超短半徑水平井柔性殼仿真模擬

劉 源，趙 廈，姬 風(fēng)，梁 晟

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070)①

超短半徑水平井柔性殼仿真模擬

劉 源，趙 廈，姬 風(fēng)，梁 晟

(甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司，蘭州 730070)①

柔性殼在超短半徑水平井中具有導(dǎo)向作用，其強(qiáng)度直接影響超短半徑水平井的鉆井成功率。由于柔性殼是開槽的細(xì)長形結(jié)構(gòu)，選擇整體模型進(jìn)行有限元分析和室內(nèi)仿真試驗(yàn)都具有一定的難度。建立了局部柔性殼三維接觸非線性有限元模型，得到柔性殼在開槽部位的閉合順序及與其相對應(yīng)的壓力，并對柔性殼進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，將試驗(yàn)值和數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，驗(yàn)證模型的合理性，并為超短半徑水平井安全施工提供合理的參數(shù)。

水平井；柔性殼；有限元；仿真模擬

超短半徑水平井鉆井技術(shù)是指在半徑小于5 m的垂直井段中，完成從垂直轉(zhuǎn)向水平的鉆井技術(shù)，具有定向工藝簡單，方向和位置準(zhǔn)確的特點(diǎn)[1]，避免了頻繁造斜、定向和復(fù)雜的井眼軌跡控制等工藝過程，保證水平井準(zhǔn)確地進(jìn)入目的層。國外早已開展了超短半徑水平井柔性鉆具鉆井的試驗(yàn)和理論研究[2]；國內(nèi)對超短半徑水平井柔性鉆具也開展了一些室內(nèi)試驗(yàn)[3]和現(xiàn)場試驗(yàn)[4-5]研究，已經(jīng)成功鉆進(jìn)了幾口試驗(yàn)井，但對于開槽結(jié)構(gòu)的細(xì)長柔性鉆具的數(shù)值模擬研究較少[6]。

實(shí)現(xiàn)超短半徑水平井鉆井的關(guān)鍵是其工具具有柔性且能傳遞軸向力。為了能通過較短的曲率半徑，提高超短半徑水平井的造斜率，柔性殼表面需要開槽，而每個開槽的部位都相當(dāng)于一個鉸接結(jié)構(gòu)，所以這種柔性殼具有導(dǎo)向作用，是超短半徑水平井鉆井工具中重要組成部件之一[7]。合理的模擬柔性殼在井眼中的運(yùn)動軌跡，才能在鉆井過程中提供相應(yīng)的施工參數(shù)，因此開展柔性殼仿真模擬的研究具有重要意義。由于柔性殼屬于變截面細(xì)長梁，主要承受井口施加的壓力載荷，而柔性殼割縫處閉合時需要考慮接觸，因此這種特殊結(jié)構(gòu)的研究具有一定的難度。本文利用有限元方法，建立了柔性殼三維局部有限元數(shù)值模擬仿真模型，在局部模型上施加壓力載荷，并判斷每個割縫閉合時所需要的壓力值。同時對柔性殼進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，將得到的結(jié)果和數(shù)值模擬仿真結(jié)果相比較，用以驗(yàn)證柔性殼數(shù)值仿真模型的合理性，同時為數(shù)值模擬提供參考，為超短半徑水平井的安全施工提供理論依據(jù)。

1 室內(nèi)試驗(yàn)

1.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)

由于對柔性殼整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)具有很大的難度，因此將柔性殼切割成具有4個割縫的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行室內(nèi)壓縮試驗(yàn)。根據(jù)柔性殼實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，測量了3次割縫的數(shù)據(jù)后取平均值，如表1所示。由于結(jié)構(gòu)尺寸較大及加工工藝受限，因此測量的割縫橫縫寬度并不能保證相等，橫縫寬度如表2所示。

柔性殼筒體結(jié)構(gòu)如圖1所示。柔性殼的約束方式為一端固定，一端球鉸，割縫上端施加軸向載荷試驗(yàn)如圖2所示。各個割縫的布置如圖3所示。

表1 柔性殼結(jié)構(gòu)實(shí)測參數(shù)

表2 柔性殼橫縫寬度 mm

a 主視圖 b 剖面圖

圖1 柔性殼筒體結(jié)構(gòu)

圖2 柔性殼壓縮試驗(yàn)

圖3 柔性殼各縫布置

1.2 室內(nèi)試驗(yàn)

在柔性殼兩端鉸支的情況下，對柔性殼做了3次軸向壓縮試驗(yàn)，柔性殼割縫的閉合程度隨載荷的變化如表3。

表3 柔性殼割縫閉合程度隨載荷變化

由表3可知，柔性殼4個割縫的閉合順序依次為4號縫、1號縫、2號縫、3號縫。由于邊界條件的影響，施加載荷端的4號縫先開始閉合，而1號割縫縫寬最小因而隨之閉合，3號割縫縫寬最大，所以最后閉合。

2 有限元模型

2.1 有限元模型的建立

在超短半徑水平井鉆進(jìn)過程中，柔性殼在鉆壓作用下可單向彎曲且不旋轉(zhuǎn)，主要傳遞軸向載荷，并承受剪力和彎矩作用。為了更合理地驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性，需要建立局部模型。

考慮柔性殼縫間接觸沿縫的寬度和縫的圓周方向呈隨機(jī)分布狀態(tài)，用混合法或直接迭代法都難以求解。因此，在實(shí)體單元縫間處構(gòu)造了“多向接觸摩擦間隙元”，簡稱間隙元[8]，該間隙元可以位于實(shí)體單元縫間處的任意位置，它不僅能正確、方便地描述出柔性殼與井壁的接觸摩擦狀態(tài)，而且還能使細(xì)長柔性殼的總體剛度矩陣奇異性得到解決。

柔性殼主要由筒體組成，取四節(jié)柔性殼為研究對象，考慮4個橫縫之間的面面接觸，利用ANSYS有限元軟件采用solid185實(shí)體單元，按照表1、表2和圖3，建立柔性殼力學(xué)模型及有限元模型分別如圖4～5所示。施加的邊界條件為：柔性殼底端全約束，在柔性殼頂端施加軸向壓力載荷，柔性殼縫間接觸摩擦邊界。

圖4 柔性殼力學(xué)模型

圖5 柔性殼有限元模型

2.2 仿真模擬結(jié)果

根據(jù)建立的仿真模型，通過計(jì)算得到各個縫間的相對位移，結(jié)果如表4所示。數(shù)值模擬的割縫閉合順序分別為4號縫、1號縫、2號縫和3號縫，數(shù)值模擬的順序，閉合時的載荷分別為10.1、12.2、12.6和13.7 kN。由于4號縫的縫寬最小，3號縫的縫寬最大，而載荷從上端施加又受到邊界條件的影響，因此數(shù)值模擬的閉合順序也比較合理。

表4 柔性殼割縫閉合程度及相對位移 mm

3 室內(nèi)試驗(yàn)和仿真模擬對比

試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬仿真數(shù)據(jù)對比如表5所示。經(jīng)過對比計(jì)算出兩者之間的誤差。

表5 柔性殼割縫閉合試驗(yàn)值和數(shù)值模擬值對比

由表5可見，4個縫閉合的順序與數(shù)值模擬相同。將各縫閉合時的載荷數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果比較，其中2、4號縫誤差較小，1、3號縫誤差較大，最大誤差為16.2%?？傮w來說，縫閉合時的載荷數(shù)值模型和試驗(yàn)結(jié)果比較吻合。因此，用仿真模擬的方法建立局部模型是合理的。

4 結(jié)論

1) 通過對柔性殼做室內(nèi)壓縮試驗(yàn)，得到了柔性殼的割縫閉合順序和閉合時相對應(yīng)的載荷。

2) 通過測量現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的柔性殼各個參數(shù)，考慮柔性殼縫間接觸，建立了柔性殼局部非線性有限元模型，計(jì)算得到了柔性殼的割縫閉合順序和閉合時相對應(yīng)的載荷。

3) 將柔性殼的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，比，得出兩者閉合順序一致，閉合時的載荷誤差相差不大，這種建模方式可以合理地描述柔性殼受壓后的載荷，為工程應(yīng)用提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

[1] 汪孟洋，龍飛，何沛，等.超短半徑水平井軌跡控制技術(shù)[J].斷塊油氣田，1998，5(2)：62-66.

[2] Abdullah S H，David L P.Ultra Short Radius Drilling Trials in PDO[R].SPE 81410，2003.

[3] 紀(jì)家源，牛潤琴，強(qiáng)杰，等.如何提高柔性鉆具強(qiáng)度的探討[J].石油鉆采工藝，1995，17(6)：13-18.

[4] 程汝才，張書明，賈振堯，等.一種水平鉆井用柔性鉆具：中國，CN99216401.X[P].1999-07-09.

[5] 聶榮國，石曉兵，陳平，等.柔性鉆具組合防斜鉆快的強(qiáng)度分析[J].石油礦場機(jī)械，2006，35(4)：26-29.

[6] 劉衍聰，岳吉祥，陳勇，等.超短半徑徑向水平井轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)仿真研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，30(2)：86-89.

[7] 羅敏，趙廈，呂豐，等.超短半徑水平井柔性殼力學(xué)分析及強(qiáng)度評價[J].石油礦產(chǎn)機(jī)械，2013，42(6)：31-35.

[8] 劉巨保.間隙元在鉆柱接觸非線性力學(xué)分析中的應(yīng)用[J].力學(xué)與實(shí)踐，2003，25(6)：45-47.

The Simulation of Flexible Shell in Ultra-short Radius Horizontal Well

LIU Yuan，ZHAO Xia，JI Feng，LIANG Sheng

(Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China)

Flexible shell has a guiding role and its strength will directly affect the drilling success in ultra-short radius horizontal well.So the establishments of a reasonable simulation model become one of the key structures of simulation.Because of the flexible slender structure of shell is slotted，the whole model for finite element analysis and indoor simulation test has certain difficulty.So this paper established a part，three-dimensional，contact nonlinear finite element model of shell，and gets the order of closed slot and the corresponding pressure.The flexible shell indoor compression test will be established.The test values were compared with the results of numerical simulation，and verify the rationality of the model.The results provide reasonable parameters for ultra short radius horizontal well.

horizontal well；flexible shell；finite element；simulation analysis

1001-3482(2016)12-0022-04

2016-06-07

劉 源(1987-)，男，上海人，現(xiàn)從事材料成型及控制方面技術(shù)工作。

TE921.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.006