鉆柱動(dòng)力學(xué)分析

第40卷第6期2011年6月Liaoning Chemical IndustryJune, 2011鉆柱動(dòng)力學(xué)分析趙炎(長(cháng)城鉆探工程技術(shù)研究院,遼寧盤(pán)錦124010)要:鉆柱是鉆井的最基本的工具,鉆柱的安全性和可靠性對鉆井工程尤為重要,鉆柱的損壞嚴重影響了鉆井的正常進(jìn)行。因此有必要對鉆柱進(jìn)行可靠性分析,得出最優(yōu)的鉆具組合,以節約成本。本文根據有限元法得到鉆柱的力學(xué)模型,并應用 NEWMARK法對力學(xué)模型進(jìn)行求解。通過(guò)對剛性滿(mǎn)眼鉆具組合進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真,得到了鉆柱在井下工作時(shí)表面的受力,并得到了鉆柱上各點(diǎn)的位移,對預防鉆柱疲勞失效具有一定的指導意義。關(guān)鍵詞:鉆柱;力學(xué)模型;有限元分析;剛性滿(mǎn)眼中圖分類(lèi)號:TE242文獻標識碼:A文章編號:10040935(2011)06-0657-04鉆柱是石油鉆井工程中使用數量大、質(zhì)量要求非線(xiàn)性。對鉆柱結構、上下邊界條和外部載荷作如高的管材,是鉆井最基本的工具。鉆柱在鉆進(jìn)時(shí)處下假設:在充滿(mǎn)鉆井液的細長(cháng)井眼中,其受力情況非常復雜,(1)整個(gè)分析過(guò)程中鉆柱處于線(xiàn)彈性狀態(tài),不不僅要承受拉力、壓力、扭矩等隨時(shí)間變化而變化考慮塑性變形的交變載荷,還要承受由鉆具渦動(dòng)引起的摩擦和高(2)井眼任一橫截面都為等徑圓,井壁彎曲程頻撞擊,同時(shí)隨著(zhù)地層條件的不同,鉆柱有時(shí)還會(huì )度與井眼軸線(xiàn)彎曲一致;承受腐蝕、粘滯力、氫脆、高溫等作用。在各種外(3)在不受重力作用時(shí),鉆柱軸線(xiàn)與井眼軸線(xiàn)界因素的作用下,鉆井工程中鉆柱失效事故大量發(fā)致;生,造成了眾多井下事故,導致大量額外經(jīng)濟損失。(4)井壁是剛性的,與鉆柱接觸時(shí)不產(chǎn)生變形。鉆柱的失效大大增加了鉆井工程中的起下鉆時(shí)間,發(fā)生變形。嚴重影響了鉆井的正常進(jìn)行。鉆柱失效后的井有的12鉆柱動(dòng)力學(xué)模型的建立直接就報廢,有的對井底鉆柱進(jìn)行打撈,報廢和打根據有限元方法對鉆柱組合進(jìn)行有限元離散撈大大增加了鉆井成本。據統計,在20世紀80年,如圖1所示。代,我國每年有近2萬(wàn)m的鉆柱由于在井下施工中M實(shí)效而被埋在地下2為了減少井下事故的發(fā)生,使鉆井成本達到最低,就必須提高鉆柱的可靠性。通過(guò)對鉆柱失效機y,(ew)x(n)理的分析研究,確定鉆井工程中的最優(yōu)鉆井參數,使鉆柱失效率大大降低,從而達到控制鉆井成本的v( en)目的。0M),鉆柱力學(xué)建模圖1鉆柱單元節點(diǎn)受力示意圖式中;w、咧一節點(diǎn)軸向位移;1.1基本假設晌、一沿x方向的位移;鉆井過(guò)程中鉆頭在鉆壓和扭矩作用下破巖鉆吟、y一沿y方向的位移進(jìn),連接鉆頭的鉆柱在各種載荷作用下受到井壁的Bn、6—繞x軸的扭轉角6、戰-繞y軸的扭轉角約束鉆柱會(huì )和井壁產(chǎn)生接觸,在任一井深處、任一如t井眼圓周方向上產(chǎn)生接觸的問(wèn)題都屬于接觸非線(xiàn)性中國煤化工力學(xué)問(wèn)題,在建立鉆柱幾何模型時(shí),必須考慮接觸CNMHG收稿日期:2011-02-16著(zhù)側介::(19元男:0理1王,遼寧盒人,206年于大慶石油學(xué)晚石油工程專(zhuān)業(yè),研究方向;鉆井軌遺控制與鉆柱力學(xué),遼寧化工2011年6月Q、Q4-z平面內的彎矩;同理,假設My、My-x平面內的彎矩;Mn、M4-xy平面內的彎矩=(-a)}+an,},則位移泰勒公式用有限元處理邊界約束條件后得到動(dòng)力學(xué)方程展開(kāi)式可以化為[MJld+[cl+[k,l}={F()}(1){un}={un}{}A+(1-2a)}+2a{ar2式中:[M]一結構質(zhì)量矩陣;(0≤2a≤1)(6)l-結構阻尼矩FK】]一結構剛度矩上式中:引進(jìn)參數a、的為 Newmark法的積分參F(t)]一隨時(shí)間變化的載荷函數;一節點(diǎn)位移矢量;數節點(diǎn)速度矢量;引進(jìn)新的參數將式(5)及式(6)中的系數簡(jiǎn){}一節點(diǎn)加速度矢量化可以得到t△t時(shí)刻的速度{n}和加速度有限元不同分析類(lèi)型是對這個(gè)方程的不同形式進(jìn)行求解:(1)模態(tài)分析:假設載荷函數F(1為為零,同時(shí)通常忽略結構阻尼矩陣C];(2)諧響應分Lu, =u,+a6,+a,,+3(7析:假設載荷函數F(t)和位移函數u(t)都為諧函數;(3)瞬間動(dòng)態(tài)分析:方程保持上述的形式不變。{ans}= ao du}-{u1)-a31}-a3{a}(8)代式(4)到式(3)可以得到2鉆柱系統動(dòng)力學(xué)模型的求解鉆柱系統動(dòng)力學(xué)分析時(shí)求解動(dòng)力學(xué)基本方程(1){nx}=a4({un}-{x)-a1n}-a3{n}(9)時(shí)有兩種方法:模態(tài)疊加法和直接積分法。模態(tài)疊代式(8)和式(9)入式(2)可以得到加法一般用于求解線(xiàn)性問(wèn)題,直接積分法允許模型(ao[M]+a[c]+[K]+(K dum)有非線(xiàn)性性質(zhì)。直接積分法是直接求解運動(dòng)方程,={F}+{Ma3l1}+a2}+a2{a(10)對于瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析,運動(dòng)方程為時(shí)間的函數,可+chau+au,+asu,b以通過(guò)顯式或隱式的方法求解。B在直接積分法中又有 NEWMARK法和HHT法式中:a-a△t2,想為:將基本的動(dòng)力學(xué)方程(1)中的位移矢量4-1B-1a=aAt這兩種隱式積分法應用的逐步積分法,其基本思{u()},替換為{(t+△r,由于對位移、速度和加a=(-p),a,=Br(11)速度三者間的關(guān)系假設不同,則分為 NEWMARK法由上述分析可得 NEWMARK參數和HHT法。Newmark法具體計算為:a24(2+P,B22,2+B+a>0(12)在t+△t時(shí)刻,動(dòng)力學(xué)基本方程(1)可以寫(xiě)為:將式(12)改寫(xiě)為等式便于計算,因此M41,}+l.+燈+E=(F,}(2) NEWMARK法積分參數為:根據中值定理可得計△t時(shí)刻的速度為a=(+)2B=+8δ≥0(13)式中:新引人參數δ表示振幅衰減系數。式中:{2}為{以在時(shí)間[t+△小內某點(diǎn)的加速度值,在 NEWMARK法的假設為:令6=0時(shí),即a=4,B=2, NEWMARK法就變2=(-p1+1,)0B)(4)Yv口中國煤化工)和式(10)為代(4)式到(2)式可以得到速度值為NEWCNMH④導可知,只要確a)={}+(1-B)}+B(玩,(5)定t時(shí)刻的模型各運動(dòng)參數{x}、{u,}和{,},就第40卷第6期趙炎:鉆柱動(dòng)力學(xué)分析可以得到t+△t時(shí)刻的模型各運動(dòng)參數{un}、{ns}和{n}由此可以知道,只要確定初始00.4時(shí)刻模型的位移矢量{}={和速度矢量{}={0},并由基本方程(1)計算得到加速度矢量{0},就可以得到時(shí)刻+△t模型的各個(gè)運動(dòng)參數{a}、{}、{}。以此類(lèi)推,逐步的可以求得時(shí)刻t=i△t(i=2,3,n)時(shí)模型的各運動(dòng)參數fun, uas inj2.43.6圖4鉆柱下端點(diǎn)Ⅹ軸向位移與時(shí)間關(guān)系圖瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析可采用3種方法:完全(FUL)法、縮減( REDUCED)法和模態(tài)疊加法。3仿真實(shí)例彐剛性滿(mǎn)眼鉆具組合,由井口至井底:5寸鉆桿數根+5寸加重鉆桿18根+6寸鉆鋌6根+7寸鉆鋌4根+8寸鉆鋌5根+扶正器+8寸鉆鋌1根+扶正器+8寸鉆鋌1根+扶正器+鉆頭。有限元軟件中建立的實(shí)體模型如圖2。01.22ANSYS圖5鉆柱下端點(diǎn)Y軸向位移與時(shí)間關(guān)系圖圖2剛性滿(mǎn)眼鉆具組合模型1.22.43.646.0分析結果:(1)滿(mǎn)眼鉆具承受動(dòng)態(tài)載荷的應力分布及變形圖6鉆柱下端點(diǎn)繞z軸轉動(dòng)位移與時(shí)間關(guān)系圖如圖3。滿(mǎn)眼鉆具組合多在扶正器的作用下,使下部鉆柱ANSYS與井壁之間有三點(diǎn)接觸,很好的控制了鉆頭偏斜。扶正器之下鉆頭之上部分鉆柱就相當于一個(gè)加了支架的簡(jiǎn)支梁,這樣可以使鉆柱變形不至于過(guò)大,分析的應力和變形圖來(lái)看,困擾鐘擺鉆具組合和塔式鉆具組合鉆頭與鉆柱連接處變形過(guò)大的問(wèn)題得到了很好的解決?？梢钥闯鲢@井過(guò)程中扶正器以下鉆柱的剛性明顯增強,X、Y軸向的擾度得到了有效的控制。隨著(zhù)扶正器的增加,在起下鉆時(shí)抽吸激勵會(huì )隨之增大,這樣容易發(fā)生井漏事故.同時(shí)扶正器還會(huì )阻礙較大巖石屑的圖3滿(mǎn)眼鉆具承受動(dòng)態(tài)載荷的應力分布及變形中國煤化工。由于扶正器與井壁接CNMHG非常嚴重。(2)鉆柱下端點(diǎn)在各向的位移如圖4、5、6根據分析結果,看出鉆具組合對鉆柱的彎曲變形所示。和鉆柱上的應力有較大影響影響。滿(mǎn)眼鉆具組合使鉆遼寧化工2011年6月柱下部的穩定性得到了提高,但同時(shí)扶正器處易產(chǎn)生大,受井眼軌跡的約束,鉆柱會(huì )在井眼狗腿度較大應力集中,扶正器以上中和點(diǎn)以下部分的應力增加劇處隨著(zhù)井眼軌跡的變化而產(chǎn)生較大的彎曲變形和彎烈,成了整個(gè)鉆柱上高應力區,在高轉速下鉆柱更加曲應力。容易疲勞失效,引起井下事故。滿(mǎn)眼鉆具組合由于扶(2)從分析結果來(lái)看,鉆柱的橫向振動(dòng)主要發(fā)正器的作用使鉆柱的一部分基本保持在井眼中間,這生在井底,井底鉆頭與鉆柱的連接處鉆柱產(chǎn)生較大樣就能夠較好的按照預先設計的井眼軌跡鉆進(jìn),準確的變形位移。的到達油氣儲層,提高鉆井效率。剛性滿(mǎn)眼鉆具組合(3)滿(mǎn)眼鉆具組合使鉆柱的穩定性得到了提在鐘擺鉆具組合基礎上更進(jìn)一步,使扶正器以下鉆柱高,但在扶正器處易產(chǎn)生應力集中。的彎曲變形得到了有效的控制,能更加容易的增斜,參考文獻:是定向井鉆井中重要的鉆具組合但同時(shí)在優(yōu)點(diǎn)與缺m)李鴻林馮榮石油估柱失效分析及預防措施石油機械,y08點(diǎn)并存,因此在實(shí)際鉆井中應該根據地層情況和實(shí)際凹)翁繩壁,楊千里,張平子鉆誕接頭的強度分析及延長(cháng)使用壽命的措鉆井條件合理的選擇鉆具組合,這樣才能取得最佳鉆施J石油機械,1989(2)進(jìn)速度,增加經(jīng)濟效益。3]林元華,付建紅,盧亞鋒,轍榮東,閻振來(lái)鉆柱限元動(dòng)力學(xué)仿真研究石油大學(xué)學(xué)報,2008(6)4結論4]章?lián)P烈鉆柱運動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)M北京:石油工業(yè)出版社,200ANSYS, Ine.(NASDAQ: ANSS ) ANSYS Help.(1)從鉆柱動(dòng)力學(xué)分析結果來(lái)看,三維彎曲井眼中井眼軌跡的曲率對整個(gè)鉆柱的彎曲變形影響較Dynamic Analysis of Drill StringZHAO Yan(GWDC Engineering Research Institute, Liaoning Panjin 124010, China)Abstract: Drill drilling is the most basic tool during drilling wells, safety and reliability of the drill string are very important fordrilling projects, damage of the drill string can seriously affect normal drilling. So it is necessary to analyze reliability of the drillstring to gain optimal combination of drilling tools In this paper, based on the finite element method, mechanical model of the drillstring was gained, and the model was solved by NEWMARK method. Through dynamic simulation of rigid packed hole assembly,force performance on surface of the drill string working in the underground was gained as well as displacement of the points on thedrill string, which can provide certain significance to prevent fatigue failureKey words: Drill string; Mechanical model; Finite element analysis; Rigid packed hole(上接第656頁(yè))Introduction and Evaluation of Oil(Gas) Well SurveillanceCase Based on Semantic Web Technologies/G Yan-ping, LI Jun-jie, TAO Chang-zhou, SHA Hai-tao(1. School of Petroleum Engineering, Xi'an Shiyou University, Shaanxi Xi'an 710065, China;2. Liaohe Oilfield Gaosheng Engineering and Technology Department No. 2 Operation Company, Liaoning Panjin 124125, China嗎g上acm0:cmAbstract: Event information is valuable to a number of workflows related to surveillance, monitoring and optimization. Importantattributes of an event include its type, time of occurrence, entity affected by the event, status of the entity before, during and after theevent,and the relationship of that event to other events. In this paper,well surveillance withmantic web technologies were summed up. Through exploring practicabi中國煤化工 web technologies,anevent modeling and analysis system was built. Based on the event model, krWeb Rule Language(SWRL), and relationships between everCNMHGanbe represented byw, Ising an off-theThe purpose of this study is to explore the semantic web technologies as a potentially promising approach toextensible and maintainable systems for processing field eventsKey words: Semantic Web; Well Surveillance; Event Modeling; Web Ontology Language (OWL)