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随钻扩眼下部钻具组合的强度分析

发布于:2016-09-22 20:37
强度分析

      随钻扩眼技术在钻井作业中通常认为是一种非常规的钻井技术,随着石油工业的不断快速发展,油气勘探面临越来越复杂的地质问题,钻井难度越来越大,特别是在深井和超深井作业中,小眼井钻井由于其环空间隙小,给钻井、固井作业带来一系列问题,如环空压耗较大、井底水力作用能量较低、固井质量不能保证等,常会遇到复杂地层缩径卡钻等复杂情况,需要对 钻具进行详细的强度分析
      随钻扩眼技术正被石油工业所接受并加以运用,随钻扩眼技术是小井眼钻井的重要技术之一。钻井作业的复杂性、高压油气井的钻井作业等都使安全高效的扩眼作业的技术需求不断增长,扩大井眼直径使其超过钻头尺寸可以解决复杂问题,例如盐层蠕变缩径、钻屑沉积、井壁形成虚滤饼,而且在深井钻井中要求下多层套管,为了扩大井眼尺寸,降低钻井成本,这就增加了对更可靠的井下扩眼器的应用需求。
      RWD随钻扩眼工具由领眼钻头、领眼扶正垫、导眼翼、扩孔刀翼等组成,其分段式设计为领眼钻头和井下钻具组合选择提供较大的灵活性,并满足大部分特定井身轨迹严格控制的要求,具有钻具工具结构较为简单,无活动部件,扩眼尺寸稳定规则的特点。RWD随钻扩眼是解决复杂深井阻卡、非常规井身结构应用和提高固井质量的有效手段。目前这项技术掌握在国外技术服务企业手中,只做技术服务,工具研制和钻具组合设计原理没有公开报道过。近年来国内开始了这种类工具的研制与现场试验。这对加快国内随钻扩眼技术的发展与应用,进行随钻扩眼钻井组合设计及其受力分析研究,适应复杂深井超深井钻井的发展,具有重要的现实意义。
      RWD随钻扩眼工具下部钻具组合示意图。用有限元分析柔性防斜下部钻柱组合的强度,假设:(1)井壁刚性,井眼是圆形的;(2)钻柱组合为一弹性梁,在每个单元内,钻柱的几何特性和材料特性保持不变;(3)柔性接头只传递扭矩不传递弯矩;(4)稳定器与井壁间为点接触,且只限制接触点处的径向位移。取下部钻柱作为研究对象,从钻头处起向上分成多个梁单元,即把结构离散化。划分单元时,应保证每个单元的几何特性和材料特性在同一个单元内保持不变。如图Z取节点为i和7的梁单元,利用坐标系,使x轴与梁轴重合,Y轴和X轴为梁截面的主惯轴方向。由于载荷都在同一平面内,故而梁单元处于轴向压缩和平面弯曲状态。在节点上所受的节点力为轴力、剪力和弯矩,它们分别是Ni,Qi,M,和QJ和M与之相对应的位移。
      等效节点力等效节点力是指原分布载荷按照虚功相等的原则移置到单元节点上的力。对于长度为Z的钻具单元,其等效节点力以上给出的单元刚度矩阵是在所谓的局部坐标系中得到的,它的坐标方向是由单元的方向确定的,可以对相同方向的单元得出具有统一形式的单元刚度矩阵。计算时先将单元上的节点力或位移转移到整体坐标系,单元刚度矩阵也作坐标变换,才能按迭加规则直接相加组成整体刚度矩阵。这种坐标变换是通过转换矩阵来实现的。通过转换矩阵可以得到整体坐标系中的节点力、节点位移和单元刚度矩阵。按叠加规则得到整体刚度矩阵,最后得到整个结构的平衡方程,整个结构的节点位移列阵;{R}一节点载荷列阵;{K}一整体刚度矩阵。由平衡方程式,在给定节点载荷和边界约束条件下,求得节点位移,最后由应力矩阵式和求出来的节点位移计算单元的应力,得出所需的结果。在进行下部钻具组合应力计算时,选用第四强度理论,它经常也称为“VonMises”准则。


                                                                                  专业从事机械产品设计│有限元分析│强度分析│结构优化│技术服务与解决方案
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