張玉

摘要：靜態(tài)偏置鉆頭推靠式旋轉導向鉆井系統(tǒng)的長驅動軸，在現(xiàn)狀應用過程中起到傳遞鉆壓和驅動扭矩的作用，受力條件非常惡劣，對強度要求極其苛刻。本文通過計算機數(shù)值仿真的形式，模擬了長驅動軸靜態(tài)受力的情況，根據(jù)模擬結果，對長驅動軸材質性能提出了基本要求，對鉆井參數(shù)提出指導性建議。

關鍵詞：旋轉導向，驅動軸，應力，仿真

中圖分類號：TE242.9 文獻標識碼：A

引言

靜態(tài)偏置鉆頭推靠式旋轉導向鉆井系統(tǒng)通常具有一個基本不旋轉的外套和一個傳遞鉆壓和扭矩的長驅動軸。在現(xiàn)狀應用過程中長驅動軸，起到傳遞鉆壓和驅動扭矩的作用，受力條件非常惡劣，對強度要求極其苛刻。

1 計算機數(shù)值建模

1.1 本構模型

三向應力狀態(tài)下，六個應力分量和六個應變分量。由能量守恒原理，各應力分量的合力只在其對應的應變分量所引起的變形位移上做功。

總的應變能為各應力分量對應的應變能之和，即：

滿足上式的彈性材料稱為超彈性材料。特點：在任意加載-卸載循環(huán)下，材料不發(fā)生能量耗散。

1.2網格劃分

二階實體四面體單元模擬了二階（拋物線）位移場以及相應的一階應力場。二階位移場命名了該單元的名稱：二階單元。每個二階四面體單元有十個節(jié)點（4個角點和6個節(jié)點），并且每個節(jié)點有3個自由度。當單元因加載而變形時，如果單元需要模擬曲線形幾何模型，則二階單元的邊和面就可以是曲線形形狀。二階四面體單元具有較好的繪圖能力和模擬二階位移場能力。

材料1，屈服強度1083Mpa，抗拉強度1158Mpa，彈性模量206GPa，切變模量79.38GPa，泊松比0.30。

材料2，屈服強度897Mpa，抗拉強度965Mpa，彈性模量204GPa，切變模量78.8GPa，泊松比0.28。

2 靜態(tài)仿真與分析

利用仿真模擬軟件，對兩種材料進行仿真模擬。

材料1：

1）根據(jù)工具在井下工作時最大扭矩不超過30KN.m，對材料1進行靜壓力仿真模擬。結果如下圖：

根據(jù)仿真結果分析，鉆壓10-20T范圍內，可承受最大扭矩30000Nm，局部最大應力保持在安全范圍內。

2）保持扭矩30KN.m不變，進行拉力仿真模擬。經過模擬分析可知，扭矩30KN.m情況下，材料1最大抗拉150T。

3）在不施加扭矩的情況下，進行純拉力模擬。經過模擬分析可知，材料1在220T純拉力時達到屈服極限，建議最大拉力不應超過200T。

材料2：

1）根據(jù)工具在井下工作時最大扭矩不超過30KN.m，對材料2進行壓力仿真模擬。經過模擬研究顯示，由于材料的不同屈服應力發(fā)生變化，30KN.m的情況下，20T鉆壓為滿負荷運行，建議鉆壓不高于12T。

2）根據(jù)工具在井下工作時最大扭矩不超過30KN.m，對材料2進行拉力仿真模擬。經過模擬研究顯示，30KN.m條件下，上提拉力60T接近屈服極限，建議不要超過50T。

3）在不施加扭矩的情況下，進行純拉力模擬。經過模擬研究顯示，180T純拉力時達到屈服極限，建議最大拉力不應超過140T。

3現(xiàn)場應用

旋導工具從2495m入井，一趟鉆鉆至3352m完鉆，完鉆井斜28.58，方位30.4，閉合距591.39，閉合方位32.78，總進尺857m，總循環(huán)時間141h。鉆具組合：215.9鉆頭+旋轉導向工具+單向閥+鉆桿，排量32L/s，泵壓14MPa，轉盤轉速80rpm，鉆壓4-6t，泥漿性能：密度1.20g/cm3，粘度44s，最大扭矩18KNM，完井后鉆井工具起出井口，經檢查旋轉導向工具功能完好，結構完整性完好。平均機械鉆速為每小時7.32米，較使用常規(guī)鉆具的上口井，鉆速提高26.37%。

4結論與建議

驅動軸的受力薄弱點為下部螺紋根部，加強倒角的處理，避免應力集中，與鉆壓相比，扭矩對增大最大應力具有更顯著的貢獻，經過仿真模擬可以得知鉆壓在0-20T內，扭矩在30KN.M內變化時，1號材料是具有較高的安全系數(shù)。2號材料在有限控制鉆壓和扭矩的條件下可以滿足鉆井施工要求，鑒于材料2的經濟性，可以在井深比較淺的東部油田應用。

在事故處理中，需要上提和扭轉鉆具時1號材料比2號材料有更大的優(yōu)勢，能夠提供更大的安全系數(shù)和可操作范圍。

在條件允許的情況下逐步優(yōu)化結構，改善受力狀態(tài)，開展用2號材料替換1號材料的全面試驗，最終達到經濟性的條件。

參考文獻：

[1] 唐雪平，蘇義腦，葛云華. 旋轉導向鉆具組合力學分析. 力學與實踐，2013，35（1）.

[2] 張光偉. 基于3D參數(shù)化技術的旋轉導向鉆具虛擬設計[J]. 石油機械，2004，（9）：16-18.

（作者單位：中石化勝利石油工程有限公司隨鉆測控技術中心）