水平定向钻机钻杆振动特性研究

• 作 者: 孔德功
• 发表日期: 2012年期
• 关键词: 水平定向钻 钻杆 振动 有限元

作为水平定向钻进施工中最主要的耗材,钻杆通常要在多种力学性能完全不同的土层中旋转钻进,承受拉、压、弯、扭力以及振动、冲击等载荷。这使得每一段钻杆都处于极端的机械应力状态,钻杆容易出现疲劳断裂给施工方造成巨大损失,而振动是钻杆产生疲劳断裂的主要原因。本文应用有限元分析软件ANSYS,对钻杆的振动特性进行研究,主要的工作内容和结论为：1)建立受力最恶劣的造斜段钻杆的有限元模型并进行静力分析,得到了钻杆应力的分布规律及造斜段曲率半径等因素对钻杆应力状态的影响规律,发现钻杆接头与土壤接触部分是应力集中区域,增大造斜段曲率半径可以减小钻杆的最大应力值；2)对钻孔中钻杆的横向振动、纵向振动和扭转振动分别进行分析,得到了钻杆不同形式振动的固有频率以及造斜段曲率半径、水平段长度、钻杆规格及推拉力等参数对钻杆振动特性的影响规律,发现水平段长度的增大和推拉力的提高会降低钻杆横向振动、纵向振动和扭转振动的固有频率,增大造斜段曲率半径会降低钻杆横向振动的固有频率而增大钻杆规格会提高钻杆的横向振动固有频率；3)结合工程算例分析了钻杆振动特性在工程中的应用,发现增大造斜段曲率半径或者增大钻杆规格均可以避免钻杆产生横向共振,对钻杆振动特性的研究结果对工程施工转速优选和钻孔轨迹设计具有一定的指导意义；4)设计实验测量悬臂钢管的固有频率并与仿真计算结果进行对比,验证了钻杆振动分析模型的正确性。