìn)展15-17
• 1.3 課題研究內(nèi)容17-19
• 第二章 有限元分析理論基礎(chǔ)19-25
• 2.1 有限元分析概述19-20
• 2.1.1 有限元分析數(shù)值方法19-20
• 2.1.2 有限元方法的基本步驟20
• 2.2 有限元力學(xué)分析理論基礎(chǔ)20-22
• 2.2.1 力學(xué)平衡方程20-21
• 2.2.2 鉆柱力學(xué)分析方法21-22
• 2.3 摩擦接觸非線性理論22-24
• 2.3.1 兩種摩擦接觸理論22-23
• 2.3.2 摩擦接觸有限元方程23-24
• 2.4 小結(jié)24-25
• 第三章 鉆柱系統(tǒng)靜態(tài)有限元分析25-40
• 3.1 鉆柱結(jié)構(gòu)及參數(shù)25-26
• 3.1.1 鉆柱結(jié)構(gòu)組成25
• 3.1.2 鉆柱結(jié)構(gòu)參數(shù)25
• 3.1.3 鉆井參數(shù)25-26
• 3.2 鉆柱受力分析26-30
• 3.3 鉆柱靜態(tài)有限元分析30-39
• 3.3.1 ANSYS 靜力學(xué)分析流程31
• 3.3.2 鉆柱靜力學(xué)基本方程31
• 3.3.3 基本假設(shè)31-32
• 3.3.4 建立有限元模型32-33
• 3.3.5 約束及加載33
• 3.3.6 結(jié)果分析33-39
• 3.4 小結(jié)39-40
• 第四章 鉆柱系統(tǒng)振動(dòng)模態(tài)分析40-52
• 4.1 鉆柱振動(dòng)非線性動(dòng)力學(xué)分析40-41
• 4.1.1 基本假設(shè)40
• 4.1.2 鉆柱系統(tǒng)振動(dòng)特征方程40-41
• 4.2 鉆柱振動(dòng)模態(tài)分析41-45
• 4.2.1 選擇單元41-42
• 4.2.2 振動(dòng)模型結(jié)構(gòu)參數(shù)42-43
• 4.2.3 建立有限元模型43
• 4.2.4 加載求解及后處理43-45
• 4.3 鉆桿厚度對(duì)鉆柱固有頻率的影響45-46
• 4.4 鉆鋌長度對(duì)鉆柱固有頻率的影響46-49
• 4.5 避免鉆柱共振研究49-51
• 4.6 小結(jié)51-52
• 第五章 鉆柱系統(tǒng)瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析52-57
• 5.1 鉆柱瞬態(tài)動(dòng)力平衡方程及理論求解方法52-53
• 5.2 鉆柱瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析53-56
• 5.2.1 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析步驟53-54
• 5.2.2 結(jié)果后處理54-55
• 5.2.3 模擬結(jié)果正確性驗(yàn)證55-56
• 5.3 小結(jié)56-57
• 第六章 鉆頭鉆探取樣過程的有限元分析57-76
• 6.1 有限單元法模擬鉆探取樣過程的基本原理57-59
• 6.1.1 水合物地層的屈服破壞準(zhǔn)則57
• 6.1.2 接觸單元本構(gòu)模型57-58
• 6.1.3 接觸剛度的概念58-59
• 6.2 取樣鉆頭與水合物地層相互作用的有限元分析59-69
• 6.2.1 問題描述59
• 6.2.2 水合物地層模型尺寸的確定59-61
• 6.2.3 模型參數(shù)及建模61-62
• 6.2.4 結(jié)果分析62-65
• 6.2.5 最佳參數(shù)選擇65-68
• 6.2.6 減小擾動(dòng)措施68-69
• 6.3 鉆探取樣過程溫度場(chǎng)研究69-74
• 6.3.1 基本假設(shè)69
• 6.3.2 熱力學(xué)參數(shù)69-70
• 6.3.3 建模及加載70-71
• 6.3.4 求解及結(jié)果分析71-72
• 6.3.5 基于相平衡的天然氣水合物的保溫機(jī)理研究72-74
• 6.4 小結(jié)74-76
• 第七章 結(jié)論與展望76-78
• 7.1 結(jié)論76
• 7.2 展望76-78
• 參考文獻(xiàn)78-82
• 附錄82-85
• 攻讀碩士期間取得的學(xué)術(shù)成果85-86
• 致謝86

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