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申请/专利权人：中国地质大学(武汉)

摘要：本发明提供了一种基于钻井液循环波动下的钻柱扭转振动建模方法，包括：基于钻速对井下钻井液的波动影响，建立井上泵量和井下泵量之间的关系；考虑钻井液循环波动影响，建立扭转钻头‑岩石作用模型，所述扭转钻头‑岩石作用模型包括摩擦项和阻尼项，所述阻尼项包含转速、井下钻井液循环波动公式；利用转盘角位移和第一根钻杆角位移关系，得到第一根钻杆的输入扭矩，将该扭矩输入到余下的钻柱振动模型中，建立转速作为输入的多自由度钻柱扭转振动模型；验证钻柱扭转振动模型的有效性。本发明考虑钻井液循环波动对钻柱扭转振动的影响，建立扭转钻头‑岩石作用模型并应用到建立的钻柱扭转振动模型，为钻进过程钻柱黏滑振动抑制研究奠定基础。

主权项：1.一种基于钻井液循环波动下的钻柱扭转振动建模方法，其特征在于，包括：S1：基于钻速对井下钻井液的波动影响，建立井上泵量和井下泵量之间的关系；S2：考虑钻井液循环波动影响，建立扭转钻头-岩石作用模型，所述扭转钻头-岩石作用模型包括摩擦项和阻尼项，所述阻尼项包含转速、井下钻井液循环波动公式；其中，所述建立扭转钻头-岩石作用模型具体包括如下步骤：S21：获取现有的Karnopp钻头-岩石作用模型，所述Karnopp钻头-岩石作用模型的具体表达式如下： 其中：Wob表示钻压，Rb表示钻头半径，T2＝WobRbμb是静力矩，是非常小的正值，T1为最大静摩擦扭矩，θhp为钻铤转速，θb为钻头转速；S22：考虑破岩过程中摩擦力和速度之间的Stribeck效应，考虑钻井液循环波动影响，建立包含阻尼项的改进型Karnopp钻头-岩石作用模型； 其中：Cb为阻尼系数；S23：考虑钻井液循环波动影响，建立钻头-岩石作用模型，所述钻头-岩石作用模型的表达式如下； 其中：cb为考虑泵量以后的阻尼系数，ST井下为井下泵量大小；S3：利用转盘角位移和第一根钻杆角位移关系，得到第一根钻杆的输入扭矩，将该扭矩输入到余下的钻柱振动模型中，建立转速作为输入的多自由度钻柱扭转振动模型；其中，所述建立转速作为输入的多自由度钻柱扭转振动模型的过程如下：S31：获取现有的扭转多自由度模型，所述现有的扭转多自由度模型的表达式如下： 其中：代表n+3个惯量单元的角位移，分别对应顶驱、钻杆、加重钻杆及钻铤；是来自顶驱的输入力矩，是来自钻头上的力矩，Jr,Cr,Kr分别为惯量矩阵、局部阻尼矩阵和刚度矩阵，其表达式如下： 矩阵Jr,Cr,Kr中的各项通过如下表达式计算得到： 其中：α表示第i个钻杆单元、加重钻杆单元及钻铤的扭转刚度系数，α∈{p1,…,pn,hp,dc}；ρ和Gs分别表示钻柱的密度与剪切模量；Do_α,Di_α和Iα分别表示关于α的外径、内径与极惯性矩；是每单元钻杆长度所受的钻井液阻尼系数；顶驱的惯量Jt和所受的局部阻尼dt为常值；S32：根据多自由度钻柱模型的设计方式，将转盘转速作为钻柱多自由度模型第一自由度输入的转速，得到钻杆第一个自由度的输入扭矩： S33：通过井上转盘转速和钻柱第一自由度转速，计算第一节钻杆的输入扭矩，并将所述第一节钻杆的扭矩作为剩下钻杆自由度模型的输入扭矩，建立钻进井场的钻柱扭转模型，所述钻进井场的钻柱扭转模型的具体表达式如下： S34：选择为状态向量，得到钻柱的钻柱扭转模型，所述钻柱扭转模型的表达式如下： 其中： S4：验证钻柱扭转振动模型的有效性。

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