[發明專利]一種帶有彎角的底部鉆具組合的力學分析方法

有效

• 申請號: 202010318966.5
• 申請日: 2020-04-21
• 公開（公告）號: CN111460684B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發明（設計）人: 夏成宇;黃壯;范宇;吳鵬程;王旭東;錢利勤;黃劍
• 申請（專利權）人: 長江大學;山東威瑪裝備科技股份有限公司
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/17;G06F119/14
• 代理公司: 荊州市亞德專利事務所(普通合伙) 42216
• 代理人: 喬士鋮

本發明涉及一種帶有彎角的底部鉆具組合的力學分析方法，屬油氣鉆井工具技術領域。該發明在對帶有彎角的底部鉆具組合建模時針對底部鉆具組合帶有彎角的問題提出了一種可以精確處理螺桿彎角的方法，可以解決現階段因底部鉆具組合帶有彎角或多彎角而導致力學計算不準確問題。2、本發明基于微元法和連續梁理論建立的帶有彎角的底部鉆具組合整體力學模型并應用MATLAB軟件編程計算的方法，能夠快速求解出帶有彎角的底部鉆具組合的變形方程，得到相應的變形圖、轉角圖、彎矩圖和剪力圖。

技術領域

本發明涉及一種帶有彎角的底部鉆具組合的力學分析方法，屬油氣鉆井工具技術領域。

背景技術

底部鉆具組合通常由鉆頭、螺桿、穩定器，鉆桿、鉆鋌和一些特殊接頭組成。其中，常見的帶有彎角的底部鉆具組合有兩種形式，一種是結構彎角在螺桿鉆具本體上的彎殼體鉆具，一種是在螺桿鉆具本體上配彎接頭構成的彎殼體鉆具。前者由于彎角在螺桿殼體上因此易于加工和維修，后者靈活性則更強。帶有彎角的底部鉆具組合常用于水平井段的定向作業，因此需要在水平井段下對帶有彎角的底部鉆具組合進行力學分析。

在井下，底部鉆具組合在鉆壓和自重等的作用下發生變形，鉆頭和穩定器與井壁之間相互接觸，其接觸關系可當作簡單支座。一般情況下，底部鉆具組合的上部因重力作用會在某一點和下井壁相接觸并與下井壁相切，形成上切點，上切點位于井眼底邊。根據井下鉆具組合的受力情況，可將鉆頭至上切點間的鉆具組合簡化為梁柱進行分析。帶有彎角的底部鉆具組合由于結構彎角的存在,肘點附近的部分,其質量中心偏離軸線,螺桿旋轉時會產生離心慣性力，從而改變鉆頭處受力狀況，增大其防斜糾斜的效果，有利于控制井斜。不同大小的彎角會產生不同的離心慣性力，因此控制井斜的效果也不相同。在鉆具組合連續鉆進過程中，為滿足井眼軌跡控制要求，需要對帶有彎角的底部鉆具組合進行力學分析，其中對于彎角的分析必不可少。

目前對帶有彎角的底部鉆具組合進行力學分析時通常將彎角簡化處理為連續梁。如：衛增杰等人采用縱橫彎曲法建立了雙彎螺桿鉆具組合的受力與變形分析模型；潘仁杰等人根據有限元法和虛功原理建立了螺桿鉆具組合控制井斜力學模型；游云龍等人根據縱橫彎曲梁理論建立了“單彎雙穩”鉆具鉆頭側向力模型；肖云峰等人采用有限元分析方法建立了單彎螺桿鉆具組合下部結構的力學模型。

在對帶有彎角的底部鉆具組合進行力學分析時，采用簡化處理帶有彎角的梁柱組合結構甚至是帶有多彎角的復雜梁柱組合結構，勢必會造成計算不準確，甚至會導致鉆具組合偏離井眼軌跡控制而造成嚴重損失。因此，如何精確處理彎角尤為重要。

發明內容

本發明的目的在于，提供一種帶有彎角的底部鉆具組合的力學分析方法，可以精確處理螺桿彎角，解決現階段對帶有彎角甚至是帶有多彎角的底部鉆具組合進行力學分析時產生的計算不準確問題。

本發明是通過如下的技術方案來實現上述目的的：

一種帶有彎角的底部鉆具組合的力學分析方法，它包括如下步驟：

1、對帶有彎角的底部鉆具組合進行簡化處理：

對帶有彎角的底部鉆具組合作如下假設：帶有彎角的底部鉆具組合之間的變形是彈性小變形；鉆壓作用于鉆頭中心，鉆頭中心位于井眼軸線上；井璧視為剛性體，井眼直徑為鉆頭外徑且無井眼尺寸的變化；穩定器與井璧之間為點接觸；

2、帶有彎角的底部鉆具組合微元體力學分析：