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    底部鉆具組合穩(wěn)定性分析及應(yīng)用

    2014-01-01 00:00:00吳亞杰高學(xué)仕
    數(shù)字化用戶 2014年3期

    【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):

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    [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

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    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。

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