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第一章　绪论1

1.1　钻井系统概述1

1.2　钻井系统动力学概述3

参考文献11

第二章　钻柱几何非线性动力学研究15

2.1　直井段钻柱几何非线性动力学分析15

2.1.1　基本假设15

2.1.2　钻柱系统动力学的直线梁格式16

2.1.3　直线梁位移函数18

2.1.4　直线梁钻柱单元刚度矩阵19

2.1.5　直线梁钻柱单元质量矩阵21

2.1.6　直线梁钻柱单元阻尼矩阵22

2.1.7　直线梁钻柱单元组集整体矩阵23

2.1.8　直线梁钻柱的三维坐标转换24

2.2　曲井段钻柱几何非线性动力学分析26

2.2.1　曲线梁位移函数27

2.2.2　钻柱系统动力学的曲线梁格式30

2.2.3　曲线梁钻柱单元刚度矩阵31

2.2.4　曲线梁钻柱单元质量矩阵和阻尼矩阵32

参考文献32

第三章　钻柱参考构形及初始问题研究34

3.1　基于数学描述的钻柱参考构形分析35

3.1.1　钻柱参考构形问题描述35

3.1.2　钻柱参考构形轴线位置坐标插值函数36

3.1.3　钻柱参考构形轴线位置坐标的导函数38

3.1.4　钻柱参考构形轴线的曲率和挠率38

3.2　基于数学描述的钻柱初始问题分析39

3.2.1　初位移的计算40

3.2.2　单元畸变的计算41

3.2.3　单元内初始内力的等效节点力42

参考文献44

第四章　井眼内钻柱与井壁接触非线性动力学研究45

4.1　钻柱接触碰撞非线性动力学分析45

4.1.1　接触碰撞非线性问题45

4.1.2　钻柱与井壁接触碰撞定解条件46

4.1.3　接触非线性动力学有限元格式48

4.2　基于元胞自动机的钻柱非线性动力学研究48

4.2.1　元胞自动机基本理论49

4.2.2　基于元胞自动机的钻柱非线性动力学求解方法51

4.2.3　元胞自动机计算实例53

参考文献55

第五章　基于钻柱动力学气体钻井防斜技术研究56

5.1　气体钻井井斜机理分析56

5.2　气体钻井防斜技术59

5.3　气体钻井下部钻具组合有限元分析61

5.3.1　气体钻井中钻柱动力学的有限元分析61

5.3.2　气体钻井中下部钻具组合动力学分析63

5.4　气体钻井钻柱动力学特性仿真结果分析74

参考文献90

第六章　小井眼侧钻水平井钻柱动力学分析91

6.1　钻柱摩阻模型建立91

6.1.1　基本假设与坐标系的建立91

6.1.2　建立模型92

6.1.3　旋转钻进状态时的摩阻模型96

6.1.4　复合运动摩阻系数的确定96

6.1.5　黏滞力数学模型97

6.2　小井眼侧钻水平井钻柱动力学分析98

6.2.1　钻柱系统动力学模型的建立98

6.2.2　钻柱的外载荷98

6.2.3　结构动力学非线性方程100

6.2.4　钻柱与井壁接触的动力学模型100

6.3　动力学模型的边界条件105

6.3.1　上端边界条件105

6.3.2　下端边界条件106

6.4　小井眼侧钻水平井动力学评价系统软件107

6.4.1　评价系统软件设计107

6.4.2　各个模块功能说明110

6.4.3　软件运行环境115

6.5　小井眼侧钻水平井钻柱仿真分析115

6.5.1　小井眼侧钻水平井钻柱静力学仿真分析116

6.5.2　小井眼侧钻水平井钻柱动力学仿真分析119

参考文献125

第七章　基于多自由度牙轮钻头动力学的井眼轨迹研究127

7.1　岩石物理力学性能试验研究127

7.1.1　嘉陵江灰岩的物性描述127

7.1.2　岩石抗拉强度测定128

7.1.3　岩石单轴抗压强度试验129

7.1.4　岩石三轴强度试验131

7.1.5　岩石的硬度和塑性系数测定134

7.1.6　岩石的可钻性测定135

7.1.7　嘉一灰岩力学性能分析137

7.2　钻头破岩机理研究138

7.2.1　分析破岩应力的理论基础138

7.2.2　岩石在不同硬质合金镶齿压入时的应力分布139

7.2.3　岩石在不同齿形压入时破碎的基本特点146

7.3　牙轮钻头几何模型147

7.3.1　坐标系的建立147

7.3.2　牙轮上任一点的几何学基本方程147

7.3.3　牙轮结构仿真模型148

7.4　九自由度牙轮钻头动力学模型149

7.4.1　三牙轮钻头动力学模型150

7.4.2　接触齿受力模型151

7.5　井眼轨迹仿真模型152

7.5.1　井底和井壁几何模型描述153

7.5.2　钻头动坐标变换154

7.5.3　钻头位移模型155

7.6　基于牙轮钻头动力学的井眼轨迹模拟155

7.6.1　计算方法155

7.6.2　仿真试验与结果分析156

参考文献161

第八章　基于小波分析的井眼轨迹预测模型163

8.1　基于小波分析的预测方法研究163

8.1.1　小波分析概述163

8.1.2　小波分析的基本理论164

8.1.3　小波分析在井眼轨迹预测研究中的应用165

8.2　基于小波分析的井眼轨迹预测模型的建立和求解168

8.2.1　井眼轨迹的小波包分解168

8.2.2　井眼轨迹组合预测模型170

8.3　仿真试验和结果分析173

参考文献175

第九章　钻井系统动力学及井眼轨迹模拟研究177

9.1　仿真策略177

9.2　程序结构和算法设计180

9.3　仿真试验结果分析182

9.3.1　边界条件及参数计算182

9.3.2　仿真实例185

参考文献196

附录1 曲线梁形函数中非零元素表达式198

附录2　常用小波函数的主要性质199

附录3　仿真数据200