钻柱动力学分析

第40卷第6期2011年6月Liaoning Chemical IndustryJune, 2011钻柱动力学分析赵炎(长城钻探工程技术研究院,辽宁盘锦124010)要:钻柱是钻井的最基本的工具,钻柱的安全性和可靠性对钻井工程尤为重要,钻柱的损坏严重影响了钻井的正常进行。因此有必要对钻柱进行可靠性分析,得出最优的钻具组合,以节约成本。本文根据有限元法得到钻柱的力学模型,并应用 NEWMARK法对力学模型进行求解。通过对刚性满眼钻具组合进行动力学仿真,得到了钻柱在井下工作时表面的受力,并得到了钻柱上各点的位移,对预防钻柱疲劳失效具有一定的指导意义。关键词:钻柱;力学模型;有限元分析;刚性满眼中图分类号:TE242文献标识码:A文章编号:10040935(2011)06-0657-04钻柱是石油钻井工程中使用数量大、质量要求非线性。对钻柱结构、上下边界条和外部载荷作如高的管材,是钻井最基本的工具。钻柱在钻进时处下假设:在充满钻井液的细长井眼中,其受力情况非常复杂,(1)整个分析过程中钻柱处于线弹性状态,不不仅要承受拉力、压力、扭矩等随时间变化而变化考虑塑性变形的交变载荷,还要承受由钻具涡动引起的摩擦和高(2)井眼任一横截面都为等径圆,井壁弯曲程频撞击,同时随着地层条件的不同,钻柱有时还会度与井眼轴线弯曲一致;承受腐蚀、粘滞力、氢脆、高温等作用。在各种外(3)在不受重力作用时,钻柱轴线与井眼轴线界因素的作用下,钻井工程中钻柱失效事故大量发致;生,造成了众多井下事故,导致大量额外经济损失。(4)井壁是刚性的,与钻柱接触时不产生变形。钻柱的失效大大增加了钻井工程中的起下钻时间,发生变形。严重影响了钻井的正常进行。钻柱失效后的井有的12钻柱动力学模型的建立直接就报废,有的对井底钻柱进行打捞,报废和打根据有限元方法对钻柱组合进行有限元离散捞大大增加了钻井成本。据统计,在20世纪80年,如图1所示。代,我国每年有近2万m的钻柱由于在井下施工中M实效而被埋在地下2为了减少井下事故的发生,使钻井成本达到最低,就必须提高钻柱的可靠性。通过对钻柱失效机y,(ew)x(n)理的分析研究,确定钻井工程中的最优钻井参数,使钻柱失效率大大降低,从而达到控制钻井成本的v( en)目的。0M),钻柱力学建模图1钻柱单元节点受力示意图式中;w、咧一节点轴向位移;1.1基本假设晌、一沿x方向的位移;钻井过程中钻头在钻压和扭矩作用下破岩钻吟、y一沿y方向的位移进,连接钻头的钻柱在各种载荷作用下受到井壁的Bn、6—绕x轴的扭转角6、战-绕y轴的扭转角约束钻柱会和井壁产生接触,在任一井深处、任一如t井眼圆周方向上产生接触的问题都属于接触非线性中国煤化工力学问题,在建立钻柱几何模型时,必须考虑接触CNMHG收稿日期:2011-02-16着侧介::(19元男:0理1王,辽宁盒人,206年于大庆石油学晚石油工程专业,研究方向;钻井轨遗控制与钻柱力学,辽宁化工2011年6月Q、Q4-z平面内的弯矩;同理,假设My、My-x平面内的弯矩;Mn、M4-xy平面内的弯矩=(-a)}+an,},则位移泰勒公式用有限元处理边界约束条件后得到动力学方程展开式可以化为[MJld+[cl+[k,l}={F()}(1){un}={un}{}A+(1-2a)}+2a{ar2式中:[M]一结构质量矩阵;(0≤2a≤1)(6)l-结构阻尼矩FK】]一结构刚度矩上式中:引进参数a、的为 Newmark法的积分参F(t)]一随时间变化的载荷函数;一节点位移矢量;数节点速度矢量;引进新的参数将式(5)及式(6)中的系数简{}一节点加速度矢量化可以得到t△t时刻的速度{n}和加速度有限元不同分析类型是对这个方程的不同形式进行求解:(1)模态分析:假设载荷函数F(1为为零,同时通常忽略结构阻尼矩阵C];(2)谐响应分Lu, =u,+a6,+a,,+3(7析:假设载荷函数F(t)和位移函数u(t)都为谐函数;(3)瞬间动态分析:方程保持上述的形式不变。{ans}= ao du}-{u1)-a31}-a3{a}(8)代式(4)到式(3)可以得到2钻柱系统动力学模型的求解钻柱系统动力学分析时求解动力学基本方程(1){nx}=a4({un}-{x)-a1n}-a3{n}(9)时有两种方法:模态叠加法和直接积分法。模态叠代式(8)和式(9)入式(2)可以得到加法一般用于求解线性问题,直接积分法允许模型(ao[M]+a[c]+[K]+(K dum)有非线性性质。直接积分法是直接求解运动方程,={F}+{Ma3l1}+a2}+a2{a(10)对于瞬态动力学分析,运动方程为时间的函数,可+chau+au,+asu,b以通过显式或隐式的方法求解。B在直接积分法中又有 NEWMARK法和HHT法式中:a-a△t2,想为:将基本的动力学方程(1)中的位移矢量4-1B-1a=aAt这两种隐式积分法应用的逐步积分法,其基本思{u()},替换为{(t+△r,由于对位移、速度和加a=(-p),a,=Br(11)速度三者间的关系假设不同,则分为 NEWMARK法由上述分析可得 NEWMARK参数和HHT法。Newmark法具体计算为:a24(2+P,B22,2+B+a>0(12)在t+△t时刻,动力学基本方程(1)可以写为:将式(12)改写为等式便于计算,因此M41,}+l.+灯+E=(F,}(2) NEWMARK法积分参数为:根据中值定理可得计△t时刻的速度为a=(+)2B=+8δ≥0(13)式中:新引人参数δ表示振幅衰减系数。式中:{2}为{以在时间[t+△小内某点的加速度值,在 NEWMARK法的假设为:令6=0时,即a=4,B=2, NEWMARK法就变2=(-p1+1,)0B)(4)Yv口中国煤化工)和式(10)为代(4)式到(2)式可以得到速度值为NEWCNMH④导可知,只要确a)={}+(1-B)}+B(玩,(5)定t时刻的模型各运动参数{x}、{u,}和{,},就第40卷第6期赵炎:钻柱动力学分析可以得到t+△t时刻的模型各运动参数{un}、{ns}和{n}由此可以知道,只要确定初始00.4时刻模型的位移矢量{}={和速度矢量{}={0},并由基本方程(1)计算得到加速度矢量{0},就可以得到时刻+△t模型的各个运动参数{a}、{}、{}。以此类推,逐步的可以求得时刻t=i△t(i=2,3,n)时模型的各运动参数fun, uas inj2.43.6图4钻柱下端点Ⅹ轴向位移与时间关系图瞬态动力学分析可采用3种方法:完全(FUL)法、缩减( REDUCED)法和模态叠加法。3仿真实例彐刚性满眼钻具组合,由井口至井底:5寸钻杆数根+5寸加重钻杆18根+6寸钻铤6根+7寸钻铤4根+8寸钻铤5根+扶正器+8寸钻铤1根+扶正器+8寸钻铤1根+扶正器+钻头。有限元软件中建立的实体模型如图2。01.22ANSYS图5钻柱下端点Y轴向位移与时间关系图图2刚性满眼钻具组合模型1.22.43.646.0分析结果:(1)满眼钻具承受动态载荷的应力分布及变形图6钻柱下端点绕z轴转动位移与时间关系图如图3。满眼钻具组合多在扶正器的作用下,使下部钻柱ANSYS与井壁之间有三点接触,很好的控制了钻头偏斜。扶正器之下钻头之上部分钻柱就相当于一个加了支架的简支梁,这样可以使钻柱变形不至于过大,分析的应力和变形图来看,困扰钟摆钻具组合和塔式钻具组合钻头与钻柱连接处变形过大的问题得到了很好的解决。可以看出钻井过程中扶正器以下钻柱的刚性明显增强,X、Y轴向的扰度得到了有效的控制。随着扶正器的增加,在起下钻时抽吸激励会随之增大,这样容易发生井漏事故.同时扶正器还会阻碍较大岩石屑的图3满眼钻具承受动态载荷的应力分布及变形中国煤化工。由于扶正器与井壁接CNMHG非常严重。(2)钻柱下端点在各向的位移如图4、5、6根据分析结果,看出钻具组合对钻柱的弯曲变形所示。和钻柱上的应力有较大影响影响。满眼钻具组合使钻辽宁化工2011年6月柱下部的稳定性得到了提高,但同时扶正器处易产生大,受井眼轨迹的约束,钻柱会在井眼狗腿度较大应力集中,扶正器以上中和点以下部分的应力增加剧处随着井眼轨迹的变化而产生较大的弯曲变形和弯烈,成了整个钻柱上高应力区,在高转速下钻柱更加曲应力。容易疲劳失效,引起井下事故。满眼钻具组合由于扶(2)从分析结果来看,钻柱的横向振动主要发正器的作用使钻柱的一部分基本保持在井眼中间,这生在井底,井底钻头与钻柱的连接处钻柱产生较大样就能够较好的按照预先设计的井眼轨迹钻进,准确的变形位移。的到达油气储层,提高钻井效率。刚性满眼钻具组合(3)满眼钻具组合使钻柱的稳定性得到了提在钟摆钻具组合基础上更进一步,使扶正器以下钻柱高,但在扶正器处易产生应力集中。的弯曲变形得到了有效的控制,能更加容易的增斜,参考文献:是定向井钻井中重要的钻具组合但同时在优点与缺m)李鸿林冯荣石油估柱失效分析及预防措施石油机械,y08点并存,因此在实际钻井中应该根据地层情况和实际凹)翁绳壁,杨千里,张平子钻诞接头的强度分析及延长使用寿命的措钻井条件合理的选择钻具组合,这样才能取得最佳钻施J石油机械,1989(2)进速度,增加经济效益。3]林元华,付建红,卢亚锋,轍荣东,阎振来钻柱限元动力学仿真研究石油大学学报,2008(6)4结论4]章扬烈钻柱运动学与动力学M北京:石油工业出版社,200ANSYS, Ine.(NASDAQ: ANSS ) ANSYS Help.(1)从钻柱动力学分析结果来看,三维弯曲井眼中井眼轨迹的曲率对整个钻柱的弯曲变形影响较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页)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吗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中国煤化工 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)