偏轴钟摆钻具组合力学特性分析

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1、偏轴钟摆钻具组合力学特性分析史玉才，管志／J(石油大学石油工程学院，山东东营257061)摘要：运用纵横弯曲连续梁理论和达朗伯原理，建立了偏轴钟摆钻具组合动力学分析模型。该模型能够用于求解钻头处的侧向力和转角以及偏轴接头处的侧向力，以评价钻具组合的防斜(纠斜)能力和偏轴接头附近的偏磨程度。计算结果表明，适当降低钻压或提高转速，有*EJT-eq~；增加偏轴接头偏心距或将偏轴接头位置上移，有利于纠斜，但不利于控制钻铤(或接头)偏磨；扶正器位置上移基本上不利于纠斜，也不利于控制钻铤(或接头)偏磨；偏轴接头处存在较大的接触力时，适当调整

2、钻井参数或钻具结构能够避免或减轻钻铤偏磨。关键词：钻井；井斜控制；钻具组合；偏轴接头；钟摆钻具中图分类号：TE21文献标识码：A偏轴钟摆钻具组合是目前常用的防斜打直钻具组合之一。理论研究和现场实践表明，该钻具组合具有防斜和纠斜能力强、防斜打直效率高的优点

3、l~4j。然而，作为一种较新的防斜打直技术，该钻具组合在使用中还存在一些问题，主要表现在：(1)还没有公开发表的成熟的力学模型，现场工程人员难以深入理解和掌握此项技术，大部分使用者还只是凭经验设计钻具组合，选择钻井参数，这势必影响防斜打直效果。(2)偏轴接头附近的钻铤普遍存在偏

4、磨现象，严重偏磨有时会造成钻铤刺漏、断裂，目前还没有有效的评价方法和预防措施。为此，笔者建立一个较简单、实用的偏轴钟摆钻具力学模型，通过计算钻头处的侧向力和转角以及偏轴接头处的侧向力，评价该钻具的防斜打直效果及偏轴接头附近的偏磨程度，从而为钻具组合设计、钻井参数选择和预防钻铤严重偏磨提供理论指导。1偏轴钟摆钻具组合及力学模型偏轴钟摆钻具集中了普通钟摆钻具和偏轴钻具的结构特征。图l是偏轴接头结构示意图，两端的螺纹轴线均偏移。偏轴钟摆钻具的基本组合形式lj为：215．9mm钻头+177．8mm钻铤(9～121TI)+偏轴接头(e=1

5、2～15mm)+177．8mm钻铤(6～9m)+215mm扶正器+177．8mm钻铤×4+127mnq_钻杆；钻井参数：钻压w为60～180kN，转速为60～150r／min。运用文献[5]中纵横弯曲连续梁理论，将钻头处简化为固定铰支座，将偏轴接头、扶正器以及上切点处均简化为滑动支座，针对第l段钻铤转至井眼低边、井眼高边两个特殊位置，建立如图2(a)和图2(b)所示的力学模型。辛(a)井眼艮低边边p群

6、LJ争～阶面IIIINoN1N2N3图2偏轴钟摆钻具力学分析模型1．1偏轴接头的等效处理对偏轴接头的等效处理是建立和求解该模型的

7、关键。忽略偏轴接头长度的影响，接头处就成为一个台阶面，如图2(C)所示。台阶面两侧转角连续，横向位移和内弯矩不连续，存在如下关系：M}=M±Pe．(1)e}=e±e．(2)收稿日期：2003．12—3O作者简介：史玉才(1972一)，男(汉族)，河南南阳人，博士研究生．从事钻井工艺技术研究。第28卷第2期史玉才等：偏轴钟摆钻具组合力学特性分析·43·式中，P和e分别为偏轴接头处的轴向力和偏心距；Mc，e}，M和e分别为偏轴接头左、右侧的内弯矩和横向位移。式中的“±”在图2(a)情况下取“+”，图2(b)情况下取“一”。基于偏轴接

8、头附近普遍存在较严重偏磨的事实，本模型中补充假定偏轴接头处与井壁始终保持接触。由此补充假定直接给出该处横向位移，使模型简化，计算公式如下：T’RI±[(Db—D)+P]／2，D一D。>，¨’11±(Dh—D)／2，0≤D一D≤P．j式中，Dl1ID和D分别为钻头直径、偏轴接头直径和钻铤直径。偏轴接头与井壁的接触情况比较复杂，因此，对式(3)作如下说明。①当D一D>e时，偏轴接头可能与井壁接触，偏轴接头偏磨·9当0≤D～D≤e时，偏轴接头两端的钻铤可能与井壁接触，钻铤偏磨。因此，只要满足D一D>e，就可以避免钻铤出现偏磨，允许直径

9、较大的偏轴接头偏磨。②偏轴接头左侧与井壁接触时，由该式给定}，由式(2)给定e；右侧与井壁接触时，由该式给定，由式(2)给定eL；偏轴接头与下井壁接触时，式中的“±”取“-t-”；与上井壁接触时，式中的“±”取“一”。1．2离心力的等效处理运用达朗伯原理等效处理钻柱公转产生的离心力，能够将上述静力学模型转换成拟动态力学模型。偏轴接头上、下两段钻柱的横向载荷(包括钻柱自重分量)的近似计算公式为qlqolfsina±q2=q02sin口±2*2*(4)式中，g为重力加速度；a为井斜角，(。)；为钻柱公转角速度，rad／s；q0，为第

10、i段钻铤的单位长度浮重，N／m；q，为第i段钻铤的等效横向载荷，N／m。式中“±”的选择方法与式(1)和式(2)相同。理论分析及模拟实验证明，钻柱公转角速度和自转角速度关系如下[：n=_，0<<1．(5)一b—c2数学方程及其求解2．1三弯矩方程组的建立根据文献