专利名称：一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法
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IO4 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勻速变化的 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。所述步骤(3)中，所述作用力模型包括以下部分①顶驱电机驱动力矩模型将描 述电机内电量变化的二阶微分方程，与动力学方程统一求解，并通过数值积分方法得到电 机内电流变化规律；②钻杆和钻铤与井壁随机接触力模型采用轴向包围盒方法作为接触 预检测，比较梁的轴线位置与井眼轴线的相对关系来判断钻杆或者钻铤是否与井壁发生接 触；③非钻进情况下钻头与岩石相互作用模型钻头与岩石相互作用过程用赫兹接触模型 描述，钻头与井底接触转化成球与平面基本几何体接触问题，钻头与井壁接触转化为圆与 圆接触问题；④其它相关接触力模型钻井系统中滚轮稳定器以及扶正器与井眼相互作用 采用接触模型来描述；翼肋组件伸出过程时，转向头前端导向轮与翼肋组件接触面之间作 用模型等效为圆与圆接触模型。所述步骤(4)中，所述钻井系统参数化模型包括以下部分①几何实体CAD/CAE模 型参数化对旋转导向系统进行三维几何建模；②计算模型参数化将系统自顶而下定义 若干模块顶驱装置单元模块、柔性钻杆/钻铤单元模块、底部钻具组合单元模块和钻头单 元模块以及辅助功能单元模块；除辅助功能单元模块外，每个模块包含的动力学信息都由 相应的模块属性元素来描述。所述步骤②中，所述模块属性元数主要有刚体属性信息、柔性体属性信息、约束属 性信息、载荷属性信息、marker属性信息和模块之间连接属性信息，各属性定义如下刚体 属性定义了该模块中刚体总数；柔性体属性定义了该模块中柔性体数目、种类等信息；约 束属性定义了该模块内各种约束索引信息；载荷属性定义了该模块中载荷类型，载荷数目 以及载荷定义的相关参数信息；Marker属性定义了该模块中与约束、载荷以及单元体相关 的属性信息；模块间连接属性信息定义不同模块之间连接信息索引。本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明由于基于多体动力学基本理论建立钻井系统的力学模型，实现了旋转导向全井钻柱系统的旋转运动及动力学分 析，动态预测井眼轨迹。2、本发明由于利用全井段钻井系统的多体动力学模型，通过数值仿 真研究钻井工程关注的若干动力学问题，揭示系统的整体特性与局部特性力学特性，为钻 井系统设计优化等提供理论依据。研究了钻柱系统横向振动、纵向振动以及扭转振动，诠释 了诸如涡动、跳钻、粘滑现象和反转等复杂非线性动力学现象，并通过数值仿真模拟出上述 现象；从定性和定量的角度研究了钻柱系统的拉压中性点计算，全井钻柱内力分析，摩阻计 算以及钻柱与井壁接触防护等问题。3、本发明由于基于数值仿真研究了钻井系统顶驱装置 的力学特性，为钻井系统驱动电机选型、顶驱吊钩设计等提供参考。3、本发明由于通过仿真 试验研究不同钻井参数、不同钻井组合、钻头类型和导向工具工作参数时旋转导向钻井系 统的导向性能，从而优化设计下部钻具组合、预测和实时控制井眼轨迹。本发明可以广泛应 用于油气田及煤层气开发领域中。
图1是本发明的钻井系统整体结构示意图2是本发明的钻杆结构示意图3是本发明的钻杆接头处截面示意图4是本发明的底部钻具组合等效为变截面组合梁模型示意图5是本发明在钻杆轴线上定义若干个离散待检测结构示意图6是本发明岩石对钻头作用力简化为球与平面的接触示意图7是本发明的计算模型参数化建模过程流程图8是本发明的钻压变化曲线示意图9是本发明在^Or/min转速下钻柱截面中心点在井眼中运动曲线示意图
图10是本发明在跳钻过程中钻压变化曲线示意图11是本发明在反转过程中钻头转速变化曲线示意图12是本发明的钻柱与三维井壁接触情况示意图13是本发明下入过程中钻柱中轴力分布规律示意图14是本发明的钻头处摩擦扭矩TOB变化曲线示意图15是本发明的钻头转速时间变化曲线示意图16是本发明的驱动力矩变化规律曲线示意图17是本发明的驱动电机输出功率变化规律曲线示意图18是本发明的井斜角变化规律曲线示意图19是本发明的井眼轨迹曲线示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。如图1所示，本发明运用多体动力学理论和方法建立旋转导向钻井系统精确力学 模型，基于多体动力学平台，考虑钻柱柔性、井壁接触及底层特性等复杂边界条件，通过仿 真试验研究不同钻井参数、不同钻井组合、钻头类型和导向工具工作参数时旋转导向钻井 系统的导向性能，从而优化设计下部钻具组合、预测和实时控制井眼轨迹。其步骤如下
1)根据钻井系统结构信息建立结构单元力学模型，其主要包括以下部分(1)顶驱装置单元1 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；如图1、图2所示，整个钻杆部分是由若干节钻杆2首尾依次连接而成，通常每节钻 杆2的长度在9米左右，并且钻杆2两端钻杆接头3部分直径要比中间部分的直径粗。钻 杆接头3部分可以等效成刚体，钻杆2是传递扭矩的载体。在狭长井眼4中，钻杆2受到顶 驱4、井壁和井底等作用下会发生变形和运动(如图3所示)。因此，根据钻杆2运动、变形 和受力特点，钻杆2的力学模型可以等效为梁单元模型。(3)钻铤单元与钻杆2类似，钻铤单元的基本力学模型也简化成梁模型；钻铤5处于钻杆2的下部，其主要特点是壁厚大，一般为38 53mm左右，相当于 钻杆2壁厚的4 6倍，具有较大的重力和刚度。它在钻井过程中主要用来给钻头施加钻 压，使钻杆2处于受拉状态，同时保证底部钻具组合(BHA) 6在受压状态下有足够的强度，并 以其较大的刚性扶正钻头、减轻钻头的振动、摆动和跳动等，保持井眼4轨迹。钻井系统中， 钻铤5部分的总长度会达到几百米，其柔性变形效应在建模时需要考虑。(4)底部钻具组合(BHA)单元底部钻具组合6是钻井系统最重要的部分，其结 构很复杂，相应的力学模型也很复杂。本发明将底部钻具组合6中钻铤5、随钻测量装置 (MWD) 7、挠性短节8、稳定器9、工程测量仪10、电阻率短节11及自然短节12等各部分抽象 成梁单元，并且每段梁单元具有不同材料属性，几何属性等。将整个底部钻具组合等效为变 截面组合梁模型(如图4所示)，稳定器9视为刚体单元，可以利用刚体模型建立其力学方 程。稳定器9与对应梁之间用刚-梁固支约束连接。采用绝对结点坐标梁理论对不同梁单 元分别进行建模，再由梁-梁固支约束分别连接。(5)钻头单元根据力的作用效果建立钻头13与岩石相互作用的等效的力和力矩 模型。钻头13是钻削岩石，形成井眼4的重要工具。钻头13视为刚体单元，并且等效为 刚性球模型。此时钻头13与井底以及井壁的相互作用力可以通过定义刚性球与井底(井 壁)的接触力来描述。(6)井眼单元实际钻井形成的井眼4呈三维不等径的曲管状。本发明假设井眼4为刚性，且井 眼轴线为空间光滑连续曲线，井眼4横截面为等径的圆截面。为了研究钻井系统与井眼4 接触问题的方便，本发明将井眼4轨道离散成若干段首尾依次连接的直圆柱单元。易知直 圆柱长度越短，等效的井眼模型就越能逼近真实的井眼4。通过定义钻杆2、钻铤5、底部钻 具组合6以及钻头13等结构单元与这些离散圆柱碰撞就可以研究整个钻井系统与井壁接 触问题。实际钻井过程中往往存在井眼扩大的问题，可以对不同的直圆柱段定义不同的半 径来反映井径变化的情况。2)建立约束模型(1)速度约束模型将顶驱运动定义以一定速率变化的速度约束描述。(2)角速度约束模型当钻井系统在恒定转速下工作时，顶驱装置单元1转动的边 界条件可以用勻速变化的角速度约束模型来描述。
(3)刚体-梁固支约束模型结合刚体与柔性体建模理论，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理论，建立梁与梁之间固支约束的数学方 程。3)建立作用力模型(1)顶驱电机驱动力矩模型将描述电机内电量变化的二阶微分方程，与动力学 方程统一求解。通过数值积分方法得到电机内电流变化规律，可以得到作用在刚性转盘上 的驱动力矩；(2)钻杆2和钻铤5与井壁随机接触力模型比较梁的轴线位置与井眼轴线的相 对关系就可以判断钻杆2或者钻铤5是否与井壁发生接触。为简便起见，在钻杆2 (或钻铤 5)轴线上定义若干个离散待检测的接触点(如图5所示，其中黑色圆点表示离散接触检测 点，虚线表示钻杆轴线)，从井眼4的横向剖面中观察，这些离散点实际上是具有一定半径 的圆面。该圆的半径根据研究接触具体问题，或等于钻杆2外径，或等于钻杆接头3的有效 外径，或等于钻铤5的外径。当这些离散点到井眼4轴线的距离大于一定的间隙，即等效圆 半径与井眼4半径之差大于一定的间隙时，钻杆2或钻铤5与井壁发生接触。根据上面接 触过程分析，并结合三维井眼模型，可以将钻杆2和钻铤5与刚性井壁之间的接触问题简化 为等效“点”与直圆柱段内接触的基本几何接触模型。此外直接采用上述模型，进行钻杆2 和钻铤5与刚性井壁接触问题，计算效率很低。采用轴向包围盒方法作为接触预检测来提 高接触检测效率，具有明显的效果。(3)非钻进情况下钻头与岩石相互作用模型在非钻进情况下，钻头13与岩石相 互作用过程用赫兹接触模型描述。在此工况下，钻头13等效为具有一定半径的刚性球模 型。通过刚性球与井底与井壁的接触，就可以确定岩石对钻头的作用力，简化为球与平面的 接触(如图6所示)。由此可知，钻头与井底接触最终简化成球与平面基本几何体接触问 题；钻头与井壁接触也转化为圆与圆接触问题。(4)其它相关接触力模型钻井系统中滚轮稳定器14以及扶正器与井眼4相互作 用需要采用接触模型来描述。考虑到滚轮稳定器14以及扶正器的表面形状较为复杂，可以 在上述单元体几何表面上定义若干个点。通过这些点与井壁接触近似地描述稳定器9和扶 正器与井壁的接触作用。同样，在研究翼肋组件15工作特性时，翼肋组件15与井壁的接触 过程也是很复杂的。简便起见，也可以在翼肋组件15上定义一些离散检测点，并通过这些 点与井壁接触来近似描述翼肋组件15与井壁之间的相互作用。钻具在工作时，钻具的外套 与井壁也会有接触作用。考虑到实际的钻具外套具有复杂的几何形状，也可以通过点与圆 柱接触模型近似地描述钻具外套与井壁相互作用模型。此外研究翼肋组件15伸出过程时， 转向头前端导向轮与翼肋组件15接触面之间作用模型可以等效为圆与圆接触模型。4)建立钻井系统参数化模型(1)几何实体CAD/CAE模型参数化三维几何建模对旋转导向系统，包括顶部驱动装置单元1、钻杆2、钻铤5、随钻测 量装置MWD7、挠性短节8、稳定器9、工程参数测量仪10、电阻率短节11、自然短节12、导向 工具16以及钻头13等进行几何建模，并以STL文件格式输出。STL格式文件主要有若干组三角面片按照一定的顺序组成，并且每个三角面片由三个顶点和一个表征三角面单位外法线方向矢量构成。利用Matlab等编写相应代码对原 有的几何STL文件进行修改(平移、旋转、放大缩小等)，再按照原先的顺序写入新的几何 CAD文件中，以实现复杂系统几何CAD模型的参数化建模。(2)计算模型参数化如图7所示，计算模型文件包含以下相关信息刚体质量惯 量，质心位置、姿态位置、速度角速度等信息；各种约束和载荷信息，以及定义约束与载荷的 关联信息，如Marker信息等；按照钻井系统的结构特点，将系统自顶而下定义若干模块顶驱装置单元模块、柔 性钻杆/钻铤单元模块、底部钻具组合BHA单元模块和钻头单元模块以及辅助功能单元模 块等。除辅助功能单元模块之外，每个模块包含的动力学信息都是由相应的模块属性元素 来描述。辅助功能单元模块主要实现了坐标转换，几何位置计算等功能。模块属性元数主 要有刚体属性信息，柔性体属性信息、约束属性信息、载荷属性信息、marker属性信息、模 块之间连接属性信息等。模块属性元数具体定义如下①刚体属性定义了该模块中刚体总数；每个刚体质心位置坐标信息、质量惯量参 数信息、质心速度信息、空间姿态方位信息；几何CAD模型文件信息等。②柔性体属性定义了该模块中柔性体数目、种类等信息；描述柔性体结点坐标信 息，材料弹性/剪切模型，长度，密度，截面形状参数信息等。③约束属性定义了该模块内各种约束索引信息，包括约束类型信息、约束点位置 信息、约束方向信息，约束数目，约束体与被约束相关索引信息等。④载荷属性定义了该模块中载荷类型，载荷数目以及载荷定义的相关参数信息等。⑤Marker属性定义了该模块中与约束、载荷以及单元体等相关的属性信息。⑥模块间连接属性信息定义不同模块之间连接信息索引等。按照上述步骤① 步骤⑥中各项内容的要求定义每个模块的属性信息内容。这样 所有模块属性信息汇总在一起形成表征钻井系统力学信息数据库。该数据库保存了用参数 驱动的质量惯量信息，位置速度信息和各种约束载荷以及Marker信息，单元模块间关联信 息等。用户定义钻井系统结构链表信息。通过编写程序，顺序读入结构信息链表。程序根 据链表中内容，在数据库中寻找当前结构单元模块的属性数据，并根据用户定义参数信息 对每个模块单元数据内容自动进行计算和关联操作，最后将更新后模块单元的质量惯量、 姿态方位、位置速度、约束载荷以及Marker信息等写入计算模型文件中。实践表明这种参 数化建模方法是有效的。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。具体包括如下分析(1)钻压调制过程仿真(如图8所示)；(2)钻柱横向振动与涡动现象研究(如图9所示)；(3)钻柱纵向振动与跳钻现象研究(如图10所示)；(4)钻柱扭转振动与粘滑现象研究(如图11所示)；(5)钻柱与井壁的接触力分析(如图12所示)；(6)全井钻柱内力分析；
(7)摩阻分析(如图13所示)；(8)钻头力学特性研究(如图14、图15所示)；(9)驱动装置力学特性研究(如图16、图17所示)；(10)钻井系统导向性能研究研究翼肋伸出对钻具造斜过程的影响，采用两组翼 肋推出组合第一组组合翼肋1推出22mm+翼肋2推出Omm+翼肋3推出8mm ；第二组组合 翼肋1推出18mm+翼肋2推出Omm+翼肋3推出4mm。两种情况下，井斜角变化曲线(如图 18所示，其中实线为第一组组合，虚线为第二组组合)。井眼轨迹变化曲线(如图19所示， 其中实线为第一组组合，虚线为第二组组合)。由上述各步骤可知，本发明仿真试验研究不同钻井参数、不同钻井组合、钻头类型 和导向工具工作参数时旋转导向钻井系统的导向性能，为钻井系统驱动电机选型、顶驱吊 钩设计等提供参考，并且优化设计下部钻具组合、预测和实时控制井眼轨迹。综上所述，本发明基于绝对结点坐标框架的有限元梁模型描述大规模大长细比的 柔性钻杆(钻铤等)在旋转过程中受力-变形-运动；采用点和圆柱接触模型描述柔性钻 杆(钻铤)与三维刚性井壁的接触问题，同时将轴向包围盒接触检测方法与多体计算程序 相结合，提高计算效率，实现全井钻柱力学分析；在上述梁理论和刚体动力学基本理论基础 上，建立刚体-柔性梁固支约束以及柔性梁-柔性梁固支约束等模型，实现整个钻井系统 的旋转运动；在多体动力学软件的框架下，开发了速度(角速度)等约束，从而描述了顶驱 装置旋转的运动，同时基于上述约束模型实现了钻压调制以及翼肋运动实现钻井工具导向 等相关控制问题；分析了钻井系统中各种复杂接触问题，并将相关接触问题简化为球与面 接触，圆与圆接触、点与面接触以及点与圆柱接触等基本几何体之间接触问题，并此基础上 提出了非钻进过程钻头-岩石相互作用模型。最后基于模块式建模思想，研究钻井系统的 参数化建模过程，大大提高了系统建模效率。仿真试验研究不同钻井参数、不同钻井组合、 钻头类型和导向工具工作参数时旋转导向钻井系统的导向性能，从而优化设计下部钻具组 合、预测和实时控制井眼轨迹。上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以 有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等 同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
权利要求
1.一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 勻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
2.如权利要求1所述的一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法，其特征 在于所述步骤(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。
3.如权利要求1所述的一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法，其特征 在于所述步骤(3)中，所述作用力模型包括以下部分①顶驱电机驱动力矩模型将描述电机内电量变化的二阶微分方程，与动力学方程统 一求解，并通过数值积分方法得到电机内电流变化规律；②钻杆和钻铤与井壁随机接触力模型采用轴向包围盒方法作为接触预检测，比较梁 的轴线位置与井眼轴线的相对关系来判断钻杆或者钻铤是否与井壁发生接触；③非钻进情况下钻头与岩石相互作用模型钻头与岩石相互作用过程用赫兹接触模型 描述，钻头与井底接触转化成球与平面基本几何体接触问题，钻头与井壁接触转化为圆与 圆接触问题；④其它相关接触力模型钻井系统中滚轮稳定器以及扶正器与井眼相互作用采用接触 模型来描述；翼肋组件伸出过程时，转向头前端导向轮与翼肋组件接触面之间作用模型等 效为圆与圆接触模型。
4.如权利要求2所述的一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法，其特征 在于所述步骤(3)中，所述作用力模型包括以下部分①顶驱电机驱动力矩模型将描述电机内电量变化的二阶微分方程，与动力学方程统 一求解，并通过数值积分方法得到电机内电流变化规律；②钻杆和钻铤与井壁随机接触力模型采用轴向包围盒方法作为接触预检测，比较梁 的轴线位置与井眼轴线的相对关系来判断钻杆或者钻铤是否与井壁发生接触；③非钻进情况下钻头与岩石相互作用模型钻头与岩石相互作用过程用赫兹接触模型 描述，钻头与井底接触转化成球与平面基本几何体接触问题，钻头与井壁接触转化为圆与 圆接触问题；④其它相关接触力模型钻井系统中滚轮稳定器以及扶正器与井眼相互作用采用接触 模型来描述；翼肋组件伸出过程时，转向头前端导向轮与翼肋组件接触面之间作用模型等 效为圆与圆接触模型。
5.如权利要求1或2或3或4所述的一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模 方法，其特征在于所述步骤(4)中，所述钻井系统参数化模型包括以下部分①几何实体CAD/CAE模型参数化对旋转导向系统进行三维几何建模；②计算模型参数化将系统自顶而下定义若干模块顶驱装置单元模块、柔性钻杆/钻 铤单元模块、底部钻具组合单元模块和钻头单元模块以及辅助功能单元模块；除辅助功能 单元模块外，每个模块包含的动力学信息都由相应的模块属性元素来描述。
6.如权利要求5所述的一种旋转导向钻井系统多体动力学快速分析建模方法，其特征 在于所述步骤②中，所述模块属性元数主要有刚体属性信息、柔性体属性信息、约束属性 信息、载荷属性信息、marker属性信息和模块之间连接属性信息，各属性定义如下刚体属性定义了该模块中刚体总数；柔性体属性定义了该模块中柔性体数目、种类等信息；约束属性定义了该模块内各种约束索引信息；载荷属性定义了该模块中载荷类型，载荷数目以及载荷定义的相关参数信息；Marker属性定义了该模块中与约束、载荷以及单元体相关的属性信息；模块间连接属性信息定义不同模块之间连接信息索引。
全文摘要
本发明涉及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；②角速度约束模型；③刚体-梁固支约束模型；④梁-梁固支约束模型；(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。本发明由于基于多体动力学基本理论建立钻井系统的力学模型，实现了旋转导向全井钻柱系统的旋转运动及动力学分析，动态预测井眼轨迹。本发明可以广泛应用于油气田及煤层气开发领域中。
文档编号G06F17/50GK102063541SQ20101061620
公开日2011年5月18日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年12月30日
发明者任革学, 何保生, 周建良, 李汉兴, 杨蔡进, 程载斌, 管楠祥, 蒋世全 申请人:中国海洋石油总公司, 中海石油研究中心, 清华大学