氣體鉆水平井鉆柱接觸和碰撞研究

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1、氣體鉆水平井鉆柱接觸和碰撞研究【摘要】開展氣體鉆井鉆柱動力學(xué)特性參數(shù)研究的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場測試難度大、耗費高，現(xiàn)場測試的能夠參考的實驗數(shù)據(jù)很少，為了弄清鉆柱在井內(nèi)的運動狀態(tài)，揭示鉆柱在氣體鉆水平井鉆柱與井壁的接觸和碰撞特性，本文利用有限元方法建立氣體鉆井條件下的動力學(xué)模型，分析鉆柱接觸狀態(tài)。【關(guān)鍵詞】氣體鉆井鉆柱動力學(xué)有限元1鉆柱與井壁接觸或碰撞問題的提出鉆柱在三維井眼中的鉆進過程是十分復(fù)雜的幾何、接觸非線性問題，目前一般都采用迭代法進行有限元求解，但實際接觸一般都有連續(xù)性，因此需要對接觸問題進一步離散化處理，也就是對接觸邊界的離散化，通

2、過單元節(jié)點的接觸情況來反映單元上所有點的接觸情況。在計算時，忽略接觸反力偶作用，只根據(jù)位移與轉(zhuǎn)角判斷接觸點的載荷。2全井段鉆柱動力學(xué)模型的建立為了解決鉆柱碰撞與接觸問題，假設(shè)井壁為光滑的剛性面，將鉆柱與井壁的接觸碰撞過程簡化為梁與剛性面的接觸碰撞問題，應(yīng)用動量定理建立定解條件，并進行鉆柱與井壁之間的接觸碰撞非線性分析。在模型建立后確定鉆柱模型的邊界條件：(1)建立井壁與全井段鉆柱的廣義接觸，并設(shè)定接觸對的摩擦系數(shù)；(2)對井口鉆桿施加拉力F和轉(zhuǎn)速VR2；(3)固定巖石面，建立井底鉆頭與巖石面的接觸，并設(shè)定摩擦系數(shù)；3鉆柱力學(xué)模擬結(jié)果分析

3、全井段鉆柱有限元模型建立后，定義材料參數(shù)、接觸對、邊界條件和劃分網(wǎng)格，并進行大量計算，得到全井段鉆柱轉(zhuǎn)動250s的運動結(jié)果，分析結(jié)果如下。由圖1的應(yīng)力圖可以看出，在鉆柱剛開始轉(zhuǎn)動時，只有井口附近鉆柱有較大的扭轉(zhuǎn)，應(yīng)力較大，從斜井段上部開始一直到井底鉆柱基本保持不動。從應(yīng)力隨時間的變化也能夠清晰看出斜井段到井底段的要克服摩擦力才能使鉆柱轉(zhuǎn)動起來，全井段鉆柱都正常旋轉(zhuǎn)起來后，造斜點后的鉆柱受到的應(yīng)力比直井段大的多，說明氣體鉆水平井時，斜井段到井底部分的鉆柱受到的摩擦力、扭矩比直井段更大。據(jù)圖2鉆柱與井壁的接觸分布可知：在不同時刻鉆柱與井壁的

4、接觸點大小和方向都有不同，具有隨機性。鉆柱剛開始旋轉(zhuǎn)時，直井段鉆柱有部分與井壁接觸，斜井段和水平段鉆柱在重力作用全部靠在下井壁上。隨著鉆柱的持續(xù)運動，下部鉆具組合接觸點增多，摩擦力增大，使得直井段鉆柱扭矩增大。4結(jié)論(1)在氣體鉆水平井設(shè)計之初，必須合理預(yù)測造斜段和水平段的扭矩和摩擦力，必要時可增大安全系數(shù)。(2)氣體鉆水平井時鉆柱躺在下井壁，摩阻大，水平段較長時可能會發(fā)生嚴(yán)重的屈曲，有卡鉆的風(fēng)險。參考文獻[1]S,Menand,H.Sellamietal.Advancementsin3DDrillstringMechanics:Fro

5、mtheBittotheTopdrive.IADC/SPE98965,2006[2]狄勤豐，王文昌，胡以寶，等?鉆柱動力學(xué)研究及應(yīng)用進展[M].天然氣工業(yè)，2006,26(4)：57-59[3]付建紅.下部鉆柱三維動態(tài)力學(xué)性能研究[D]?西南石油學(xué)院碩士學(xué)位論文，1989[4]房舟.鉆桿的失效分析[D].西南石油大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006作者簡介王濤(1984-),碩士研究生，研究方向為油氣井管柱力學(xué)。