[发明专利]一种复杂结构井钻柱横向振动分析方法

权利要求书

1.一种复杂结构井钻柱横向振动分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据目标井的井深数据和方位角数据，获得所述目标井的井眼轨迹；

S2：将目标井的钻柱沿井眼轨迹分为若干梁单元，并以目标井的井眼轨迹向为X轴建立随体坐标系，获得每一所述梁单元的位移向量方程式；

S3：将每一梁单元建立的随体坐标系进行坐标系变换，得到每一所述梁单元的随体坐标系与大地坐标系的转换关系；

S4：根据拉格朗日方程，建立所述钻柱每一梁单元在随体坐标系下的非线性横向振动模型，并代入随体坐标系和大地坐标系的转换关系，叠加得到所述钻柱在大地坐标系下的动力学模型；

S5：设定所述钻柱边界条件，并将所述钻柱位移向量方程式带入所述动力学模型，离散求解动力学模型，得到所述钻柱在负荷运行时的横向振动曲线。

2.根据权利要求1所述的复杂结构井钻柱横向振动分析方法，其特征在于，在步骤S1中，所述井眼轨迹采用三次样条插值方法获得。

3.根据权利要求2所述的复杂结构井钻柱横向振动分析方法，其特征在于，所述井眼轨迹采用以下步骤得到：

S11：沿所述目标井选取若干个测点，测井获得若干个所述目标井的井深数据、方位角数据、井斜角数据；

S12：根据曲率半径法计算每一测点的坐标；

S13：根据三次样条插值方法得到所述目标井的井眼轨迹。

4.根据权利要求1所述的复杂结构井钻柱横向振动分析方法，其特征在于，每一所述梁单元的位移向量方程式为：

{U_i}_e＝[x_i,y_i,z_i,θ_xi,θ_yi,θ_zi,x_j,y_j,z_j,θ_xj,θ_yj,θ_zj]；

其中，x_i、y_i、z_i为每一梁单元的一节点的坐标；、x_j、y_j、z_j分别为每一梁单元的另一节点的坐标；θ_xi、θ_yi、θ_zi、θ_xj、θ_yj、θ_zj分别为每一梁单元两个节点绕坐标轴转动的转角。

5.根据权利要求1所述的复杂结构井钻柱横向振动分析方法，其特征在于，所述随体坐标西和大地坐标系的转换关系为：

其中，Trans为转换矩阵；

所述转换矩阵为：

其中，为随体坐标系转化为大地坐标系时X轴的旋转角度；为随体坐标系转化为大地坐标系时Y轴的旋转角度；为随体坐标系转化为大地坐标系时Z轴的旋转角度。

6.根据权利要求1所述的复杂结构井钻柱横向振动分析方法，其特征在于，所述梁单元在的非线性横向振动模型为：

其中，{U}_e,{F}_e分别为随体坐标系下的广义加速度、广义速度、广义位移及外力矢量；[M]_e，[C]_e和[K]_e分别表示随体坐标系下的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。

7.根据权利要求1所述的复杂结构井钻柱横向振动分析方法，其特征在于，所述钻柱在大地坐标系下的动力学模型为：

其中，{U′}{F′}分别为钻柱上各节点大地坐标系下的广义加速度、广义速度、广义位移及外力矢量；[M′]、[C′]和[K′]分别钻柱表示大地坐标系下的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵。