气体钻井中钻柱瞬态动力学分析

２ 计算结果分析
行统计 ，如表 ｌ 示。 所 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 节点１ ６ 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
（ 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图６ 一 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 ； 点２ 节 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。
图１空气 钻井示意图
１０￣网格 。以地面井 口为坐标 原点 ，钻柱方 向为ｚ ０ｏ 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。 （ ）荷载工况 。在本 次瞬态动力学 计算 中 ，共分三个 载荷步 ， ３ 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 （ ９ ｍ ｓ），， ｇ＝ ． ／ Ｓ 约束条件为 ：钻柱 Ｅ 自由度全 约束 ， 端 下端约束ｙ 以外的所有束 。第二个 载 轴 荷步 为加载转速 （ ２ ） ｍ． 和扭矩 （ 上 端为３ ０ Ｎ ｍ，下端为一 ０ ０ ／ ００ ／ ３ ０ Ｎ ｍ）， 约束条件为 ：限制钻柱 Ｅ 向平移 自 端ｙ 力 ，约束条件为 ：限制上端ｙ］ Ｐ运动 。
考查钻柱 的变 形情况 。分 别取时问ｃ３ ．、４，观 察钻柱 的横 ＝ 、３ ＝ ５ ｓ 向和纵向位移。如 图３ａｆ （—） 。 所示
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
【 陈志学 ． １ 】 气体钻 井工艺技 术 理论 及应 用研 究ｐ】 南石 油大学 学士 ． 西
２０ （ ：— ０ ８１ ５ ８ ） —
ｆ】 刘永 刚 ，等 ． ７ 气体钻 井过 程 中的钻 具 失效 研 究珊． 油矿 场机械 ， 石
２ ０ （） ９ ５ ０ ８２： — ２ ４
（ 廖 忠会 ，等 ． 体 钻 井 断钻 铤 事 故 的原 因 分析 及 预 防嘲． 泉 工 ８ ｌ 气 钻
从图３ 可以看 出：（ 占 柱越靠近下 端 ， 容易发生弯 曲变形 ，且变形越剧 越 烈 ； 在不 同时刻 ，钻柱变形也大不相 ②
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。
论 文 ． ２ ０ ． ０ ６４
【 张 晓 东 ，等 ． 钻 石
２０ （ ： —８ ０ ８６ ７ ７ ）５
（ ａ）３时 钻 柱横 向 位 移 ｓ （ ｂ）３ 钻 柱 纵 住 移 ｓ 时 向
ｆ 赵业 荣气 体 钻 井理论 与 实践 ｆ ． ３ ］ Ｍ】 北京 ：石 油 ｓ＿ 出版社 ，２０ －ｌ ， ｌ ： ０７ ［ 邹海 洋，等． ４ 】 气体 钻 井 钻 柱 失 效 机 理 分 析 口 石 油钻 探 技 术 ， １
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 ５ ＝ ３ ．、 ２ ３ 、３ ５ ｓ ． ． 、４ 时下部钻柱与井 壁的接触进 ５ ７
；
： “ ｔ 《 －
圈４节点２ 向位移 横
‘
・
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：
¨
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。
３ 结论
图 下端加我的轴向力 ２
（） １ 钻柱越靠近 下端 ，越容 易发生弯 曲变 形 ，且变形越剧烈 ；
越随机。
且 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 在不同时刻 ，钻柱 变形也大 不相 同 ， 随时间增加钻柱下部变形状 态
（ ） ２ 钻柱与井壁接 触发生在钻柱 下端 ；接触 处的作用力较大 ，
艺 。２ ０ （） — ０ ７６： ８ ６
作 者简 介
（ ）４ 时钻 柱 横 向 的位 移 ｅ ｓ （ ）４时 钻 柱 纵 向位 移 ｆ ｓ 图３ 各 时刻 钻 柱 横 向及 纵 向 位 移
生 。主要从 事石 油 井下工 具研 究。
胡坤 （１８ －），西南石 油大 学机电工程 学院在读研 究 ９３ （ 收稿 日期 ：２ １－ ４ ２ ００ ０－ ３）
（ ） 立计算模型 。钻柱采用ｐ ｅ ６ ２ 建 ｉ ｌ ｐ 单元 。钻柱长度 １０米 ，弹性模量２０ Ｐ ００ １Ｇ ａ 泊松比０ ，密度７ ０ ｋ ／ 。 ． ３ ８ ０ ｇ ，外径Ｏ１ ７ ｍ ． ｍ， ２ 厚 度０ ０ １ｍ。设置单元间距为ｌ ． ９９ ０ ，产生
图５节点２ 向的位移 纵
１ 南 枉科 技 ２ １ １ ０
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
（ 西南石油大学 ② 中原油 田天然气处理 厂 ） ①
摘 要 根据空 气钻 井中钻柱 实际工作状 态，在Ａ Ｙ 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 ＮＳ Ｓ 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 ， 影响钻井作 还
２ ０ （）５ — ８ ０ ８３：５ ５
（】 袁鹏斌，等． ５ 空气钻 井过程 中钻杆断裂原 因分析Ｕ． 油钻采工 １ 石
艺 ．２ ０ （ ： — ６ ０ ８５ ３ ３ ）４
［Ｊ 祝 效华 ，等． ６ 气体钻 井钻具 断裂机 理分 析Ｕ． ］ 石油矿场机械 ，
（ ） ． 时钻柱横 向位移 ｃ ３ｓ ５ （ ） ． 时钻柱纵向位移 ｄ ３５ ｓ
１ 计算模型
同 ， 随时 问增加钻柱下部变形越无规 且
律。 ，
・
在 时间历程处理器中 ，观察节点２
：
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。
（ ） 本假设。为建模及计算方便 ， １基
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