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1、中短半径水平井造斜率与螺杆钻具应力研究_孙健钻井工程 天 然 气 工 业 2007年6月中短半径水平井造斜率与螺杆钻具应力研究孙健1 李黔1 王治平2 袁小波2 朱宗莉2(1.西南石油大学 2.四川石油管理局)＊ 孙健等.中短半径水平井造斜率与螺杆钻具应力研究.天然气工业,2007,27(6):78-80. 摘 要 应用非线性有限元法,建立了中短半径水平井螺杆钻具力学模型。分析了不同井眼曲率和不同弯角下120mm大角度单弯螺杆钻具组合应力分布情况,最大等效应力随着曲率的增加先减小后增大,随着弯角的增大而
2、增大;采用平衡曲率法,对大角度单弯螺杆造斜率进行了计算。确定了螺杆钻具组合极限应力与造斜率的关系,等效应力线与分界线交点的左侧随井眼曲率增加而减小、等效应力线与分界线交点的右侧随井眼曲率增加而增加。该项研究为中短半径水平井大角度单弯螺杆钻具的安全使用、轨迹控制设及螺杆钻具的改进提供了依据。 主题词 中短半径水平井 钻井 螺杆钻具 造斜率 力学模型——————————————————————————————————————————————— 中短半径水平井眼曲率大,下部螺杆钻具弯曲变形和弯曲应力相应变大。为了
3、预防钻井事故,优选钻具组合,达到安全快速钻井、有效控制井眼轨迹和提高中短半径水平井的成功率的目的,有必要对中短半径水平井螺杆钻具组合在不同井眼曲率下、不同弯角下的受力情况进行系统的研究,并对螺杆钻具组合极限应力与造斜率的关系进行分析。当只有井斜角的变化而无方位角变化时,钻出的井眼为二维井身。此时可以假设井底钻具组合所在井段的中心线使位移铅垂平面的一条圆弧。设该圆弧上下两侧点对应的井深分别为LA和LB,对应的井斜角为αA、αB(如图1所示),关系式如下:BAK==ΔLLB-LAR=BA=KαB-αA(1)(2)一
4、、力学模型 中短半径水平井下部钻具组合由钻头、螺杆钻具、稳定器、加重钻杆和钻杆组成。带有弯壳体的螺杆钻具组合,在井眼中受钻压和自重的作用,将发生弯曲弹性变形。为了便于对中短半径水平井螺杆组合进行力学分析计算、又不至于产生较大的误差,作以下基本假设。 (1)钻头、螺杆和稳定器(及井下工具)组成的下部钻具组合是弹性变形体系。 (2)钻头底面中心位于井眼中心线上。 (3)钻压为常量,作用方向与钻头底面垂直。——————————————————————————————————————————————— (4)
5、井壁为刚性体,井眼尺寸不随时间变化。 (5)稳定器与井壁的接触为点接触。 (6)上切点以上钻柱一般因自重而躺在下井壁上。 (7)导向钻井过程中,单弯螺杆钻具外壳在转盘带动下以匀速的方式转动。 建立二维井身条件下单弯螺杆弯角力学模型,式中:K为井眼曲率,(°)/m;R为曲率半径,m。图1 二维井身示意图 二维井身条件下假设切点以上部分钻具与井身具有相同的弯曲形状,把坐标XOY旋转平移建立新坐标X′O′Y′,使Y′轴沿井眼切线方向(图2)。l1表示单弯螺杆弯角以上部分长度,l2表示单弯螺杆弯角以下长度。在
6、坐标X′O′Y′下,此时由于弯角较小,可以近似认为钻头处井眼中心横坐标为: ＊本文为国家自然科学基金重大项目(编号:90610013)研究成果。 作者简介:孙健,1981年生,硕士研究生;曾工作于天津大港油田,主要从事油气井工程方面的研究工作。地址:(610500)四川省成都市新都区。电话:13981725757。E-mail:rockwj@163.com第27卷第6期 天 然 气 工 业 钻井工程产生了应力集中。螺杆、加重钻杆连接处由于两种钻具组合具有不同的尺寸和刚度,此处的应力在整——————————
7、—————————————————————————————————————个下部钻具组合中最高。弯角处由于存在结构弯角和靠近钻头稳定器,也出现了应力集中的现象,其应力值为100MPa左右,小于最大等效应力。 2.不同井眼曲率下单弯螺杆钻具组合最大等效应力分析 单弯螺杆钻具弯角的大小和井眼曲率的不同,图2 二维井身条件下单弯螺杆钻具初始变形示意图将对螺杆钻具组合的应力分布产生影响。对不同弯角大小的螺杆钻具组合,在不同井眼曲率下进行计算。图3给出了不同弯角的单弯螺杆钻具在不同井眼曲率下的最大等效应力。结果分析见
8、以下几点。Xw=R-Rcos[k(l1+l2)](3) 钻头中心位置横坐标为:Xb=l2sin(γ)(4) 钻头横向偏移量为:δbx=Xw-Xb(5) 近钻头稳定器采用相似的方法进行处理。 若稳定器为满眼,则式(4)中l2换成弯角到近钻头稳定器的距离,得到稳定器偏移量(δsx)。若稳定器为欠尺寸稳定器,则应再加上稳定器与井眼的间隙。sx=δsx±2)δ′cos[k(l1+l′]
