下部钻具组合稳定性有限元分析方法及应用.pdf

第29卷第3期 西南石油大学学报 V01．29No．3 JournalofSouthwestPetroleum Jun 2007 2007年6月 University 文章编号：1000—2634(2007)03—0118—04 下部钻具组合稳定性有限元分析方法及应用8 况雨春1，蒋建宁2，申洁1，何振奎2，刘有义2 (1．西南石油大学，四川成都610500；2．中石化河南油田分公司石油工程技术研究院) 摘要：下部钻具组合的具体方式将直接影响其所能承受临界失稳载荷的大小。以有限元分析为基础，对不同组合的 下部钻具建立了特征值屈曲分析分法，在此基础上进行了实例计算。计算结果表明，对于同样的钻具组合，通过调整 下部钻铤尺寸以及扶正器的安放位置，可以实现尽量大的临界失稳载荷，从而达到防斜打快的目的。研究方法为基 于非线性动力学的超刚性钻具组合防斜打快技术研究奠定了理论基础。 关键词：下部钻具组合；有限元分析；ANSYS；特征值屈曲；防斜 中圈分类号：TE821 文献标识码：A 拓宽并完善了纵横弯曲法的理论体系口’6o。Millheim 引 言 KK¨。91自1978年来先后发表了多篇使用有限元法 在钻井过程中，适当的钻压是提高钻井效率的有 求解下部钻具组合的受力与变形分析的论文，他在对 效手段，随着井眼的加深，钻柱变得细长，当钻压超过 下部钻具组合静力分析的基础上引入了惯性力和摩 hole 下部钻具组合(Bottom assembly，简称BHA)的临 擦力，建立了对BHA的动力分析有限元模型。 界失稳载荷以后，将会造成钻柱的失稳，在力学上也 通过有限元软件，我们可以进行特征值屈曲分 称为结构的屈曲(Buckling)。这将有可能导致钻柱的 析¨0|，得到结构的理论临界屈曲载荷的上限值，通 失效、钻井效率的降低以及造成井斜。下部钻具组合 的失稳也许不会导致钻柱的立即失效，但由于其引起 常，考虑非线性因素影响，这个值比实际临界屈曲载 的钻具疲劳和磨损将导致钻柱的过早失效。钻柱失 荷要大30％～50％。在结构受压情况下，当钻压增 稳后将导致钻柱在井眼里成蛇形或螺旋形，使钻压不 加时，钻柱的刚度弱化效应也随之增加，当达到某个 能加在钻头上，从而造成钻井效率的降低。 载荷时，弱化效应超过钻柱结构的固有刚度，此时没 增强下部钻具的稳定性可以通过安放扶正器来 有了净刚度，位移无限增加，结构发生失稳。基本思 实现，然而扶正器安放的位置将直接影响下部钻具 路是：采用有限元分析软件对包括钻铤和扶正器的 组合所能承受临界失稳载荷的大小…，在后面的有 整个中和点以下的下部钻具组合进行特征值屈曲分 限元分析中我们可以发现，对于同样的钻具组合，通 析，求得特征值屈曲荷载因子，从特征值屈曲模态可 过调整扶正器的安放位置，可以实现尽量大的临界 以分析不同扶正器及钻铤组合的稳定性。我们采用 失稳载荷，从而达到防斜打快的目的。 大型商用有限元分析软件ANSYS进行下部钻具组 钻柱的屈曲模型最先由Lubinski在50年代提 合在钻压作用下的失稳分析。 出心J，1984年Bogy和Paslay【31提出斜井中的屈曲模 型，其他的屈曲模型基于欧拉模型，大多数屈曲模型 1计算原理及步骤 都是基于临界载荷假设HJ。1977年，自家祉提出