本發(fā)明涉及鉆具可靠性監(jiān)測(cè)與評(píng)估，尤其涉及一種考慮動(dòng)態(tài)特性的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向疲勞壽命預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、由于旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向始終處于狹長(zhǎng)井眼中長(zhǎng)時(shí)間高速旋轉(zhuǎn)，承受著橫向、縱向、扭轉(zhuǎn)等耦合振動(dòng)及鉆壓、扭矩、彎矩等動(dòng)態(tài)載荷，長(zhǎng)時(shí)間使用后難免出現(xiàn)工具損傷、疲勞損壞等現(xiàn)象。為了有效評(píng)估旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向的使用壽命和應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)，降低疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)，非常有必要在工具出廠時(shí)全面考慮工具的惡劣施工載荷，保守預(yù)測(cè)工具的疲勞壽命。

2、旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具始終在狹長(zhǎng)井眼中高速旋轉(zhuǎn)，承受著耦合振動(dòng)、復(fù)雜載荷和隨機(jī)碰撞，由于動(dòng)態(tài)因素及非線性條件過(guò)于復(fù)雜，靜力學(xué)有限元方法已無(wú)法滿足準(zhǔn)確估計(jì)工具的真實(shí)載荷，需要建立考慮動(dòng)態(tài)特性的動(dòng)力學(xué)有限元模型，充分考慮動(dòng)態(tài)載荷下工具所承受的應(yīng)力；由于靜態(tài)推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)特殊的工具結(jié)構(gòu)及工作原理，其導(dǎo)向頭中存在上下驅(qū)動(dòng)軸、非旋轉(zhuǎn)外套、翼肋等復(fù)雜機(jī)械結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)軸跟隨鉆柱本體結(jié)構(gòu)保持高速旋轉(zhuǎn)，非旋轉(zhuǎn)外套通過(guò)上、下兩個(gè)滑動(dòng)軸承與驅(qū)動(dòng)軸連接，基本保持靜止，翼肋在非旋轉(zhuǎn)外套外部用于支撐井壁，以便給鉆頭提供所需的導(dǎo)向力，不同結(jié)構(gòu)、不同位置處的疲勞載荷特性不同，有些位置所受載荷以正負(fù)交變的彎矩為主，有些位置始終受拉伸作用。因此，需要分析各復(fù)雜結(jié)構(gòu)的受力特征，明確不同位置處所受交變載荷的應(yīng)力比，以便于準(zhǔn)確描述工具所受載荷歷程。

3、現(xiàn)有研究中有部分關(guān)于鉆具疲勞壽命預(yù)測(cè)的方法，例如專(zhuān)利文件cn113065211b提供的一種基于鉆柱動(dòng)力學(xué)的底部鉆具組合疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，其通過(guò)常規(guī)工具底部鉆具動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算得到節(jié)點(diǎn)位移、加速度等隨時(shí)間變化函數(shù)；計(jì)算節(jié)點(diǎn)等效應(yīng)力，根據(jù)walker模型預(yù)測(cè)底部鉆具疲勞壽命。專(zhuān)利文件cn103967428b提供了一種鉆柱疲勞失效風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)方法，測(cè)量目標(biāo)井的井身結(jié)構(gòu)，鉆具組合結(jié)構(gòu)和實(shí)際井眼軌跡參數(shù)，建立鉆柱動(dòng)力學(xué)有限元模型；求解鉆柱各節(jié)點(diǎn)截面屈曲應(yīng)力、動(dòng)態(tài)彎曲應(yīng)力和動(dòng)態(tài)軸向力以及修正動(dòng)態(tài)彎曲應(yīng)力；求解鉆柱各節(jié)點(diǎn)截面疲頻系數(shù)；根據(jù)疲頻系數(shù)給出其與井深關(guān)系圖，從而對(duì)鉆柱是否具有較高的產(chǎn)生疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。上述方案均缺少針對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模與邊界條件處理過(guò)程，也缺少針對(duì)不同危險(xiǎn)位置的交變載荷應(yīng)力比分析，無(wú)法對(duì)運(yùn)行機(jī)理復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向?qū)崿F(xiàn)可靠精確的疲勞壽命預(yù)測(cè)。

4、公開(kāi)于本發(fā)明背景技術(shù)部分的信息僅僅旨在加深對(duì)本發(fā)明的一般背景技術(shù)的理解，而不應(yīng)當(dāng)被視為承認(rèn)或以任何形式暗示該信息構(gòu)成己為本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種考慮動(dòng)態(tài)特性的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向疲勞壽命預(yù)測(cè)方法，該方法基于設(shè)定的目標(biāo)測(cè)試結(jié)構(gòu)建立三維結(jié)構(gòu)模型，基于靜力學(xué)有限元仿真模型結(jié)合設(shè)定測(cè)試井段分析危險(xiǎn)點(diǎn)，確定各危險(xiǎn)點(diǎn)的靜態(tài)mises應(yīng)力；引入動(dòng)態(tài)邊界載荷構(gòu)建動(dòng)力學(xué)有限元仿真模型，分析各危險(xiǎn)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)mises應(yīng)力；根據(jù)動(dòng)態(tài)最大應(yīng)力和靜態(tài)應(yīng)力計(jì)算各危險(xiǎn)點(diǎn)動(dòng)態(tài)載荷加成系數(shù)；另外從鉆壓、扭矩、彎矩多方面分析各點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)載荷特性與載荷歷程，確定各危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力比；針對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的材料分析疲勞特性；設(shè)計(jì)線性損傷累積運(yùn)算模型，綜合上述計(jì)算結(jié)果為輸入多輪次計(jì)算疲勞指標(biāo)值，進(jìn)而確定整串工具的疲勞壽命。該方案能克服現(xiàn)有技術(shù)運(yùn)算角度不全面、精確度不足的缺陷，充分考慮動(dòng)態(tài)載荷特性以及不同危險(xiǎn)點(diǎn)的載荷歷程實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)；在一個(gè)實(shí)施例中，所述方法包括：

2、結(jié)構(gòu)模型建立步驟：針對(duì)旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具根據(jù)作業(yè)機(jī)理選定目標(biāo)測(cè)試結(jié)構(gòu)，基于所述目標(biāo)測(cè)試結(jié)構(gòu)建立對(duì)應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分；

3、危險(xiǎn)點(diǎn)分析步驟：基于靜力學(xué)有限元仿真模型結(jié)合設(shè)置的測(cè)試井段，分析所述目標(biāo)測(cè)試結(jié)構(gòu)中的危險(xiǎn)點(diǎn)，確定各危險(xiǎn)點(diǎn)處的靜態(tài)mises應(yīng)力；

4、動(dòng)態(tài)仿真分析步驟：引入動(dòng)態(tài)邊界載荷，構(gòu)建動(dòng)力學(xué)有限元仿真模型，分析各危險(xiǎn)點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)mises應(yīng)力；

5、動(dòng)態(tài)加成分析步驟：根據(jù)各危險(xiǎn)點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)最大應(yīng)力和靜態(tài)應(yīng)力計(jì)算危險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)載荷加成系數(shù)；

6、載荷歷程分析步驟：從鉆壓、扭矩、彎矩多方面分析不同危險(xiǎn)點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)載荷特性并分類(lèi)標(biāo)識(shí)；

7、材料疲勞分析步驟：針對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行疲勞測(cè)試，獲得表征疲勞特性的材料疲勞曲線數(shù)據(jù)；

8、疲勞壽命決策步驟：綜合靜力學(xué)有限元仿真結(jié)果、動(dòng)態(tài)載荷加成系數(shù)、載荷特性標(biāo)識(shí)和材料疲勞曲線數(shù)據(jù)為輸入，設(shè)計(jì)線性損傷累積運(yùn)算模型，作為疲勞分析運(yùn)算模型，利用疲勞分析運(yùn)算模型多輪次計(jì)算不同危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞指標(biāo)值，基于其選取旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向整串工具的目標(biāo)疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果。

9、一個(gè)可選的實(shí)施例中，結(jié)構(gòu)模型建立步驟中，選定的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具目標(biāo)測(cè)試結(jié)構(gòu)表征旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向整串工具，包括：導(dǎo)向頭單元、地質(zhì)測(cè)量單元、中控單元和上部連接鉆桿單元中的多個(gè)子功能結(jié)構(gòu)。

10、進(jìn)一步地，一個(gè)實(shí)施例中，危險(xiǎn)點(diǎn)分析步驟中，基于彈性體平衡微分方程構(gòu)建靜力學(xué)有限元仿真模型，所述彈性體平衡微分方程如下式：

11、

12、其中，σ為應(yīng)力；x、y、z為笛卡爾三坐標(biāo)向量；fb為體積力。

13、優(yōu)選地，一個(gè)實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)仿真分析步驟中，動(dòng)態(tài)邊界載荷為施加最高鉆壓進(jìn)行破巖時(shí)，鉆頭處所受動(dòng)態(tài)鉆壓和反扭矩載荷；通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算各危險(xiǎn)點(diǎn)不同測(cè)試井段動(dòng)態(tài)mises應(yīng)力譜，并提取其中最大mises應(yīng)力值。

14、一個(gè)實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)仿真分析步驟中，依據(jù)鉆頭處所受動(dòng)態(tài)鉆壓和反扭矩載荷數(shù)據(jù)，基于拉格朗日方程，建立旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向動(dòng)力學(xué)有限元仿真模型，所述動(dòng)力學(xué)有限元仿真模型的動(dòng)力學(xué)方程如下式：

15、

16、拉格朗日方程為：

17、

18、其中，t為動(dòng)能；u為勢(shì)能；q為位移矢量；f為廣義力；t為時(shí)間；[m]為全局質(zhì)量矩陣；[k]為全局剛度矩陣；[c]為全局阻尼矩陣；{f}為全局外力向量。

19、進(jìn)一步地，一個(gè)實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)仿真分析步驟中，破巖過(guò)程中的動(dòng)態(tài)鉆壓采用在目標(biāo)鉆壓基礎(chǔ)上添加一個(gè)隨鉆壓呈正弦變化的動(dòng)態(tài)函數(shù)，如下式：

20、wb＝w0(1+asin(nθ))

21、其中，wb為鉆頭處實(shí)際鉆壓；w0為目標(biāo)鉆壓；a為鉆壓波動(dòng)幅度，與鉆頭縱向振動(dòng)程度有關(guān)；n為激勵(lì)因子；θ為鉆頭轉(zhuǎn)角。

22、一個(gè)可選的實(shí)施例中，動(dòng)態(tài)仿真分析步驟中，鉆頭反扭矩包含鉆壓作用下的扭矩、推靠力作用下的扭矩和鉆柱沿程摩擦扭矩，如下式：

23、ttotal＝tw+ts+tf

24、

25、ts＝μsfsrb

26、其中，ttotal為鉆頭處實(shí)際扭矩；tw為鉆壓作用下的扭矩；ts為推靠力作用下的扭矩；tf為鉆柱沿程摩擦扭矩，需要根據(jù)管柱力學(xué)理論計(jì)算；g為剪切模量；iz為梁?jiǎn)卧獦O慣性矩；le為最下端梁?jiǎn)卧L(zhǎng)度；θ1為鉆頭節(jié)點(diǎn)周向轉(zhuǎn)角；θ2為鉆頭上一個(gè)節(jié)點(diǎn)周向轉(zhuǎn)角；ω為鉆頭轉(zhuǎn)速；δ為粘滯相臨界轉(zhuǎn)速；rb為鉆頭外徑；μs為靜摩擦系數(shù)；μk為動(dòng)摩擦系數(shù)；dc為衰減系數(shù)；γeq為滑移率。

27、進(jìn)一步地，一個(gè)實(shí)施例中，材料疲勞分析步驟中，針對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)，從其鍛件原材料的匹配位置采集材料試樣，基于材料試樣基于升降法原則使用高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行軸向拉壓疲勞試驗(yàn)，完成疲勞測(cè)試；所述匹配位置根據(jù)當(dāng)前結(jié)構(gòu)的作業(yè)特性確定。

28、一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，材料疲勞分析步驟中，疲勞測(cè)試完成后，根據(jù)升降法測(cè)試的應(yīng)力數(shù)據(jù)，在其上選定設(shè)定級(jí)別的應(yīng)力，結(jié)合設(shè)定的置信度要求進(jìn)行成組法試驗(yàn)，根據(jù)疲勞測(cè)試結(jié)果和成組法試驗(yàn)結(jié)果繪制當(dāng)前材料的疲勞s-n曲線，其中，試驗(yàn)對(duì)應(yīng)試樣的數(shù)量與置信度要求相匹配。

29、可選地，一個(gè)實(shí)施例中，疲勞壽命決策步驟中，綜合靜力學(xué)有限元仿真結(jié)果、動(dòng)態(tài)載荷加成系數(shù)、載荷特性標(biāo)識(shí)和材料疲勞曲線數(shù)據(jù)為輸入，設(shè)計(jì)miner線性損傷累積運(yùn)算模型如下式：

30、

31、針對(duì)不同危險(xiǎn)點(diǎn)，分別進(jìn)行多輪次針對(duì)性的疲勞壽命預(yù)測(cè)，從不同危險(xiǎn)點(diǎn)的疲勞指標(biāo)值中選取最小值作為旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向整串工具的目標(biāo)疲勞壽命預(yù)測(cè)結(jié)果；

32、式中，ni為某級(jí)別循環(huán)應(yīng)力作用下的循環(huán)次數(shù)；ni為某級(jí)別循環(huán)應(yīng)力作用下的壽命循環(huán)次數(shù)；d為各級(jí)別應(yīng)力作用下的疲勞損傷之和。

33、基于上述任意一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中所述方法的其他方面，本發(fā)明還提供一種存儲(chǔ)介質(zhì)，該存儲(chǔ)介質(zhì)上存儲(chǔ)有可實(shí)現(xiàn)如上述任意一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中所述方法的程序代碼。

34、基于上述任意一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中所述方法的應(yīng)用方面，本發(fā)明還提供一種考慮動(dòng)態(tài)特性的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向疲勞壽命預(yù)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)執(zhí)行如上述任意一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中所述的方法。

35、與最接近的現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明還具有如下有益效果：

36、本發(fā)明提供的一種考慮動(dòng)態(tài)特性的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向疲勞壽命預(yù)測(cè)方法及系統(tǒng)，該方法基于設(shè)定的目標(biāo)測(cè)試結(jié)構(gòu)建立三維結(jié)構(gòu)模型，基于靜力學(xué)有限元仿真模型結(jié)合設(shè)定測(cè)試井段分析危險(xiǎn)點(diǎn)，確定各點(diǎn)的靜態(tài)mises應(yīng)力；進(jìn)一步引入動(dòng)態(tài)邊界載荷構(gòu)建動(dòng)力學(xué)有限元仿真模型，分析各點(diǎn)的動(dòng)態(tài)mises應(yīng)力；根據(jù)動(dòng)態(tài)最大應(yīng)力和靜態(tài)應(yīng)力計(jì)算各點(diǎn)動(dòng)態(tài)載荷加成系數(shù)；該方案針對(duì)目標(biāo)測(cè)試機(jī)構(gòu)分析不同危險(xiǎn)點(diǎn)后引入動(dòng)態(tài)邊界載荷運(yùn)算動(dòng)態(tài)應(yīng)力，充分考慮工具在應(yīng)用過(guò)程中的動(dòng)態(tài)載荷特性，更加準(zhǔn)確、保守地預(yù)測(cè)工具的載荷應(yīng)力數(shù)據(jù)；

37、另外從鉆壓、扭矩、彎矩多方面分析各點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)載荷特性；針對(duì)危險(xiǎn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)的材料分析疲勞特性；設(shè)計(jì)miner線性損傷累積運(yùn)算模型綜合上述計(jì)算結(jié)果為輸入計(jì)算疲勞指標(biāo)值，進(jìn)而確定整串工具的疲勞壽命。通過(guò)多方面分析各點(diǎn)處的動(dòng)態(tài)載荷特性并測(cè)試確定各結(jié)構(gòu)受力特征對(duì)應(yīng)的疲勞特性，基于上述操作能夠有效適用于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，實(shí)現(xiàn)精確可靠的疲勞壽命預(yù)測(cè)分析。

38、本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書(shū)中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書(shū)中變得顯而易見(jiàn)，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求書(shū)以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。