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定向井鉆柱的強度有限元分析

發布于: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,鉆柱與井壁之間的摩擦力較大,并且不同工況下摩擦力的大小和方向也不同。另外,井眼的彎曲對鉆柱的受力有很大影響。所以,研究定向井鉆柱強度的有限元分析是十分必要的。
       用轉盤鉆進時,鉆柱既有旋轉運動,又有沿井眼軸線的運動,因此,鉆柱表面某點的運動實際為螺旋運動。在斜井段中取出一段鉆柱如圖l所示。V為鉆柱表面C點的運動速度V、Vr分別為V沿鉆柱軸向和周向的分量。F為C點處鉆柱受井壁的摩擦力,其方向與V相反,F、F,分別為F沿軸向和周向的分量,它們又可分別稱為鉆柱受井壁的軸向摩擦力和周向摩擦力。
       采用井底動力鉆具鉆進時(如圖所示),泥漿作用于動力鉆具轉子的主動力矩材+帶動鉆頭旋轉,若忽略動力鉆具的傳動損失,材料的大小應等于鉆頭扭矩從。同時,泥漿也作用于動力鉆具定子大小相等,方向相反,并且,材一使鉆柱有旋轉運動趨勢,所以,鉆柱與井壁間有旋轉靜摩擦力,即周向摩擦力,此摩擦力產生的扭矩城瓣盤扭矩從之和,且M、M,與材方向相反,所以由以上結果可以看出:
       (1)使用轉盤鉆進時,鉆柱軸向運動速度遠小于周向運動速度,因此,鉆柱軸向摩擦阻力很小,從鉆頭沿鉆柱向上,鉆柱軸向壓力增加很慢。而使用井底動力鉆具鉆進時,鉆柱無周向運動,所以,鉆柱軸向摩擦阻力較大.由此引出下列兩個后果:
       ①鉆進時,相同位置(除鉆頭外),轉盤鉆的鉆柱軸向力較井底動力鉆具鉆的大,
       ②鉆進時,轉盤鉆的鉆柱受壓段較井底動力鉆具鉆的短。
       (2)使用轉盤鉆進時,鉆柱受井壁的摩擦扭矩與鉆頭受井底的扭矩方向相同,因此,沿鉆柱向上,鉆柱扭矩逐漸增加;使用井底動力鉆具鉆進時,動力鉆具定子所受的泥漿的扭矩與鉆柱受井壁的靜摩擦扭矩方向相反,因此,沿鉆柱向上,鉆柱扭矩逐漸減小。起鉆時,彎曲井段中鉆柱相當應力較大,其原因是:
       ①起鉆時,鉆柱軸向力較大,由式,彎曲井段中鉆柱的彎曲應力與軸向力成正比;
       ②起鉆時,鉆柱不受扭矩作用,所以,彎曲井段中鉆柱的彎曲應力在相當應力中所占比重較大;
       (1)在相同的井身結構、鉆柱結構、鉆壓和鉆頭扭矩條件下,與井底動力鉆具相比,采用轉盤鉆進時,鉆柱受壓段短。但井口處鉆柱軸力、扭矩和相當應力較大。
       (2)起鉆時,彎曲井段中鉆柱的相當應力較大。


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