旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具長驅(qū)動(dòng)軸受力分析及現(xiàn)場應(yīng)用

張玉

摘要：靜態(tài)偏置鉆頭推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的長驅(qū)動(dòng)軸，在現(xiàn)狀應(yīng)用過程中起到傳遞鉆壓和驅(qū)動(dòng)扭矩的作用，受力條件非常惡劣，對強(qiáng)度要求極其苛刻。本文通過計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真的形式，模擬了長驅(qū)動(dòng)軸靜態(tài)受力的情況，根據(jù)模擬結(jié)果，對長驅(qū)動(dòng)軸材質(zhì)性能提出了基本要求，對鉆井參數(shù)提出指導(dǎo)性建議。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向，驅(qū)動(dòng)軸，應(yīng)力，仿真

中圖分類號：TE242.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

引言

靜態(tài)偏置鉆頭推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)通常具有一個(gè)基本不旋轉(zhuǎn)的外套和一個(gè)傳遞鉆壓和扭矩的長驅(qū)動(dòng)軸。在現(xiàn)狀應(yīng)用過程中長驅(qū)動(dòng)軸，起到傳遞鉆壓和驅(qū)動(dòng)扭矩的作用，受力條件非常惡劣，對強(qiáng)度要求極其苛刻。

1 計(jì)算機(jī)數(shù)值建模

1.1 本構(gòu)模型

三向應(yīng)力狀態(tài)下，六個(gè)應(yīng)力分量和六個(gè)應(yīng)變分量。由能量守恒原理，各應(yīng)力分量的合力只在其對應(yīng)的應(yīng)變分量所引起的變形位移上做功。

總的應(yīng)變能為各應(yīng)力分量對應(yīng)的應(yīng)變能之和，即：

滿足上式的彈性材料稱為超彈性材料。特點(diǎn)：在任意加載-卸載循環(huán)下，材料不發(fā)生能量耗散。

1.2網(wǎng)格劃分

二階實(shí)體四面體單元模擬了二階（拋物線）位移場以及相應(yīng)的一階應(yīng)力場。二階位移場命名了該單元的名稱：二階單元。每個(gè)二階四面體單元有十個(gè)節(jié)點(diǎn)（4個(gè)角點(diǎn)和6個(gè)節(jié)點(diǎn)），并且每個(gè)節(jié)點(diǎn)有3個(gè)自由度。當(dāng)單元因加載而變形時(shí)，如果單元需要模擬曲線形幾何模型，則二階單元的邊和面就可以是曲線形形狀。二階四面體單元具有較好的繪圖能力和模擬二階位移場能力。

材料1，屈服強(qiáng)度1083Mpa，抗拉強(qiáng)度1158Mpa，彈性模量206GPa，切變模量79.38GPa，泊松比0.30。

材料2，屈服強(qiáng)度897Mpa，抗拉強(qiáng)度965Mpa，彈性模量204GPa，切變模量78.8GPa，泊松比0.28。

2 靜態(tài)仿真與分析

利用仿真模擬軟件，對兩種材料進(jìn)行仿真模擬。

材料1：

1）根據(jù)工具在井下工作時(shí)最大扭矩不超過30KN.m，對材料1進(jìn)行靜壓力仿真模擬。結(jié)果如下圖：

根據(jù)仿真結(jié)果分析，鉆壓10-20T范圍內(nèi)，可承受最大扭矩30000Nm，局部最大應(yīng)力保持在安全范圍內(nèi)。

2）保持扭矩30KN.m不變，進(jìn)行拉力仿真模擬。經(jīng)過模擬分析可知，扭矩30KN.m情況下，材料1最大抗拉150T。

3）在不施加扭矩的情況下，進(jìn)行純拉力模擬。經(jīng)過模擬分析可知，材料1在220T純拉力時(shí)達(dá)到屈服極限，建議最大拉力不應(yīng)超過200T。

材料2：

1）根據(jù)工具在井下工作時(shí)最大扭矩不超過30KN.m，對材料2進(jìn)行壓力仿真模擬。經(jīng)過模擬研究顯示，由于材料的不同屈服應(yīng)力發(fā)生變化，30KN.m的情況下，20T鉆壓為滿負(fù)荷運(yùn)行，建議鉆壓不高于12T。

2）根據(jù)工具在井下工作時(shí)最大扭矩不超過30KN.m，對材料2進(jìn)行拉力仿真模擬。經(jīng)過模擬研究顯示，30KN.m條件下，上提拉力60T接近屈服極限，建議不要超過50T。

3）在不施加扭矩的情況下，進(jìn)行純拉力模擬。經(jīng)過模擬研究顯示，180T純拉力時(shí)達(dá)到屈服極限，建議最大拉力不應(yīng)超過140T。

3現(xiàn)場應(yīng)用

旋導(dǎo)工具從2495m入井，一趟鉆鉆至3352m完鉆，完鉆井斜28.58，方位30.4，閉合距591.39，閉合方位32.78，總進(jìn)尺857m，總循環(huán)時(shí)間141h。鉆具組合：215.9鉆頭+旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具+單向閥+鉆桿，排量32L/s，泵壓14MPa，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速80rpm，鉆壓4-6t，泥漿性能：密度1.20g/cm3，粘度44s，最大扭矩18KNM，完井后鉆井工具起出井口，經(jīng)檢查旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具功能完好，結(jié)構(gòu)完整性完好。平均機(jī)械鉆速為每小時(shí)7.32米，較使用常規(guī)鉆具的上口井，鉆速提高26.37%。

4結(jié)論與建議

驅(qū)動(dòng)軸的受力薄弱點(diǎn)為下部螺紋根部，加強(qiáng)倒角的處理，避免應(yīng)力集中，與鉆壓相比，扭矩對增大最大應(yīng)力具有更顯著的貢獻(xiàn)，經(jīng)過仿真模擬可以得知鉆壓在0-20T內(nèi)，扭矩在30KN.M內(nèi)變化時(shí)，1號材料是具有較高的安全系數(shù)。2號材料在有限控制鉆壓和扭矩的條件下可以滿足鉆井施工要求，鑒于材料2的經(jīng)濟(jì)性，可以在井深比較淺的東部油田應(yīng)用。

在事故處理中，需要上提和扭轉(zhuǎn)鉆具時(shí)1號材料比2號材料有更大的優(yōu)勢，能夠提供更大的安全系數(shù)和可操作范圍。

在條件允許的情況下逐步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，改善受力狀態(tài)，開展用2號材料替換1號材料的全面試驗(yàn)，最終達(dá)到經(jīng)濟(jì)性的條件。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 張光偉. 基于3D參數(shù)化技術(shù)的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具虛擬設(shè)計(jì)[J]. 石油機(jī)械，2004，（9）：16-18.

（作者單位：中石化勝利石油工程有限公司隨鉆測控技術(shù)中心）