小钻杆欠扩孔超短半径转向过程仿真研究.pdf

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1、石油机械CHINAPETR0LEUMMACHINERY2011年第39卷第l2期专题研究小钻杆欠扩孔超短半径转向过程仿真研究杨永印李新辉路飞飞(1．中国石油大学(华东)石油工程学院2．胜利油田黄河钻井五公司)摘要为使超短半径水平井技术应用在小扩孔空间内，设计了转向空间在300～450mm之间的转向轨迹，建立了小钻杆和小型转向轨迹的有限元模型，并对钻杆转向过程进行了有限元仿真模拟。模拟结果表明，钻杆通过滑道时所受阻力随滑道曲率的变化单调增加，阻力的大小受曲率变化及其在滑道中所处位置的影响；钻杆截面变

2、形量由于塑性因素变化具有累加性，在滑道内随曲率变化呈阶段性增加，但最终变形量不影响钻杆性能。关键词超短半径转向轨迹钻杆有限元仿真350～400mm。0引言超短半径水平井技术作为一种低成本、高效益的剩余油开采技术¨j，在国外已被广泛应用。近年来，国内超短半径水平井技术的研究已取得很大进展，但井下扩孔困难仍然是制约超短半径水平井技术发展的瓶颈。因此，小扩孑L空间条件下转向器弯曲轨道与钻杆匹配研究是超短半径水平井技术发展和应用的重要课题。笔者拟选用仿真模拟软件ANSYS对转向轨迹和钻杆进行建模，并对钻杆

3、转向过程进行有限元仿真模拟，对转向过程中影响钻杆形态的因素进行了相关分析，其结果对欠扩孔图1优化轨迹曲线超短半径水平井转向器的设计和室内试验有一定的指导意义。2建立仿真模型1转向轨迹优化设计钻杆使用特种无缝钢管，该材料的塑性变形能力较强，延展性好，仿真模型中取：345MPa，参考早期滑道设计方法进行轨迹参数化优=510MPa，弹性模量E=2．1×10MPa，泊松化J。在转向空间为300—450mm之间优化转比=0．3。转向器根据优化轨迹选用双弯曲滑向半径分别为150和200mm的弯曲转向轨迹，优道

4、。化轨迹曲线见图1。2种转向轨迹的主要参数如下：使用ANSYS软件进行模拟，滑道作为刚(1)R=150mm，R1=400mm，O／=28。，D1体，钻杆作为柔体。分别对表1中钻杆尺寸在规定=25mm，Ll=129mm，L2=100—150mm，则转向器中进行仿真模拟，验证所选钻杆材质和尺寸作为整个曲线的横向定位尺寸取250—300mm的可行性，并对影响钻杆通过转向器阻力和钻杆截之间。面变形的因素进行分析。(2)R=200mm，R1=600mm，O／=28。，Dl钻杆在转向器行进过程中承受内压力、滑

5、道对=25mm，L1=173．3mm，L2=150—200mm。=钻杆的支持力和摩擦力，尾部受控制光杆的约束作石油机械2011年第39卷第l2期用，以及射流对钻杆前端的反作用力。滑道变可知，钻杆由一种转向曲线段向另一种转向曲线段形可忽略不计，并施加零位移约束使其固定不动。变形过程中应力最大，达到塑性变形。应力变化主转向半径为150和200mm的钻杆位移约束分别为要出现在短轴内外两侧上，峰值均出现在轨道轨迹1．0和1．5in。钻杆内压力P=40MPa，钻杆头部曲率变化段；在主弯曲段和矫直段曲率变化处

6、应力端面上施加射流反作用力P。最大，曲率部分变化不明显。在转向过程中，钻杆表1模拟钻杆尺寸mm弯曲内侧管壁的应力值比外侧管壁要大，但压应力过大可能造成内侧起皱；外侧管壁由于受滚轮的作用而在周向和轴向上出现拉应力，拉应力过大可能造成外侧弯裂。模拟发现，表1中的钻杆压缩、拉伸、侧应力和应变均没有达到材料的强度极限510MPa和塑性应变极限0．21，说明选择的钻杆可以应用于笔者所设轨迹。具体实施步骤为：①选择Static分析类型，选中大变形选项；②打开自动时间步；③在非线性分析选项中，选择合适的收敛准则

7、，启用弧长法和线性搜索及步长预测；④求解器设定为稀疏矩阵求解器。3有限元仿真结果分析图3钻杆弯曲面等效应力分布云图3．1模拟结果形态分析3．3滑道阻力数据分析图2为转向半径200mm时钻杆通过转向器进以钻杆规格~16mm×1．5mm，弯曲转向半径入地层的有限元仿真结果形态。150mm为例进行模拟，分析滑道对钻杆行进的阻力。滑道阻力数据的提取在时间历程处理器中完成，提取钻杆末端面施加位移约束的主节点的反力，=5．6kN(所有节点在y轴方向作用力之和即为单位：PaFy)，经过数据处理得到阻力变化曲线如

8、图4所示。00．103e+090．205e+090．308e+090．41le+090．513e+080154e+090257e+090．359e+090462e+09图2钻杆通过转向器后形态图模拟得出，钻杆穿出转向器水平进入地层，除头部稍微向上翘曲外，其余部分矫直效果较好，且钻杆截面发生椭圆扁化，这些都比较符合实际情况’llJ，因此认为采用这种方法对钻杆的弯曲转向进行仿真是可行的。3．2钻杆应力应变分析图4钻杆弯曲转向过程阻力变化曲线通过模拟发现，相同弯曲半径下，钻杆的应力从图可