单弯螺杆钻具组合非线性瞬态动力学分析.pdf

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1、石油机械2011年第39卷第3期CHINAPETROLEUMMACHINERY设计计算单弯螺杆钻具组合非线性瞬态动力学分析肖云峰周定照杨世军(长江大学石油工程学院)摘要为了合理地使用螺杆钻具进行防斜打快作业，采用有限元分析方法，建立了单弯螺杆钻具组合下部结构的力学模型，并利用该模型定量分析了该钻具组合的力学特性，同时对比分析了影响该钻具组合控制井斜的主要因素。计算结果分析表明，利用单弯螺杆钻具控制井斜时，要综合考虑各种因素，对下部钻具组合进行力学计算，优选螺杆(包括弯角大小、肘点位置)、扶正器个数和安装位置以

2、及钻进参数，以求有效控制井斜和提高机械钻速。关键词单弯螺杆有限元力学分析复合钻进井斜控制和单弯螺杆钻具组合。直螺杆钻具组合的防斜实质0引言仍然是钟摆钻具防斜，不同之处在于钻头转速提高了数倍，并增强了钻具的纠斜能力。单弯螺杆钻具目前的防斜技术按控制井斜的方式可分为被动控制井斜的实质类似一种偏心钻具，即通过旋转产防斜和主动防斜2大类；按力学原理可分为静力学生的离心力来增加钻头的侧向力。不同之处在于，防斜和动力学防斜2大类；按照钻具结构划分主要单弯螺杆钻具增加了单位进尺钻头横向切削下井壁有钟摆钻具、满眼钻具、偏心钻

3、具、柔性钻具、旋的次数，即增强了钻具的纠斜能力。同时，单弯螺冲钻具和导向钻具等。杆钻具转动时钻头转角正负交替变化，可以抵消钻目前，螺杆钻具+PDC钻头复合钻进技术被头倾角导致的井斜。当肘点位于下井壁时，钻头倾广泛应用于钻井的防斜打快领域，并收到了良好效角沿井斜的方向；当肘点转到上井壁，钻头倾角变果。该技术的主要优点如下：①提高了机械钻速，为与井斜方向相反的方向。减少了起钻次数，缩短了建井周期，减少钻井成本。②容易控制井眼轨迹，防斜纠斜效果明显，减2单弯螺杆钻具力学特性分析少了单点测斜次数。③高效PDC钻头对付

4、某些地层较之牙轮钻头有明显优势。④减少了钻井动力损2．1有限元模型的建立耗，减轻了套管磨损及钻杆疲劳破坏，减少了井下笔者对单弯螺杆钻具组合采用ABAQUS显式复杂情况，提高了钻井的安全性。⑤有效传递钻积分算法(有限元算法)，将其看成是梁单元建立压，有利于钻井过程控制。⑥减轻了井眼污染，延模型。力学模型如图1所示，有限元分析模型如图长了油气井寿命。因此，要想充分发挥螺杆钻具复2所示。合钻进技术的优点，必须认真分析其钻进特点，优选钻进参数和钻进环境。笔者旨在通过对螺杆钻具组合井下动力学分析，找出影响其使用效果的诸

5、项因素，为合理使用螺杆钻具进行防斜打快作业提供评价参考。1螺杆钻具组合防斜打快机理]图1螺杆钻具组合模型示意图由于钻头的刚度远大于钻铤，可将钻头视为刚螺杆钻具复合钻进组合可分为直螺杆钻具组合体，将钻铤视为截面是圆环的弹性梁；井壁对钻头石油机械2011年第39卷第3期的约束作用假设为限制钻头横向移动和向下移动自2．3计算结果分析由度约束；井壁对稳定器的约束是限制稳定器在井采用ABAQUS显示积分方法对钻柱系统进行眼中心线上的横向约束。了动态响应分析，仿真计算时问为4S。单弯螺杆钻具组合及钻井参数为：~215．9

6、mmPDC钻头+~172螺杆(0．75。)+~157mm钻铤+14mm稳定器+015712"1／／1钻铤+0213／／171稳定器+~157mm钻铤；螺杆长度为6．71m，钻铤长度为9．15m；转盘转速为50r／rain、平均钻压30kN、井斜角4。。首先计算了上部钻铤中点、中部钻铤中点、下部钻铤中点、螺杆中点在横截面方向内的运动轨迹。由计算结果可知，下部钻具组合在钻进过程巾图2有限元模型梁单元截面主轴示意图发生微小的横向振动，横向位移轨迹呈现出有规律2．2边界施加条件及加载的运动状态；此外，钻具组合在螺杆中

7、部和下部钻冈3为钻柱阻尼系数求解示意冈。动力分析可铤中部的挠度较大。其次计算了钻具组合截面的弯以认为是t时刻考虑惯性力和阻尼力的力学平衡方矩分布和扭矩分布，梁截面方向的定义见图2。由程的求解，在线性和非线性连续体有限元分析中，图可知：钻具组合在梁1方向的弯矩明显大于梁2常用Rayleigh阻尼。在BHA的动态分析中，主要方向，在螺杆与钻铤的接头部分、螺杆底部有较大考虑钻柱的旋转运动，与其他方向的运动速度相比的弯矩；在上部钻铤下部也有较大弯矩，产生较大可以忽略，故在阻尼矩阵中只需考虑钻柱在钻井液的弯曲应力；在上

8、部扶正器和钻铤接头的位置有较中的旋转阻尼系数，具体计算公式为：大的扭矩。另外，分析了钻头侧向力的变化，图4为钻头侧向力随时间的变化曲线。由图可见，在(㈩2D．一D)3．5S以内钻头侧向力的最大值约为2kN，随着时式中卵——钻井液的动力粘度，Pa·S，转速高时间的变化，钻头侧向力呈有规律的波动状态。取塑性粘度值；3．5，j——井眼直径，HIIII；3．0D2——钻柱外径，mm；z2．52——求解段长度