气体钻井中钻柱瞬态动力学分析

１１南枉科技２０１　石油地质　

气体钻井中钻柱瞬态动力学分析　

胡坤①　张玉红②　王燕妮②　

（①西南石油大学　②中原油田天然气处理厂）　

摘要根据空气钻井中钻柱实际工作状态，在ＡＮＳＹＳ中建立计算模型，对其进行瞬态动力学仿真，分析仿真结果，得到钻柱的　

瞬态动力学特性，从而为实际工程应用及合适的材料选取做准备。　

关键词气体钻井钻柱瞬态分析有限元方法　

钻井过程中，井下钻柱的振动影响钻头寿命和钻速，加剧钻柱疲　

劳破坏。～旦钻柱断裂，在造成严重经济损失的同时，还影响钻井作　

业继续进行。因此掌握井下钻柱工作状态意义十分重大。而利用有限　

元方法建立钻柱工作模型，对钻柱进行瞬态动力分析能大幅降低试验　

成本，对于钻柱结构设计及材料选取具有较好的指导意义。　

１计算模型　

空气钻井工作状态如图１所示。钻柱内通入高压气体，流经钻头　

后将破碎的岩屑从环空带出，钻柱内外均　

充满流体。　

（１）基本假设。为建模及计算方便，　

对钻柱系统进行了合理假设：①钻柱为三　

维弹性直管。②井眼截面为圆形。③忽略　

钻柱接头、钻铤、钻头的影响。④假定井　

眼轴线与钻柱轴线重合。⑤钻柱内外部流　体密度和压力相同。　

（２）建立计算模型。钻柱采用ｐｉｐｅｌ６　

单元。钻柱长度１０００米，弹性模量２１０ＧＰａ　

泊松比０．３，密度７８００ｋｇ／ｍ。，外径Ｏ．１２７ｍ，　

厚度０．００９１９ｍ。设置单元间距为ｌ，产生　图１空气钻井示意图　

１００ｏ￣网格。以地面井口为坐标原点，钻柱方向为ｚ轴正方向，以原　

点向右为ｘ轴方向，Ｙ轴方向由右手定则确定。　

（３）荷载工况。在本次瞬态动力学计算中，共分三个载荷步，　

并将每个载荷步存入一个文件，最后在求解中调用三个载荷步。第一　

个载荷步为重力载荷（ｇ＝９．Ｓｍ／ｓ　），，　

约束条件为：钻柱Ｅ端自由度全约束，　

下端约束ｙ轴以外的所有束。第二个载　

荷步为加载转速（ｍ．２　）和扭矩（　

上端为３０００Ｎ／ｍ，下端为一３０００Ｎ／ｍ），　

约束条件为：限制钻柱Ｅ端ｙ向平移自　图２下端加我的轴向力　由度及转动自由度。第三个载荷步为在下端加载如图２所示的轴向　

力，约束条件为：限制上端ｙＰ］运动。　

２计算结果分析　

考查钻柱的变形情况。分别取时问ｃ＝＝３、３．５、４ｓ，观察钻柱的横　

向和纵向位移。如图３（ａ—ｆ）所示。　

（ａ）３ｓ时钻柱横向位移　（ｂ）３ｓ　时钻柱纵　向住移　

（ｃ）３．５ｓ时钻柱横向位移　（ｄ）３．５ｓ时钻柱纵向位移　

（ｅ）４ｓ时钻柱横向的位移　（ｆ）４ｓ时钻柱纵向位移　图３各时刻钻柱横向及纵向位移　从图３可以看出：（　占柱越靠近下　

端，越容易发生弯曲变形，且变形越剧　

烈；②在不同时刻，钻柱变形也大不相　

同，且随时问增加钻柱下部变形越无规　

律。　，　

在时间历程处理器中，观察节点２　

（钻柱底端）横向位移和纵向位移随时　

问的变化规律以及节点ｌ（钻柱顶端）　

支反力随时间的变化规律，如图４、图５、　

图６所示。　

通过观察图４一图６可知：在底端波动　

载荷作用下时，节点２的横、纵向位移以　

及节点１的支反力均呈波状变化；节点２纵　

向位移的最大值总是出现在底端波动载荷　

最大时；节点ｌ的支反力波动范围很大，　

说明钻柱纵向振动剧烈。　

通过观察约束对的反作用力，可以获　

得钻柱与井壁的接触位置。取ｔ＝３、３．２５、　

３．５、３．７５、４ｓ时下部钻柱与井壁的接触进　

行统计，如表ｌ所示。　・：；：《　“ｔ－　圈４节点２横向位移　

・　¨　：　‘¨　图５节点２纵向的位移　

由表ｌ可知：与井壁接触发生在钻柱　・‘“　．　“一“　

下端；接触处的作用力较大，且在气体钻　图６节点１纵向支反力　

井中，由于没有钻井液的润滑，钻柱与井壁的摩擦系数很大，则更容　

易发生磨损失效。　

表１不同时刻钻柱与井壁的接触节点及接触力　

３结论　

（１）钻柱越靠近下端，越容易发生弯曲变形，且变形越剧烈；　

在不同时刻，钻柱变形也大不相同，且随时间增加钻柱下部变形状态　

越随机。　

（２）钻柱与井壁接触发生在钻柱下端；接触处的作用力较大，　

且在气体钻井中，由于没有钻井液的润滑，钻柱与井壁的摩擦系数很　

大，则更容易发生磨损失效。　

参考文献　

【１】陈志学．气体钻井工艺技术理论及应用研究ｐ】．西南石油大学学士　

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２００８（２）：４９—５２　（８ｌ廖忠会，等．气体钻井断钻铤事故的原因分析及预防嘲．钻泉工　

艺。２００７（６）：６—８　作者简介胡坤（１９８３－），西南石油大学机电工程学院在读研究　

生。主要从事石油井下工具研究。　（收稿日期：２０１０－０４－２３）