偏軸鐘擺鉆具組合力學(xué)特性分析

1、偏軸鐘擺鉆具組合力學(xué)特性分析史玉才，管志／J(石油大學(xué)石油工程學(xué)院，山東東營257061)摘要：運(yùn)用縱橫彎曲連續(xù)梁理論和達(dá)朗伯原理，建立了偏軸鐘擺鉆具組合動(dòng)力學(xué)分析模型。該模型能夠用于求解鉆頭處的側(cè)向力和轉(zhuǎn)角以及偏軸接頭處的側(cè)向力，以評(píng)價(jià)鉆具組合的防斜(糾斜)能力和偏軸接頭附近的偏磨程度。計(jì)算結(jié)果表明，適當(dāng)降低鉆壓或提高轉(zhuǎn)速，有EJTeq~；增加偏軸接頭偏心距或?qū)⑵S接頭位置上移，有利于糾斜，但不利于控制鉆鋌(或接頭)偏磨；扶正器位置上

2、移基本上不利于糾斜，也不利于控制鉆鋌(或接頭)偏磨；偏軸接頭處存在較大的接觸力時(shí)，適當(dāng)調(diào)整鉆井參數(shù)或鉆具結(jié)構(gòu)能夠避免或減輕鉆鋌偏磨。關(guān)鍵詞：鉆井；井斜控制；鉆具組合；偏軸接頭；鐘擺鉆具中圖分類號(hào)：TE21文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A偏軸鐘擺鉆具組合是目前常用的防斜打直鉆具組合之一。理論研究和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明，該鉆具組合具有防斜和糾斜能力強(qiáng)、防斜打直效率高的優(yōu)點(diǎn)|l~4j。然而，作為一種較新的防斜打直技術(shù)，該鉆具組合在使用中還存在一些問題，主要表現(xiàn)在：(1

3、)還沒有公開發(fā)表的成熟的力學(xué)模型，現(xiàn)場(chǎng)工程人員難以深入理解和掌握此項(xiàng)技術(shù)，大部分使用者還只是憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)鉆具組合，選擇鉆井參數(shù)，這勢(shì)必影響防斜打直效果。(2)偏軸接頭附近的鉆鋌普遍存在偏磨現(xiàn)象，嚴(yán)重偏磨有時(shí)會(huì)造成鉆鋌刺漏、斷裂，目前還沒有有效的評(píng)價(jià)方法和預(yù)防措施。為此，筆者建立一個(gè)較簡(jiǎn)單、實(shí)用的偏軸鐘擺鉆具力學(xué)模型，通過計(jì)算鉆頭處的側(cè)向力和轉(zhuǎn)角以及偏軸接頭處的側(cè)向力，評(píng)價(jià)該鉆具的防斜打直效果及偏軸接頭附近的偏磨程度，從而為鉆具組合設(shè)計(jì)、鉆

4、井參數(shù)選擇和預(yù)防鉆鋌嚴(yán)重偏磨提供理論指導(dǎo)。1偏軸鐘擺鉆具組合及力學(xué)模型偏軸鐘擺鉆具集中了普通鐘擺鉆具和偏軸鉆具的結(jié)構(gòu)特征。圖l是偏軸接頭結(jié)構(gòu)示意圖，兩端的螺紋軸線均偏移。偏軸鐘擺鉆具的基本組合形式lj為：2159mm鉆頭1778mm鉆鋌(9～121TI)偏軸接頭(e=12～15mm)1778mm鉆鋌(6～9m)215mm扶正器1778mm鉆鋌4127mnq_鉆桿；鉆井參數(shù)：鉆壓w為60～180kN，轉(zhuǎn)速為60～150r／min。運(yùn)用文獻(xiàn)

5、[5]中縱橫彎曲連續(xù)梁理論，將鉆頭處簡(jiǎn)化為式中，Dl1ID和D分別為鉆頭直徑、偏軸接頭直徑和鉆鋌直徑。偏軸接頭與井壁的接觸情況比較復(fù)雜，因此，對(duì)式(3)作如下說明。①當(dāng)D一De時(shí)，偏軸接頭可能與井壁接觸，偏軸接頭偏磨9當(dāng)0≤D～D≤e時(shí)，偏軸接頭兩端的鉆鋌可能與井壁接觸，鉆鋌偏磨。因此，只要滿足D一De，就可以避免鉆鋌出現(xiàn)偏磨，允許直徑較大的偏軸接頭偏磨。②偏軸接頭左側(cè)與井壁接觸時(shí)，由該式給定，由式(2)給定e；右側(cè)與井壁接觸時(shí)，由該式

6、給定，由式(2)給定eL；偏軸接頭與下井壁接觸時(shí)，式中的“”取“t”；與上井壁接觸時(shí)，式中的“”取“一”。12離心力的等效處理運(yùn)用達(dá)朗伯原理等效處理鉆柱公轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，能夠?qū)⑸鲜鲮o力學(xué)模型轉(zhuǎn)換成擬動(dòng)態(tài)力學(xué)模型。偏軸接頭上、下兩段鉆柱的橫向載荷(包括鉆柱自重分量)的近似計(jì)算公式為qlqolfsinaq2=q02sin口22(4)式中，g為重力加速度；a為井斜角，(。)；為鉆柱公轉(zhuǎn)角速度，rad／s；q0，為第i段鉆鋌的單位長(zhǎng)度浮重，N／

7、m；q，為第i段鉆鋌的等效橫向載荷，N／m。式中“”的選擇方法與式(1)和式(2)相同。理論分析及模擬實(shí)驗(yàn)證明，鉆柱公轉(zhuǎn)角速度和自轉(zhuǎn)角速度關(guān)系如下[：n=_，01(5)一b—c2數(shù)學(xué)方程及其求解21三彎矩方程組的建立根據(jù)文獻(xiàn)[5]中的推導(dǎo)方法，建立偏軸接頭臺(tái)階面處和扶正器處的三彎矩方程，以及鉆鋌與井壁上切點(diǎn)方程。格式如下：M0z(1)2MLy(1)2MRy(2)M卜：))一6EIt)，(6)MRz(I~2)2M2lY(／22)y(3)j