钻井过程中钻压值的三维有限元计算.docx

第22卷增刊2计算机辅助工程Vol.22Suppl.2

2013年10月ComputerAidedEngineeringOct.2013

论文所属行业:机械

复杂结构井的钻压值的有限元数值计算

沈新普1,沈国阳2

（1.哈里伯顿，北京，100020

2.休斯敦大学,休斯敦,TX77204,USA）

摘要：通常，钻井过程中钻杆自重生成的钻杆轴向力即钻压的计算是通过解析方法计算的。由于

接触条件复杂，钻杆与井壁及套管的接触产生的摩擦力一般是通过简化的经验系数计入。随着水

平井等复杂结构井的普及，解析方法得到的钻杆轴向力的结果误差逐渐明显，不能满足实际需要。

本文采用三维有限元方法计算钻杆自重生成的钻杆轴向力即钻压值。本文模型采用管单元模拟套

管和钻柱，并在钻杆和井壁之间设置了专门模拟管-管相互作用的ITT摩擦接触单元来判断接钻柱

与套管及井壁的触状态。这样就可以准确计算钻杆全长沿井轴方向的轴向力、轴向摩擦力及其引

起的钻压变化。在钻杆全长的整体力学行为的有限元计算中，还可以考虑钻杆的屈曲问题。该文

结果表明：有限元方法是正确设计钻压的一个有效理论工具。文章的数值结果为正确设计钻杆尺

寸、得到理想的钻压值提供了一个成功的例子。

关键词：钻井，钻压，有限元；ITT单元；复杂结构井

中图分类号：0352文献标志码：A

NUMERICALSOLUTIONOFAXIALFORCEALONGDRILLING

TUBEFORCOMPLEXWELLSWITHFINITEELEMENT

METHOD

SHENXinpu1,SHENGuoyang2

(1.Halliburton,Houston,Texas77072,USA;

2.UniversityofHouston,Houston,Texas77004,USA)

Abstract：Usually,gravity-resultedaxialforcealongdrillingtubewascalculatedwithanalyticalmethods.Dueto

thecomplicatedcontactconditionbetweendrillingtubeandcasingandborehole,frictionalforcealongdrilling

tubecanonlytakingintoaccountthroughsimpleempiricalmanner.Withmoreandmoreapplicationofcomplex

wells,analyticalsolutionofaxialforceofdrillingtubecannotmeettheneedsofaccuracyondesignofcomplex

wells.HereweuseFiniteElementMethodtocalculatedistributionofaxialforcealongthewholelengthof

1

drillingtube.Themodelusespipeelementtosimulatedrillingtubeandcasing,aswellaswellbore.Italsouses

ITTelementtosimulatetheinteractionbetweentubeandcasingand/orwellbore.Thismodelcanbeusedto

calculatetheaxialforcealongthedrillingtube,andtocalculatetheaxialfrictionalforceandvariationofpressure

收稿日期：2013-08-07

作者简介：沈新普（1963—），男，汉族，河北清河人，博士，教授，研究方向为固体力学，(E-mail)Xinpu.shen@;

沈国阳（1992—），男，汉族，河北清河人，本科生，研究方向为机械工程，(E-mail)gshen2@

atdrillingbit.Bucklingofthedrillingtubecanalsobecalculatedwiththemodel.Numericalresultsindicatethat

thatFiniteElementMethod