底部钻具组合力学分析.ppt

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1、钻具组合力学分析前言对底部钻具组合的力学分析是井眼轨迹控制的基础之一。井眼的形成就是钻头与地层相互作用的结果，因此钻头的受力和变形情况将直接影响井眼轨迹的形状。直井防斜是井眼轨迹控制的一部分，要解决这一问题，也需要对底部钻具组合的受力和变形情况进行正确和合理的计算。BHA受力分析内容1.文献综述2.钻头处新边界条件3.二维井身计算公式推导4.三维井身计算公式推导BHA受力分析文献综述（1）1950年，Lubinski研究了竖直井中钻柱的受力与变形，提出了钻柱多次弯曲的观点。他导出了非线性三阶微分方程，并用贝塞尔函数表示该方程的解。后来他放弃了竖直井筒的假设，导出新的钻柱受力变形的微分方程，

2、采用迭代法求解，并将结果制成了实用图表。Hoch首先提出了井眼曲率对下部钻具组合力学特性的影响，分析了弯曲井眼中多稳定器满眼钻具组合。他在进行理论分析时，把上稳定器处视为铰链连接是不符合实际情况的，因而导致较大误差。另外，他还不恰当地运用了线性力学体系的迭加原理。对此，西南石油学院扶正器小组专门撰文作了详细讨论。1966年，Merphey和Cheatham发表论文，研究了光钻铤钻具在直井眼和具有定曲率二维井眼中的受力与变形，得到了钻头和上切点间钻柱的弹性线微分方程式。他们的方程虽然在形式上与A.Lubinski的不同，但解法和结果都相同BHA受力分析文献综述（2）1973年，Walker应

3、用弹性力学的势能原理求解钻具组合受力和变形问题。后来他根据弹性理论中的弯曲扭转杆件理论，考虑了扭矩的作用，对BHA作了三维分析，并采用逆解法求解。1974年，Brakley和Fischer分别用有限差分法求解弯曲井眼中BHA的受力和变形。自1978年起，Millheim发表多篇文章，用有限元素法求解BHA的受力和变形。自1977年起，白家祉提出用纵横弯曲连续梁法求解BHA的受力和变形。1988年，高德利等提出用权余法来求解BHA的精确控制微分方程，并编成了软件。近年来，张学鸿、刘巨保、吕英民、帅健等用不同的有限元法求解BHA的受力和变形。BHA受力分析都有如下假设1.底部钻具组合各结构单元

4、处于弹性状态；2.底部钻具组合各结构单元可以具有任意几何尺寸和材料性质，但分段保持为常数；3.钻头居于井底中心，钻头和地层间无力偶作用；4.井眼为圆形，且对底部钻具组合刚性支承（在接触点处）；5.在切点以上，钻柱躺在井眼低边；6.井壁为刚性体，井眼尺寸不随时间而变化；7.稳定器与井壁之间的接触为点接触；8.不考虑转动和振动的影响。9.忽略钻柱和钻井液的动力效应。这些假设大都是为了计算的方便，而与实际情况不符，究竟这些假设会带来多大的误差，研究的人还比较少。BHA受力分析传统方法中当钻头受到来自钻具组合的外弯矩时，钻头就有转动的趋势，这时井底岩石对钻头支承力的分布情况将发生变化，在钻头的一面

5、因钻头要离开井底而受力变小或为零，而另一面则相应变大，这样支承力在接触面上的分布将不再均匀，故其合力作用线也必将发生变化。而钻具组合实际与钻头是一体的，它对钻头压力的作用线将永远在中心线上，不可能发生变化。这样，岩石对钻头支承力的合力作用线与钻具组合给钻头压力的作用线将不在一条直线上，因而要产生力偶。这一力偶产生的矩将在一定的条件下抵消外弯矩，使钻头处不产生转角。但这一力偶矩是有最大值的，当外弯矩大于力偶矩的最大值时，钻头才会发生转角。新边界条件（静态）BHA受力分析钻头处当井底岩石对钻头支承力合力作用在钻头一面的边上时，力偶矩M将达到最大值，故其计算公式如下：最大弯矩计算公式BHA受力分

6、析钻头处计算公式BHA受力分析传统的三弯矩方程法(一维井身）计算公式BHA受力分析钻头处新边界条件先用上式代替上页绿底的式子进行计算。算完后检验M0的绝对值是否大于前面计算出来的钻头处最大弯矩M：如小于，则计算结果有效；如大于，则将所计算出的最大弯矩M值作为M0代替上页绿底的式子（正负情况与已算得M0相同），重新计算。算例（降斜组合）BHA受力分析钻头处新旧边界条件对比双稳定器降斜钻具组合：钻头直径216mm，第1稳定器直径216mm，第2稳定器直径216mm，第1稳定器至钻头距离L1=18m，第2稳定器至第1稳定器距离L2=9m，钻铤外径159mm，钻井液密度为1.2g/cm3，井斜角为

7、10，井眼直径为216mm。算例（增斜组合）BHA受力分析钻头处新旧边界条件对比双稳定器增斜钻具组合：第1稳定器至钻头距离L1=1m，第2稳定器至第1稳定器距离L2=18m，其它与降斜钻具组合相同。算例（稳斜组合）BHA受力分析钻头处新旧边界条件对比双稳定器稳斜钻具组合：第1稳定器至钻头距离L1=4m，第2稳定器至第1稳定器距离L2=14m，其它与降斜钻具组合相同。钻头在钻进时，由于转动和振动等因素的影响，它对岩石压力