仁智石化科技有限責(zé)任公司 周正明

斜直井鉆進(jìn)過程中，鉆柱受力情況復(fù)雜。在一定條件下，當(dāng)鉆柱的工作載荷大于鉆柱非線性屈曲臨界載荷時(shí)，鉆柱將發(fā)生非線性螺旋屈曲。而后鉆柱在井口轉(zhuǎn)盤的帶動(dòng)下繞其自身軸線旋轉(zhuǎn)（自轉(zhuǎn)）的同時(shí)，還繞井眼軸線公轉(zhuǎn)，產(chǎn)生渦動(dòng)。斜直井中鉆柱的非線性屈曲會(huì)造成鉆進(jìn)摩阻增大，鉆壓傳遞困難并使渦動(dòng)效應(yīng)提高，進(jìn)而導(dǎo)致鉆柱的疲勞失效。本文，筆者建立了渦動(dòng)條件下斜直井中鉆柱的非線性屈曲模型，使用有限元法對(duì)渦動(dòng)條件下鉆柱的非線性屈曲臨界載荷及渦動(dòng)效應(yīng)進(jìn)行了分析，以期對(duì)同行有所參考。

一、鉆柱模型建立

在斜直井中以渦動(dòng)段鉆柱為研究對(duì)象建立相應(yīng)的鉆柱模型，如圖1所示。

圖1 鉆柱模型

假設(shè)鉆柱以ωp公轉(zhuǎn)（渦動(dòng)），在其非線性屈曲段取微元體為研究對(duì)象，其離心力為

渦動(dòng)條件下斜直井中鉆柱的最大彎曲撓度計(jì)算公式為

二、渦動(dòng)效應(yīng)下斜直井鉆柱屈曲有限元平衡方程

渦動(dòng)效應(yīng)下斜直井整體鉆柱有限元平衡方程為

鉆柱初始時(shí)刻接觸力向量與擾動(dòng)力向量為0，引入初始時(shí)刻鉆頭處邊界條件USL，且由底部鉆頭處邊界條件ΔUL＝0 與UL＝USL可得：

三、算例分析

假設(shè)渦動(dòng)條件下斜直井中鉆柱只有鉆頭與井壁相接觸，而鉆柱本體與井壁不接觸。鉆柱外徑為125.725 mm，內(nèi)徑為112 mm，彈性模量為210 GPa；鉆柱接頭直徑為178 mm，鉆柱長10 m，井眼直徑311 mm。則轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為100 r/min 時(shí)，鉆柱非線性屈曲分析結(jié)果見表1，鉆柱受力分析如圖2所示。

表1 鉆柱非線性屈曲分析結(jié)果

圖2 鉆柱受力分析

四、結(jié)論

本文，筆者針對(duì)斜直井中鉆柱在渦動(dòng)條件下工作載荷超過一定臨界值時(shí)，鉆柱發(fā)生非線性屈曲失穩(wěn)的問題，建立了渦動(dòng)條件下鉆柱非線性屈曲平衡方程，并使用有限元分析法分析了斜直井中軸向力、渦動(dòng)效應(yīng)對(duì)鉆柱屈曲臨界載荷、撓度、非線性屈曲應(yīng)力的影響。分析結(jié)果如下。

（1）斜直井中鉆柱隨鉆壓與渦動(dòng)效應(yīng)的增加會(huì)降低鉆桿的非線屈曲臨界載荷。

（2）當(dāng)鉆柱軸向力大于200 kN 時(shí)，渦動(dòng)效應(yīng)引起的交變應(yīng)力對(duì)鉆柱的影響可以忽略。

（3）為了提高鉆柱系統(tǒng)的抗疲勞能力，可適當(dāng)?shù)脑黾鱼@鋌的長度。