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定向井钻柱的强度有限元分析

发布于:2021-09-28 20:33
有限元分析

       由于定向井存在一定的斜度和狗腿度,钻柱与井壁之间的摩擦力较大,并且不同工况下摩擦力的大小和方向也不同。另外,井眼的弯曲对钻柱的受力有很大影响。所以,研究定向井钻柱强度的有限元分析是十分必要的。
       用转盘钻进时,钻柱既有旋转运动,又有沿井眼轴线的运动,因此,钻柱表面某点的运动实际为螺旋运动。在斜井段中取出一段钻柱如图l所示。V为钻柱表面C点的运动速度V、Vr分别为V沿钻柱轴向和周向的分量。F为C点处钻柱受井壁的摩擦力,其方向与V相反,F、F,分别为F沿轴向和周向的分量,它们又可分别称为钻柱受井壁的轴向摩擦力和周向摩擦力。
       采用井底动力钻具钻进时(如图所示),泥浆作用于动力钻具转子的主动力矩材+带动钻头旋转,若忽略动力钻具的传动损失,材料的大小应等于钻头扭矩从。同时,泥浆也作用于动力钻具定子大小相等,方向相反,并且,材一使钻柱有旋转运动趋势,所以,钻柱与井壁间有旋转静摩擦力,即周向摩擦力,此摩擦力产生的扭矩城瓣盘扭矩从之和,且M、M,与材方向相反,所以由以上结果可以看出:
       (1)使用转盘钻进时,钻柱轴向运动速度远小于周向运动速度,因此,钻柱轴向摩擦阻力很小,从钻头沿钻柱向上,钻柱轴向压力增加很慢。而使用井底动力钻具钻进时,钻柱无周向运动,所以,钻柱轴向摩擦阻力较大.由此引出下列两个后果:
       ①钻进时,相同位置(除钻头外),转盘钻的钻柱轴向力较井底动力钻具钻的大,
       ②钻进时,转盘钻的钻柱受压段较井底动力钻具钻的短。
       (2)使用转盘钻进时,钻柱受井壁的摩擦扭矩与钻头受井底的扭矩方向相同,因此,沿钻柱向上,钻柱扭矩逐渐增加;使用井底动力钻具钻进时,动力钻具定子所受的泥浆的扭矩与钻柱受井壁的静摩擦扭矩方向相反,因此,沿钻柱向上,钻柱扭矩逐渐减小。起钻时,弯曲井段中钻柱相当应力较大,其原因是:
       ①起钻时,钻柱轴向力较大,由式,弯曲井段中钻柱的弯曲应力与轴向力成正比;
       ②起钻时,钻柱不受扭矩作用,所以,弯曲井段中钻柱的弯曲应力在相当应力中所占比重较大;
       (1)在相同的井身结构、钻柱结构、钻压和钻头扭矩条件下,与井底动力钻具相比,采用转盘钻进时,钻柱受压段短。但井口处钻柱轴力、扭矩和相当应力较大。
       (2)起钻时,弯曲井段中钻柱的相当应力较大。


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