偏軸鐘擺鉆具組合力學特性分析

1、偏軸鐘擺鉆具組合力學特性分析史玉才，管志／J(石油大學石油工程學院，山東東營257061)摘要：運用縱橫彎曲連續(xù)梁理論和達朗伯原理，建立了偏軸鐘擺鉆具組合動力學分析模型。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，以評價鉆具組合的防斜(糾斜)能力和偏軸接頭附近的偏磨程度。計算結(jié)果表明，適當降低鉆壓或提高轉(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，適當調(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：TE21文獻標識碼：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)場實踐表明，該鉆具組合具有防斜和糾斜能力強、防斜打直效率高的優(yōu)點|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)表的成熟的力學模型，現(xiàn)場工程人員難以深入理解和掌握此項技術(shù)，大部分使用者還只是憑經(jīng)驗設(shè)計鉆具組合，選擇鉆井參數(shù)，這勢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，嚴重偏磨有時會造成鉆鋌刺漏、斷裂，目前還沒有有效的評價方法和預防措施。為此，筆者建立一個較簡單、實用的偏軸鐘擺鉆具力學模型，通過計算鉆頭處的側(cè)向力和轉(zhuǎn)角以及偏軸接頭處的側(cè)向力，評價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、鉆

4、井參數(shù)選擇和預防鉆鋌嚴重偏磨提供理論指導。1偏軸鐘擺鉆具組合及力學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。運用文獻

5、[5]中縱橫彎曲連續(xù)梁理論，將鉆頭處簡化為式中，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雜，因此，對式(3)作如下說明。①當D一De時，偏軸接頭可能與井壁接觸，偏軸接頭偏磨9當0≤D～D≤e時，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，由該式給定，由式(2)給定e；右側(cè)與井壁接觸時，由該式

6、給定，由式(2)給定eL；偏軸接頭與下井壁接觸時，式中的“”取“t”；與上井壁接觸時，式中的“”取“一”。12離心力的等效處理運用達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力學模型轉(zhuǎn)換成擬動態(tài)力學模型。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。理論分析及模擬實驗證明，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)學方程及其求解21三彎矩方程組的建立根據(jù)文獻[5]中的推導方法，建立偏軸接頭臺階面處和扶正器處的三彎矩方程，以及鉆鋌與井壁上切點方程。格式如下：M0z(1)2MLy(1)2MRy(2)M卜：))一6EIt)，(6)MRz(I~2)2M2lY(／22)y(3)j