论文部分内容阅读
【摘 要】底部鉆具组合的稳定性受钻压、中和点位置、钻具组合方式等因素的影响。本文用ANSYS特征值屈曲分析方法仿真计算底部钻具组合的稳定性。结果表明，该方法可获得底部钻具组合的屈曲分叉点位置及载荷因子；钻井过程中底部钻具组合钻压大小可以通过改变中和点位置调控；可以通过调节扶正器的安放位置及数量改变底部钻具组合临界载荷，增强稳定性。
【关键词】底部钻具组合 屈曲分析 中和点位置 扶正器 稳定性
钻井过程中，可通过增大钻压提高钻井效率，一般所用钻压都超过常用钻铤的临界钻压，如不采取有效措施，底部钻具组合（Bottom Hole Assembly，即BHA）将失稳，形成轴向弯曲，即力学上所描述的结构屈曲（Bucking）。失稳后的BHA在钻柱离心力作用下成正弦形或螺旋形，与井壁接触点产生的摩擦力使钻柱沿着井壁做反向公转，缩短弯曲波长，加剧钻具疲劳和磨损，同时造成井斜。故钻井时，通过安放扶正器来增强BHA的稳定性。本文通过ANSYS仿真计算，优化配置钻具组合中的扶正器，提高临界载荷，合理增大钻压，实现防斜打快的目的。
上世纪50年代Lubinski最早提出钻柱的屈曲模型，并采用能量法对直井中无重钻杆屈曲问题进行了理论分析。国内白家祉等通过弯曲梁理论对转盘钻井底部钻具组合进行了受力分析。当前，对底部钻具组合稳定性分析方法主要有两种，即将其作为线性的特征值问题或作为非线性的准静态加载问题进行分析。本文依据BHA刚度弱化特点，采用线性特征值屈曲分析方法。
一、原理方法
求解失稳问题，要先进行轴力作用下的静力分析，再计算有静力效应的模态分析。当模态振动的频率为0时，即可获得失稳载荷。用ANSYS进行屈曲分析时，要在Static模式下加载轴向力求解特征值，此时结构产生应力钢化效应，抵抗横向载荷能力降低。当轴向力为临界载荷时，负的应力刚度超过线性结构刚度，产生结构屈曲（Buckling）。故直井中底部钻具组合屈曲问题适用如下的特征值公式：
当载荷小于屈曲载荷时，结构的位移-变形曲线为线性关系，等于或大于屈曲载荷时，该曲线出现拐点，表现出非线性关系。此拐点为屈曲分叉点。通过特征值公式可以确定分叉点，仿真计算中结构的最大位移点为分叉点。由此知结构的屈曲载荷为载荷因子与载荷的乘积。在仿真计算中，若给定的载荷为单位载荷，特征值（FREQ）为屈曲载荷。在屈曲分析过程中考虑了钻柱的自重与泥浆浮力，但此二力不是恒定的单位集中力，所以特征值只是载荷因子，结构的临界屈曲载荷是载荷因子与钻压的乘积。实际工作中需要考虑安全系数。
用ANSYS进行屈曲分析具体方法如下：用PIPE16模拟钻铤，MASS21模拟钻头，定义实常数及材料属性，建立节点—单元模型。选择Static，并打开预应力选项。加载边界条件、自重力、泥浆浮力等载荷计算静力解。选择Buckling，定义屈曲分析方法及载荷步求解特征值；进入后处理查看计算结果并分析。
二、实例分析
为了分析BHA在临界失稳状态下中和点的位置、临界钻压、最大位移位置、最大应力位置，合理安防扶正器，下面通过算例进行分析。
（一）在钻进过程中通过改变钻压的大小可改变中和点的位置，底部钻具组合的载荷因子随着中和点向钻头方向移动迅速增加，即临界载荷增大，由此知可通过减小钻压保持底部钻具组合的稳定性。
（二）3中在第四根9"钻铤前增加了扶正器3，该钻具组合与算例中钻具组合（1）在钻铤数量上基本一致，钻压基本相同；由表知3的载荷因子为8.275，组合（1）的载荷系数为3.244，3的载荷因子是组合（1）的2倍多，由此知增加扶正器的数量能够提高底部钻具组合的临界载荷。
（三）钻具组合4和5 钻压相同，中和点位置基本一致，组合中扶正器位置安放不同，由表知4的载荷因子为9.743， 5的载荷因子为17.654，故优化配置扶正器位置可增加临界载荷。同时由表可知编号6、7、8采用11"大钻铤钻具组合，其抗弯性能远远高于9"钻铤的钻具组合。
三、结论
通过ANSYS仿真分析可得如下结论：
（一）通过特征值（线性）屈曲分析方法仿真分析底部钻具组合的稳定性可获得其屈曲分叉点的位置及临界载荷。
（二）同一底部钻具组合可以通过调节扶正器的安防位置及数量改变其临界载荷，增加稳定性。
（三）钻井过程中底部钻具组合钻压大小可以通过改变中和点位置调控，即其稳定性可以通过中和点位置调节。
参考文献：
[1]Lub insk i A. A study o f the buckling of rotary drillingstr ing [ J] . Drilling and Production Practice， 1950： 178 -214.
[2]白家祉， 林小敏. 纵横弯曲法对钻具组合的二维分析[J]. 石油学报， 1985， 6（ 3） ： 75- 83.
[3]刘峰， 王鑫伟. 直井中钻柱非线性螺旋屈曲准静态加载模型研究[ J]. 天然气工程。2007， 1（ 1） ： 64-67
[4]况雨春， 蒋建宁等. 下部钻具组合稳定性有限元分析方法及应用[ J]. 西南石油大学学报， 2007， 6（ 3） ： 118-121
[5]于永南，胡玉林.等.井眼中钻柱稳定性分析的有限元法[J].石油大学学报（自然科学版）.1998，22（6）：74—78.
作者简介：
吴亚杰，男，1983年4月生，2007年毕业于解放军炮兵学院计算机科学与技术专业，2008年毕业于解放军炮兵学院自行火炮指挥专业，现攻读中国石油大学机械工程专业硕士。
【关键词】底部钻具组合 屈曲分析 中和点位置 扶正器 稳定性
钻井过程中，可通过增大钻压提高钻井效率，一般所用钻压都超过常用钻铤的临界钻压，如不采取有效措施，底部钻具组合（Bottom Hole Assembly，即BHA）将失稳，形成轴向弯曲，即力学上所描述的结构屈曲（Bucking）。失稳后的BHA在钻柱离心力作用下成正弦形或螺旋形，与井壁接触点产生的摩擦力使钻柱沿着井壁做反向公转，缩短弯曲波长，加剧钻具疲劳和磨损，同时造成井斜。故钻井时，通过安放扶正器来增强BHA的稳定性。本文通过ANSYS仿真计算，优化配置钻具组合中的扶正器，提高临界载荷，合理增大钻压，实现防斜打快的目的。
上世纪50年代Lubinski最早提出钻柱的屈曲模型，并采用能量法对直井中无重钻杆屈曲问题进行了理论分析。国内白家祉等通过弯曲梁理论对转盘钻井底部钻具组合进行了受力分析。当前，对底部钻具组合稳定性分析方法主要有两种，即将其作为线性的特征值问题或作为非线性的准静态加载问题进行分析。本文依据BHA刚度弱化特点，采用线性特征值屈曲分析方法。
一、原理方法
求解失稳问题，要先进行轴力作用下的静力分析，再计算有静力效应的模态分析。当模态振动的频率为0时，即可获得失稳载荷。用ANSYS进行屈曲分析时，要在Static模式下加载轴向力求解特征值，此时结构产生应力钢化效应，抵抗横向载荷能力降低。当轴向力为临界载荷时，负的应力刚度超过线性结构刚度，产生结构屈曲（Buckling）。故直井中底部钻具组合屈曲问题适用如下的特征值公式：
当载荷小于屈曲载荷时，结构的位移-变形曲线为线性关系，等于或大于屈曲载荷时，该曲线出现拐点，表现出非线性关系。此拐点为屈曲分叉点。通过特征值公式可以确定分叉点，仿真计算中结构的最大位移点为分叉点。由此知结构的屈曲载荷为载荷因子与载荷的乘积。在仿真计算中，若给定的载荷为单位载荷，特征值（FREQ）为屈曲载荷。在屈曲分析过程中考虑了钻柱的自重与泥浆浮力，但此二力不是恒定的单位集中力，所以特征值只是载荷因子，结构的临界屈曲载荷是载荷因子与钻压的乘积。实际工作中需要考虑安全系数。
用ANSYS进行屈曲分析具体方法如下：用PIPE16模拟钻铤，MASS21模拟钻头，定义实常数及材料属性，建立节点—单元模型。选择Static，并打开预应力选项。加载边界条件、自重力、泥浆浮力等载荷计算静力解。选择Buckling，定义屈曲分析方法及载荷步求解特征值；进入后处理查看计算结果并分析。
二、实例分析
为了分析BHA在临界失稳状态下中和点的位置、临界钻压、最大位移位置、最大应力位置，合理安防扶正器，下面通过算例进行分析。
（一）在钻进过程中通过改变钻压的大小可改变中和点的位置，底部钻具组合的载荷因子随着中和点向钻头方向移动迅速增加，即临界载荷增大，由此知可通过减小钻压保持底部钻具组合的稳定性。
（二）3中在第四根9"钻铤前增加了扶正器3，该钻具组合与算例中钻具组合（1）在钻铤数量上基本一致，钻压基本相同；由表知3的载荷因子为8.275，组合（1）的载荷系数为3.244，3的载荷因子是组合（1）的2倍多，由此知增加扶正器的数量能够提高底部钻具组合的临界载荷。
（三）钻具组合4和5 钻压相同，中和点位置基本一致，组合中扶正器位置安放不同，由表知4的载荷因子为9.743， 5的载荷因子为17.654，故优化配置扶正器位置可增加临界载荷。同时由表可知编号6、7、8采用11"大钻铤钻具组合，其抗弯性能远远高于9"钻铤的钻具组合。
三、结论
通过ANSYS仿真分析可得如下结论：
（一）通过特征值（线性）屈曲分析方法仿真分析底部钻具组合的稳定性可获得其屈曲分叉点的位置及临界载荷。
（二）同一底部钻具组合可以通过调节扶正器的安防位置及数量改变其临界载荷，增加稳定性。
（三）钻井过程中底部钻具组合钻压大小可以通过改变中和点位置调控，即其稳定性可以通过中和点位置调节。
参考文献：
[1]Lub insk i A. A study o f the buckling of rotary drillingstr ing [ J] . Drilling and Production Practice， 1950： 178 -214.
[2]白家祉， 林小敏. 纵横弯曲法对钻具组合的二维分析[J]. 石油学报， 1985， 6（ 3） ： 75- 83.
[3]刘峰， 王鑫伟. 直井中钻柱非线性螺旋屈曲准静态加载模型研究[ J]. 天然气工程。2007， 1（ 1） ： 64-67
[4]况雨春， 蒋建宁等. 下部钻具组合稳定性有限元分析方法及应用[ J]. 西南石油大学学报， 2007， 6（ 3） ： 118-121
[5]于永南，胡玉林.等.井眼中钻柱稳定性分析的有限元法[J].石油大学学报（自然科学版）.1998，22（6）：74—78.
作者简介：
吴亚杰，男，1983年4月生，2007年毕业于解放军炮兵学院计算机科学与技术专业，2008年毕业于解放军炮兵学院自行火炮指挥专业，现攻读中国石油大学机械工程专业硕士。