基于有限元法的单根钻杆随钻控制仿真分析

基于有限元法的单根钻杆随钻控制仿真分析

钻杆用于传输钻头碎片所需的能量。该孔用于循环钻孔溶液。这是钻柱的主要设备。钻杆工作状态好坏直接影响钻进效率,钻杆失效会造成严重的钻井质量事故,特别是目前随着浅层资源的不断枯竭,钻深井、超深井越来越成为迫切的钻井任务,对钻杆的质量可靠性要求更高。由于钻杆工作于特有的复杂工况中,难以经济有效地对钻杆受载情况及动力、运动形式相关数据进行实测,因此对钻柱工作性状进行仿真模拟研究是十分必要且可行的。目前较为成熟的研究多以井下钻柱、钻具系统整体为目标,并取得一定的研究成果,而作为其中较脆弱的细胞个体的单根钻杆工作状态没有很好地反映出来。笔者基于有限元法,对最易失效的钻铤上部单根钻杆进行了仿真模拟研究,其结果进一步明确了钻进中单根钻杆的运动及动力特性响应规律,一定程度上可反映井下钻杆工作状态。1置上受载荷的载荷钻杆的受力状态与选用的钻井方式有关,在不同的工作状态和不同的位置上承受着不同的载荷。钻进过程中井孔内钻杆柱、孔壁及岩层组成了一个复杂的弹性系统,钻杆柱近似为一根细长柔性杆件,由回转运动传递钻压和扭矩,同时在孔壁的约束下弯曲变形,受力及运动状态十分复杂。1.1正常钻进时钻柱长度及参数确定钻柱中和点分钻柱为上下两部分,中和点位置由下式计算式中,Kb=1-γm/γs,γm,γs分别为钻井液和钻杆材料密度,g/cm3;Kb为浮力系数;Ln为中和点距井底高度,m;pb为井口钻压,N;qa为钻铤单位长度重量,N/m。中和点位置之下某点钻柱承受压力式中,Wi为该点以上钻柱在钻井液中的重力,N;p井口为井上钻具施加的井口钻压,N。转盘钻进时,钻柱所受的扭矩取决于转盘传给钻柱的功率,由空转功率N空转和破岩功率N破岩组成,即正常钻进时N与钻头类型及直径、岩石性质、钻杆尺寸、钻压、转速、钻井液性能及井眼质量的功能因素有关,由经验公式确定式中,ρd为钻井液密度,N/cm3;de为钻杆外径,cm;W为钻压,N;L为钻柱长度,m;n为转速,r/min;Db为钻头直径,cm;C为经验系数,与岩性、钻井液性质、井眼清洁程度、钻头磨损等有关,取0.45。1.2硬地层接处振动方程钻进中钻杆柱的主要工作方式是旋转钻进或滑动钻进,且伴随各种振动,剧烈的钻柱振动通常是引起钻具失效的重要原因。由于横振激励方式的无规律性,振动过程中又受到钻杆与井壁敲击碰撞的严重影响。有文献论述旋转钻柱的纵向共振是引起钻柱失效的重要因素,笔者认为钻头处激发的纵向振动能量由于长距离阻尼作用衰减,尤其是浅井段纵振参与比例较低,以自激横振为主要振动形式。纵振危害的影响区域主要在钻头与钻铤、下部钻铤之间,以及扶正器连接处等脆弱部位。钻杆振动方程由下式描述其通解可写为式中,γ,g分别为钢材密度和重力加速度;E为弹性模量,kPa;u为钻杆横截面纵向位移,m;p为系统固有频率,rad/s;A,C,D,a为积分常数。钻进过程中存在的钻头与岩石的互作用和钻柱弹性变形等众多因素导致钻柱产生扭转振动,适当简化弹性杆单元法建立动力学模型式中,G为钻柱材料的剪切弹性模量,MPa;Jp为钻柱各横截面对扭转中心的极惯性矩,cm4;ω0为转盘转速,r/min;c为扭转波传播速度,m/s;da为钻井液阻力系数比;L为钻柱的长度,m;dTh(t)为钻头的惯性扭矩,N·m;Th(t)为钻头钻进时岩石对钻头产生的反扭矩,N·m;Th(I,t)为瞬间作用在钻柱下端的扭矩,N·m。钻柱的振动激励主要来自于钻头与井底相互作用,现场取心表明,硬地层井底形状呈三叶瓣形状,这会激发钻具组合的纵向振动和扭转振动。钻头每转1周,钻压将发生3次变化,即钻头纵向振动频率是钻头转速的3倍,设钻头位移为一正弦激励式中,ω为钻头纵向位移函数的角频率;a0为井底波动幅度,m。考虑到纵振方向单一且主要是以波的形式传播,因此在受迫端加速度形式的振动激励是真实的,对式(3)~(7)进行二次求导得加速度振动激励此外井底地层的瓣状突起造成钻压周期变化的同时,钻杆承受的扭矩也将发生周期变化引起扭转振动,取扭转边界条件采用激励扭矩法,输入激励扭矩式中,Nb,Nr分别为牙轮个数和转速,r/min。2钻井参数取钻铤以上第1根钻杆为研究对象,有限元模型按API标准中常用的127.0mm(5in)内加厚对焊钻杆和接头的参数要求建立,钻杆管体长度为第2类长度9.14m,钢级选用G级,接头选用18°斜台肩钻杆接头NC50(4,1/2IF)-62G,管体材料选用冷拔精密无缝钢管GB3639-83。钻井参数以滨509-斜32井为例,考虑明化镇组直井部分,造斜点以上钻具组合:Ø241.3mm钻头+Ø177.8mm钻铤(108m)+Ø127mm钻杆,钻至造斜点井深为650m时,估算钻铤以上第1根钻杆位置为井下距地面541m处。参考Ø127mm标准重量钻杆参数及钻压和钻井液数据,钻至650m处,钻井液密度取1.10g/cm3,由式(1)和式(2)求得中和点位置距井底为86.87m,且井口为负钻压,钻杆受拉载32kN。主要钻井参数见表1,钻压取120kN,转速取80r/min,钻井液密度取1.1g/cm3,代入经验公式(3)、(4),得钻杆受扭矩2576.32N·m。将转速等相关参数带入式(9)及式(10)中,分别求得钻杆激振端纵振加速度函数和扭振的扭矩函数3单次给药振动钻杆有限元模型的静力分析结果显示应力最大值为51MPa,位于外螺纹根部与台阶面接合处,产生应力集中,另外接头间的杆体也承受较高的应力,这与钻杆螺纹和杆体实际失效情况相符。可见钻杆仅在静力工况下即可造成明显的应力集中,在耦合振动的情况下将产生剧烈的交变应力集中造成疲劳失效,是可以预见的。为避免应力集中,在工艺允许条件下应对阶梯处进行平滑过渡处理。共振的钻杆如同一根弯曲抖动的鞭子,相应大振幅部位将承受较大交变弯曲应力。提取前8阶参考振幅见表2,由于钻杆是回转体轴对称结构,近似相等的两阶频率成对出现,而第11阶和第14阶频率与前后相差较大,扩展模态振型后观察可知,这两阶主要的振动参与形式分别为扭振和纵振,其他为横振,但扭振和纵振的激发圆频率较高,本对象钻杆所处明化镇组最高设计转速为120r/min,对应激励圆频率为37.68rad/s,不足以将其激发,所以此转速范围井段主要以横振为主。实际井下钻杆的一端与其他钻杆相连存在一定约束,降低了固有频率,经过换算,转速分别达到220r/min和300r/min时会明显激发扭振和纵振。因此,井下钻杆振动参与顺序大致为横-扭-横-纵-横振,且随着频率的升高,各种振型交替、叠加出现的情况更加频繁和复杂。另外可看到前8阶其参考振幅大多在10cm以上,且实际井下钻杆并非完全约束,振幅有所扩大,加上钻杆半径6.35cm,钻杆壁的共振位移接近井眼尺寸24.13cm,随着钻压和转速的增大,自转钻杆某点甚至多点将于井壁接触造成偏磨并形成多点自激振动,随后由部分点接触发展成为线接触,在持续的圆周切向摩擦力的作用下,钻柱在自转的同时又以一定的速度贴着井壁绕轴线反向公转,此时整套钻具的反转运动产生。综合考虑实际工况和模型简化,振动阻尼取瑞利阻尼(Rayleighdamping),转速取80r/min,提取横向最大位移点位移和加速度响应如图1所示。该点的位移、速度及加速度振动响应均以横向Z向(径向)最为剧烈,位移响应为纵向X向(法向)的2~3倍,加速度响应幅值为纵向的近50倍,而从整体上受迫振幅小、频率不高振动平稳,Y向的振动衰减明显,可见钻杆在以某一较低转速、或某一小段范围转速钻进时,以横振为主,杆体大位移处的振动方向较单一,呈现简谐规律性,与理论分析相符。4调整钻井参数、钻具组合(1)建立基于有限元法的钻井过程中单根钻杆的动力学模型,适用于钻井设计初期的单根钻杆的模拟计算,预防井下钻具的先期失效。(2)井况允许情况下,钻井设计时应适当加大井眼尺寸、降低转盘转速,保证良好润滑,可有效控制反转运动的生成;在较浅井段应以控制钻杆横振为