俄罗斯钻柱系统动力学仿真分析软件：UM Drillstring Analysis

在油气钻井过程中通常需要进行钻具组合和钻进参数优选，尽量避免钻具损坏或井下事故发生，以节省时间和资金成本。因此下部钻具组合及其上部的钻柱在井眼中的动力学行为至关重要，然而我们无法通过足尺试验进行研究，只能依赖于先进的计算机数值仿真技术。钻井作业时，有很多因素的影响，如：钻头-岩石切削、井壁碰撞和摩擦、钻井液压力和温度等。特别是在复杂井眼中，钻柱系统受到各种交变载荷，容易产生屈曲和异常振动，从而导致失稳和疲劳失效。对于长达数千米甚至上万米的细长结构钻柱，传统的有限元方法和多刚体方法都会遇到模型自由度过大、计算效率低下等问题。

由于行业发展的需要，俄罗斯UM软件实验室在已有的刚柔耦合多体系统建模和计算方案基础上，开发了钻井行业专用的钻柱系统动力学仿真工具包UM Drillstring Analysis 1.0。

UM实验室在钻井领域的研究始于2009年，当时，位于美国休斯顿的Weatherford International公司（世界十大油田服务和钻井设备商之一）由于新产品开发和技术研究需要，在全球范围内考察调研，最终选择了UM的开发团队，为其量身定制一套下部钻具组合动力学仿真软件。经过三年的不懈努力，终于研发出了一套令用户满意的、精度高、效率高的企业专用工具包WDA，以代替此前使用的效率极低且功能有限的有限元仿真方案。

WDA与有限元软件计算结果对比

随后，UM实验室又与美国Mind Mesh Inc. 公司合作，联合开发了RiMo- Well Engineering Software软件，在北美市场推广，目前已有Nabors、Premier Directional Drilling和Legacy Directional等多家用户在使用。

在俄罗斯，UM实验室与TMK PREMIUM公司正在联合开发适合独联体国家钻井行业使用的ExpertProDrillingSoftware软件。

此次公开发布的UM Drillstring Analysis 1.0（简称UM DSA）是一款面向全球钻井公司工程服务人员的下部钻具组合、全井段钻杆柱系统动力学建模和仿真的专用程序。

UM DSA

UM DSA基于UM软件内核开发而成，具有参数化、数据库化、智能化和自动化等特点，用户无需学习UM软件基本操作和多体动力学理论知识，就能进行建模、仿真和后处理分析工作，其主要特点如下：

UM DSA钻柱系统仿真模型需要用户输入的数据全部为工程格式，专业化程度高，非常便于工程人员使用，这些数据包括井眼轨迹和井身结构、温度和压力梯度、钻井液参数以及下部钻具组合的描述等。

下部钻具组合及钻柱系统建模

井身结构建模

下部钻具组合及钻杆柱系统在UM软件里实际是由一组柔性的非均质梁、刚体以及外部导入的复杂有限元模型组成，相邻杆件之间通过不同的铰或力元连接。基于UM通用多体系统的建模环境，不仅能很方便地建立均匀的钻杆，还能模拟复杂的钻头、扶正器、井下动力钻具和旋转稳定系统等。

复杂的刚柔耦合建模技术

钻杆的柔性通过模态综合法或绝对节点坐标法描述，可以自动考虑钻柱在三维井眼（定向井、水平井、大位移井）中的弯曲变形。

模态综合法的验证

钻柱与井壁/套管之间的相互作用通过专门开发的“圆-圆筒”、“点-圆筒”柔性接触来模拟，既考虑法向力，又考虑切向摩擦力。借助于UM软件高效率的接触力元，实现了不同形式的钻头与岩石的接触模拟，如：PDC钻头、牙轮钻头。

圆-圆筒接触模型

钻杆柱系统的运动方程由UM软件内核自动生成，无需手动推导方程。高效高精度的数值算法是快速精确求解下部钻具组合及钻杆柱系统力学行为的保障。多核多工况并行计算技术更大程度地利用计算机资源，节省仿真时间。

在使用UM DSA时，静力分析、摩阻/扭矩分析和时域仿真分析都是标准化的工程作业，用户只需简单几步操作就能轻松完成。

静力分析：给定钻头在井眼中的位置，评估下部钻具组合的平衡状态，获得套管/井壁与钻杆的接触力、钻杆内力分布等。

摩阻/扭矩分析：评估多种钻井作业时下钻柱扭矩和轴向力的分布，如：分析井眼中钻柱发生螺旋屈曲和正弦屈曲的临界力。既提供快速求解的“软杆”模型，又提供考虑横向刚度及位移的“刚杆”模型。支持模拟分析起下钻、钻进、卡钻、划眼及井下动力驱动等工况。

时域仿真分析：时域仿真功能既支持下部钻具组合，也支持包含了钻杆柱的完整系统。计算时充分考虑到钻头与岩石，钻杆与井壁/套管的接触作用，顶部驱动控制以及特殊激励。提供推靠式和指向式旋转导向的交互式控制面板，在仿真过程中可以实时调节参数。通过施加不同的边界条件模拟作业工况：大钩载荷，钻压、转盘转速，钻进速度和钻井液流速等。

不久的未来，UM实验室还会发布嵌于UM软件原始环境（UM Input和UM Simulation）的通用钻井分析模块UM Drilling，它具有更全面、更精细的建模和仿真分析能力。这个模块更适合高校和研究所使用，因为需要学习UM软件的建模和仿真操作以及具备基本的多体动力学理论知识，敬请期待。

参考文献：

[1] Pogorelov, Dmitry , et al. “A Multibody System Approach to Drill String Dynamics Modeling.” Asme Biennial Conference on Engineering Systems Design & Analysis 2012.

[2] Dmitrochenko, O. , et al. “A nonlinear finite element for simulation of dynamics of beam structures using multibody system approach.” (2014).

[3] E O?ate, et al. “USE OF MULTIBODY SYSTEM APPROACH FOR TORQUE AND DRAG ANALYSIS OF LONG DRILL STRINGS.” 11th world congress computational mechanics 2014.

[4] Mikheev, G, Pogorelov, D, Dmitrochenko, O, & Gandikota, R. “Flexible Multibody Approaches for Dynamical Simulation of Beam Structures in Drilling.” Proceedings of the ASME 2014 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference. Volume 6: 10th International Conference on Multibody Systems, Nonlinear Dynamics, and Control. Buffalo, New York, USA. August 17–20, 2014. V006T10A037. ASME.

来源：StrongThunder