【摘要】开展气体钻井钻柱动力学特性参数研究的室内试验和现场测试难度大、耗费高，现场测试的能够参考的实验数据很少，为了弄清钻柱在井内的运动状态，揭示钻柱在气体钻水平井钻柱与井壁的接触和碰撞特性，本文利用有限元方法建立气体钻井条件下的动力学模型，分析钻柱接触状态。
　　【关键词】气体钻井 钻柱动力学 有限元
　　1 鉆柱与井壁接触或碰撞问题的提出
　　钻柱在三维井眼中的钻进过程是十分复杂的几何、接触非线性问题，目前一般都采用迭代法进行有限元求解，但实际接触一般都有连续性，因此需要对接触问题进一步离散化处理，也就是对接触边界的离散化，通过单元节点的接触情况来反映单元上所有点的接触情况。在计算时，忽略接触反力偶作用，只根据位移与转角判断接触点的载荷。


　　2 全井段钻柱动力学模型的建立
　　为了解决钻柱碰撞与接触问题，假设井壁为光滑的刚性面，将钻柱与井壁的接触碰撞过程简化为梁与刚性面的接触碰撞问题，应用动量定理建立定解条件，并进行钻柱与井壁之间的接触碰撞非线性分析。在模型建立后确定钻柱模型的边界条件：
　　（1）建立井壁与全井段钻柱的广义接触，并设定接触对的摩擦系数；
　　（2）对井口钻杆施加拉力F和转速VR2；
　　（3）固定岩石面，建立井底钻头与岩石面的接触，并设定摩擦系数；
　　3 钻柱力学模拟结果分析
　　全井段钻柱有限元模型建立后，定义材料参数、接触对、边界条件和划分网格，并进行大量计算，得到全井段钻柱转动250s的运动结果，分析结果如下。
　　由图1的应力图可以看出，在钻柱刚开始转动时，只有井口附近钻柱有较大的扭转，应力较大，从斜井段上部开始一直到井底钻柱基本保持不动。从应力随时间的变化也能够清晰看出斜井段到井底段的要克服摩擦力才能使钻柱转动起来，全井段钻柱都正常旋转起来后，造斜点后的钻柱受到的应力比直井段大的多，说明气体钻水平井时，斜井段到井底部分的钻柱受到的摩擦力、扭矩比直井段更大。
　　据图2钻柱与井壁的接触分布可知：在不同时刻钻柱与井壁的接触点大小和方向都有不同，具有随机性。钻柱刚开始旋转时，直井段钻柱有部分与井壁接触，斜井段和水平段钻柱在重力作用全部靠在下井壁上。随着钻柱的持续运动，下部钻具组合接触点增多，摩擦力增大，使得直井段钻柱扭矩增大。
　　4 结论
　　（1）在气体钻水平井设计之初，必须合理预测造斜段和水平段的扭矩和摩擦力，必要时可增大安全系数。
　　（2）气体钻水平井时钻柱躺在下井壁，摩阻大，水平段较长时可能会发生严重的屈曲，有卡钻的风险。
　　参考文献
　　[1] S，Menand，H.Sellami et al.Advancements in 3D Drillstring Mechanics： From the Bit to the Top drive.IADC/SPE 98965，2006
　　[2] 狄勤丰，王文昌，胡以宝，等.钻柱动力学研究及应用进展[M].天然气工业，2006，26 （4）：57-59
　　[3] 付建红.下部钻柱三维动态力学性能研究[D].西南石油学院硕士学位论文，1989
　　[4] 房舟.钻杆的失效分析[D].西南石油大学硕士学位论文，2006
　　作者简介
　　王涛（1984-），硕士研究生，研究方向为油气井管柱力学。