底部鉆具組合穩(wěn)定性分析及應(yīng)用

【摘 要】底部鉆具組合的穩(wěn)定性受鉆壓、中和點(diǎn)位置、鉆具組合方式等因素的影響。本文用ANSYS特征值屈曲分析方法仿真計(jì)算底部鉆具組合的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，該方法可獲得底部鉆具組合的屈曲分叉點(diǎn)位置及載荷因子；鉆井過(guò)程中底部鉆具組合鉆壓大小可以通過(guò)改變中和點(diǎn)位置調(diào)控；可以通過(guò)調(diào)節(jié)扶正器的安放位置及數(shù)量改變底部鉆具組合臨界載荷，增強(qiáng)穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】底部鉆具組合 屈曲分析 中和點(diǎn)位置 扶正器 穩(wěn)定性

鉆井過(guò)程中，可通過(guò)增大鉆壓提高鉆井效率，一般所用鉆壓都超過(guò)常用鉆鋌的臨界鉆壓，如不采取有效措施，底部鉆具組合（Bottom Hole Assembly，即BHA）將失穩(wěn)，形成軸向彎曲，即力學(xué)上所描述的結(jié)構(gòu)屈曲（Bucking）。失穩(wěn)后的BHA在鉆柱離心力作用下成正弦形或螺旋形，與井壁接觸點(diǎn)產(chǎn)生的摩擦力使鉆柱沿著井壁做反向公轉(zhuǎn)，縮短彎曲波長(zhǎng)，加劇鉆具疲勞和磨損，同時(shí)造成井斜。故鉆井時(shí)，通過(guò)安放扶正器來(lái)增強(qiáng)BHA的穩(wěn)定性。本文通過(guò)ANSYS仿真計(jì)算，優(yōu)化配置鉆具組合中的扶正器，提高臨界載荷，合理增大鉆壓，實(shí)現(xiàn)防斜打快的目的。

上世紀(jì)50年代Lubinski最早提出鉆柱的屈曲模型，并采用能量法對(duì)直井中無(wú)重鉆桿屈曲問(wèn)題進(jìn)行了理論分析。國(guó)內(nèi)白家祉等通過(guò)彎曲梁理論對(duì)轉(zhuǎn)盤鉆井底部鉆具組合進(jìn)行了受力分析。當(dāng)前，對(duì)底部鉆具組合穩(wěn)定性分析方法主要有兩種，即將其作為線性的特征值問(wèn)題或作為非線性的準(zhǔn)靜態(tài)加載問(wèn)題進(jìn)行分析。本文依據(jù)BHA剛度弱化特點(diǎn)，采用線性特征值屈曲分析方法。

一、原理方法

求解失穩(wěn)問(wèn)題，要先進(jìn)行軸力作用下的靜力分析，再計(jì)算有靜力效應(yīng)的模態(tài)分析。當(dāng)模態(tài)振動(dòng)的頻率為0時(shí)，即可獲得失穩(wěn)載荷。用ANSYS進(jìn)行屈曲分析時(shí)，要在Static模式下加載軸向力求解特征值，此時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力鋼化效應(yīng)，抵抗橫向載荷能力降低。當(dāng)軸向力為臨界載荷時(shí)，負(fù)的應(yīng)力剛度超過(guò)線性結(jié)構(gòu)剛度，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)屈曲（Buckling）。故直井中底部鉆具組合屈曲問(wèn)題適用如下的特征值公式：

當(dāng)載荷小于屈曲載荷時(shí)，結(jié)構(gòu)的位移-變形曲線為線性關(guān)系，等于或大于屈曲載荷時(shí)，該曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)，表現(xiàn)出非線性關(guān)系。此拐點(diǎn)為屈曲分叉點(diǎn)。通過(guò)特征值公式可以確定分叉點(diǎn)，仿真計(jì)算中結(jié)構(gòu)的最大位移點(diǎn)為分叉點(diǎn)。由此知結(jié)構(gòu)的屈曲載荷為載荷因子與載荷的乘積。在仿真計(jì)算中，若給定的載荷為單位載荷，特征值（FREQ）為屈曲載荷。在屈曲分析過(guò)程中考慮了鉆柱的自重與泥漿浮力，但此二力不是恒定的單位集中力，所以特征值只是載荷因子，結(jié)構(gòu)的臨界屈曲載荷是載荷因子與鉆壓的乘積。實(shí)際工作中需要考慮安全系數(shù)。

用ANSYS進(jìn)行屈曲分析具體方法如下：用PIPE16模擬鉆鋌，MASS21模擬鉆頭，定義實(shí)常數(shù)及材料屬性，建立節(jié)點(diǎn)—單元模型。選擇Static，并打開(kāi)預(yù)應(yīng)力選項(xiàng)。加載邊界條件、自重力、泥漿浮力等載荷計(jì)算靜力解。選擇Buckling，定義屈曲分析方法及載荷步求解特征值；進(jìn)入后處理查看計(jì)算結(jié)果并分析。

二、實(shí)例分析

為了分析BHA在臨界失穩(wěn)狀態(tài)下中和點(diǎn)的位置、臨界鉆壓、最大位移位置、最大應(yīng)力位置，合理安防扶正器，下面通過(guò)算例進(jìn)行分析。

（一）在鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)改變鉆壓的大小可改變中和點(diǎn)的位置，底部鉆具組合的載荷因子隨著中和點(diǎn)向鉆頭方向移動(dòng)迅速增加，即臨界載荷增大，由此知可通過(guò)減小鉆壓保持底部鉆具組合的穩(wěn)定性。

（二）3中在第四根9\"鉆鋌前增加了扶正器3，該鉆具組合與算例中鉆具組合（1）在鉆鋌數(shù)量上基本一致，鉆壓基本相同；由表知3的載荷因子為8.275，組合（1）的載荷系數(shù)為3.244，3的載荷因子是組合（1）的2倍多，由此知增加扶正器的數(shù)量能夠提高底部鉆具組合的臨界載荷。

（三）鉆具組合4和5 鉆壓相同，中和點(diǎn)位置基本一致，組合中扶正器位置安放不同，由表知4的載荷因子為9.743， 5的載荷因子為17.654，故優(yōu)化配置扶正器位置可增加臨界載荷。同時(shí)由表可知編號(hào)6、7、8采用11\"大鉆鋌鉆具組合，其抗彎性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于9\"鉆鋌的鉆具組合。

三、結(jié)論

通過(guò)ANSYS仿真分析可得如下結(jié)論：

（一）通過(guò)特征值（線性）屈曲分析方法仿真分析底部鉆具組合的穩(wěn)定性可獲得其屈曲分叉點(diǎn)的位置及臨界載荷。

（二）同一底部鉆具組合可以通過(guò)調(diào)節(jié)扶正器的安防位置及數(shù)量改變其臨界載荷，增加穩(wěn)定性。

（三）鉆井過(guò)程中底部鉆具組合鉆壓大小可以通過(guò)改變中和點(diǎn)位置調(diào)控，即其穩(wěn)定性可以通過(guò)中和點(diǎn)位置調(diào)節(jié)。

參考文獻(xiàn)：

[1]Lub insk i A. A study o f the buckling of rotary drillingstr ing [ J] . Drilling and Production Practice， 1950： 178 -214.

[2]白家祉， 林小敏. 縱橫彎曲法對(duì)鉆具組合的二維分析[J]. 石油學(xué)報(bào)， 1985， 6（ 3） ： 75- 83.

[3]劉峰， 王鑫偉. 直井中鉆柱非線性螺旋屈曲準(zhǔn)靜態(tài)加載模型研究[ J]. 天然氣工程。2007， 1（ 1） ： 64-67

[4]況雨春， 蔣建寧等. 下部鉆具組合穩(wěn)定性有限元分析方法及應(yīng)用[ J]. 西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)， 2007， 6（ 3） ： 118-121

[5]于永南，胡玉林.等.井眼中鉆柱穩(wěn)定性分析的有限元法[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.1998，22（6）：74—78.

作者簡(jiǎn)介：

吳亞杰，男，1983年4月生，2007年畢業(yè)于解放軍炮兵學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，2008年畢業(yè)于解放軍炮兵學(xué)院自行火炮指揮專業(yè)，現(xiàn)攻讀中國(guó)石油大學(xué)機(jī)械工程專業(yè)碩士。