复合钻具组合力学分析Word文件下载.docx

1、1实验11 目的。用实验方法测定LZ165-1型螺杆钻具的等效抗弯刚度和等效截面轴惯性矩。2 原理。根据材料力学，图3-6 c所示简支梁的受力与变形等于a、b两图的叠 加。（b）所以只要能测出 廿即可求出EJ和Id。为简便起见，设等效钻铤材料为钢,E=2.1 106kgf/cm2 =2.058 105MPa。3实验方法与步骤见图3-7图3-7动力钻具等效抗弯刚度测定的实验方法1把螺杆钻具加提升短节（代替钻头）后水平放置在固定液平台上的两个 台钳上，加紧以消除钳口机构存在的间隙；2把5个百分表放于图中位置，记下表的读数 fj0（j =1 5）；3在螺杆钻具（包括提升短节）的中点系钢丝绳，连弹簧拉

2、力计并和天车吊钩相连，启动提升机构，产生向上的拉力 P，记下百分表读数 柿；4由百分表读数计算（寸办和（Id）ji1 i （ld）j （Id）jii i1 jId （ld）jJ i例如在实验中，梁跨中点的百分表的测量数据如表 3-1所示。其.：f -P的关系曲线如图3-8,可见二者存在较好的线性关系。0 lu 皿& 別 （ r 9,?-N图3-8实验1的Af - P曲线i123456789R ,kgf50100150200250300350400450Af3i ,10 cm5194157201275336380427479由表3-1中数据可求出ld3 ： 2258cm4对5个百分表的测量数据进

3、行计算，求出的总体等效截面轴惯性矩 Id值与此相近。总体等效抗弯刚度Eld =4.7418 109kgf cm2 =4.647 1010Ncm22实验21 目 的。用实验方法确定LZ165-I型螺杆钻具钻头侧向力与钻头侧向位移间的关系，以消除传动轴扶正轴承橡胶大变形对动力对动力钻具刚度的影响， 找出传动轴外壳参与钻具整体变形的侧向力临界值，为动力钻具的力学计算提供依据。传动轴总成局部的受力简图如图3-9所示。钻头侧向位移和侧向力之间的关 系曲线应该由两局部组成：第一局部为曲线非线性关系；第二局部为直线线 性关系，线性关系的起始点所对应的侧向力即为所求的临界值。3 实验方法与步骤。把螺杆钻具加提

4、升短节代替钻头放置在钻具拆装架上如图 3-10，并加紧以消除钳口机构存在的间隙；把百分表放置在图示位置并调零；3用天车和弹簧拉力计产生拉力P，并记下相应的百分表读数 f j ； 重复上述加载过程。图3-9动力钻具侧向临界值的测定原理图3-10动力钻具侧向力临界值的测定实验方法表3-2列出了有关的实验数据记录，作 f -P曲线如图3-11所示，可以看出A点对应的侧向力值即为临界侧向力 FC，FC 50kgf 490N。当P50kgf时,测点位移与力显示了良好的线性关系。表3-2 LZ165-I型螺杆钻具钻头侧向力临界值测定实验数据记录1011121314151617Pi,kgf257512517

5、5225500550-3 fi,10 cm107154184214249286318340375415447477544608673740808图3-11实验2的.f - P曲线（弓7=二=14数据分析。应该指出，实验2中的钻具是呈水平放置在拆装架上， 在加载过程中，拉力P中的一局部用以客服传动轴自重的影响。钻具放置的位置不同，所测出的临界 侧向力值也将不同。当钻具水平放置时，所测出的 Pc值最大，R hx = 50kgf ；当钻具铅垂放置时传动轴自重对 Pc的影响将不存在所测出的 P值最小。根据螺杆钻具的结构情况，此时 巳斷=25kgf。螺杆钻具在井下进行造斜和扭方位作业时， 将处于不同的井

6、斜角条件下，因 此可取Pc = 25 50 kgf考虑到大多数工况中井斜角较小，所以，一般认为 巳略大于25kgf。实验表明，只要施加给钻头的侧向力大于临界值 Pc，钻头的位移、钻具的挠度和钻头侧向力间即具有良好的线性关系，而在实际钻进过程中，钻头上的侧向力远大于PC这一事实说明把井下动力钻具简化为等效钻铤这一方法是合理的， 其结果对工程计算具有足够的精确性。3.根本假设和力学模型在用纵横弯曲法分析弯接头-井下动力钻具组合的受力与变形时，采用如下 的根本假设：1 弯接头以下的动力钻具组合被简化为等效钻铤均匀、连续的等圆环 截面梁柱。2 钻具组合在变形前后，其弯接头弯角 顶点处的两条切线保持不变

7、。3 井壁呈刚性，且弯接头肘点与井壁为点接触。4 钻头中心在井眼中心线上，且井眼轨道为等截面圆柱体。5 钻压为常量，其方向沿钻头处井身中心线的切线。6 不考虑钻头动载、转动和钻具振动等动态因素的影响。7 不考虑地层力和地层力偶的作用。以上的7条根本假设，除1、 2两条外，其余均为用纵横弯曲法在分析 转盘钻井底钻具组合时所采用的常规假设，也是其他几种分析方法所共同遵循 的。弯接头-井下动力钻具组合受力与变形的力学模型如图 3-12所示。图中为二维井身，自上切点T往下的弯接头-井下动力钻具组合被简化为双跨纵横弯曲连续梁oBT，Pa为井壁作用于钻头的侧向反力图3-12用纵横弯曲法分析弯接头 -井下动

8、力钻具组合的力学模型4.弯接头弯角的处理方法为了采用纵横弯曲法，应对弯接头结构弯角丫顶点的连续条件和上边界条件 进行相应处理。本书提出如下两种等效的处理方法。1方法一如图3-13,把连续梁柱oBT从弯接头肘点B处断开，附加内弯矩M!，那么B 点处的连续条件为上边界条件切点处截面转角为T = -2 = K J L2其中m2 二ei2k式中 K井身曲率，K=二；M2 上切点处内弯矩；Ii 第一跨梁柱即等效钻铤的截面轴惯性矩即 Id，以下皆同；y。 钻头中心的纵坐标，一般取y=0 ；y弯点的纵坐标；y2 上切点的纵坐标。显然，方法一的特点是在计算詁时考虑了 角的影响并加以补偿，只有这样，连续条件 于

9、-乜才成立。2方法二现提出如下命题：假设I为连续梁包括曲梁和直梁上任一点，在该点两侧邻域内分别取截面，设微段左、右两跨段梁的端面转角增量为和厶才1，那么I点处的连续条件可表达为图3-14连续梁的连续条件的处理方法此命题是方法二的理论依据。在图 3-15中分别用虚线和变形表示弯接M2L2头-井下动力钻具组合在变形前的位置oBT和变形及发生刚体位移后的 位置oBT。梁Li、L2在B点和T点处的支座位移设为Hi和 出，那么弯接头肘 点B处的连续条件和上边界条件上切点 T处的截面转角为连续条件IR - _.罔上边界条件 12 = K（ L+L2）而V： - V： - . 2Jj_. R KL1 斗2

10、0 2式中 叮0变形前第二跨梁右端截面法线与坐标 x轴正向的夹角;分别表示第一跨梁右端截面、第二跨梁左、右端截面在发生变形及刚体位移后的转角增量。丄q 业丫 u1 一也24EIi 3EIi LiL2吐丫 U2 Mlkz U2 H2-Hl3EI2 6EI2）+2两种处理方法的等效关系从理论上可以证明上述两种处理方法是等效的。以图 3-13和图3-15所示的二维井身情况为例，当采用方法一时，可得三弯矩方程组为 2Mu1+普丫氏+MI1L22 HLzu-xui -Hxu2-6EI4L1I 2SiL1（3-34）q2X u2 L2 4 2M2Y u2 M1Z u2 L； =24EI2 ：（3-35）式

11、中，:卄上一里吐L1 L2-12L2 Ll L2 -y2 yi_1（Do _Dsi ）22L1 L2 1“ -q D-Dc2当采用方法二时，可得三弯矩方程组为r2M1 丫仲1+匹Yg ）|讪2 冲 Z（ ）=呼X（uj 字也I丄 42I2L121（3-36）.q2X （u2 ）L： +4 2M2Y（u2 广皿忆口）l2 =24EI2也22（3-37）22,1旦3Li L2L2 Li以2出-已722?Hi # Do-DsiH2 二 L22P丿+尹0讥y Li * L2比照方程式3-34和式3-36、方程式3-35和式3-37,当且仅当成立，即可保证两种处理方法等效。 因-0又因22 也21-HL

12、J -九2+2J _ J? + %、2P0，表示造斜；Fa 0，表示降斜；Fa =0，表示稳 斜当然，此处未考虑地层力的作用，仅是指钻具力的作用效果 。图3-16钻头处井壁侧向反力 巳的求解3.3弯接头上方加配稳定器的井下动力钻具组合的受力与变形分析为了造斜时稳方位的需要，有时在弯接头上方的适当位置加装一个或几个稳 定器。以下以二维井身为例，对这类钻具组合进行受力与形变分析 如图4-40为不失一般性，设稳定器数目为 m 图中m=2。连续条件和上边界条件m 1七2亠Li图4-4O弯接头上方加配稳定器的弯接头 支座坐标-井下动力钻具组合的纵横弯曲解法、2Lj-e.（i=1,2, ,m+2）当无井径

13、扩大时,上边界弯矩m+2yo = eo = 2 Do - Db2亍uiDo = DBM T - M m+2Mo L z6E詈X U2寻M1 L2m2l2EI m 2P4怙YW严。3 EI iL=24Ebu2瓮z孟“q m 2Lm 2 M m 2 Lm 2 M m 1 Lm 2 ym 2 y m 1X Um 2 丫 Um 2 Z Um 2 .24EIm 2 4EIm 2 6EIm 2 2三弯矩方程组MZ（Ui ）+2Mi YW ）十冲丫（叮）Li I i iqiLi qi 1Li 1li 6EI i -VX Ui -7LX Ui1 LMii L Z Ui 1Lili i（i=1,2, ,m+1）

14、qm 2X Um 2 L. 2 4 |_M mZ U m + S2 M m Y 监亠 i 2md2= 24Elm七 KLm半 Lj ym_e + ym+l力- yLiy -yjyj i - yjq=W（sin %_k帀丿（j=2,3, ,m+1）q2 =W sinLi鸟P _2PjR =Pb WLcos % 丄2 i 2P 丿三、钻头侧向反力四、钻头倾角关于一维井身条件下带稳定器的弯接头-井下动力钻具组合的计算公式，可视 为上述二维分析的特例K=0从而由上述相应公式导出；参考前几节所述的三 维分析方法，也很容易写出这种钻具组合的三维分析公式。3.4导向螺杆钻具开转盘条件下的受力分析在井下动力钻

15、具组合运转的同时又开动转盘，钻柱带动井下动力钻具的外壳 旋转，这种方式成为导向钻进方式。在导向钻进方式下，动力钻具以及钻柱组合 存在着一些和定向方式以及单纯的转盘钻进方式所不同的运动学和动力学性质。 以弯壳体导向动力钻具组合为例，如图3-101所示，弯角使钻头底面中心偏离钻 具马达中心，其偏距以Sboff set表示；由于钻具本体外壳在转盘下带动旋转， 将使井眼产生扩眼现象。考虑到钻具强度和扩眼量的限制，都要求弯壳体的结构 弯角 不能过大，一般 岂1 ,而且转盘转速通常在65r/min以下。3.4.1导向钻进时的运动学分析1 钻头的绝对转速在导向钻进时，钻具本身因工作排量使钻头产生转速 n1，

16、同时转盘又使钻具产生转速 珏。根据运动学关系，前者是钻头的相对运动，其角速度为 “叫；后者是钻头的牵连运动，其角速度为Jn%0。钻头的 绝对角速度或称合成角速度-应是牵连角速度2与相对角速度.1的叠加， 如图3-102所示，有；-：门，2 3-271绝对角速度位于和之间，与钻具本体轴线的夹角为 11：。图3-102所示的是钻具位于所示位置的绝对角速度。 当钻具以2旋转时，绝对角 速度的方向在变化，画出了以钻具本体轴线为轴，以1为半锥角的圆锥面，其大 小为: 2 2 2cos 3-272显然，钻头的合成转速n为n = , n； n； 2n.|n2 cos 3-273由于导向钻具的结构角Y 1=，

17、cosY，那么式3-272、式3-273可近 似简化为2 3-274下面通过实例来分析式3-274和式3-275的误差。取结构弯角 =1 ,m =200r/min，n2 =60r/min，按式3-273求出 n = 259.9718828r /min，和 式3-275所求结果n =260r/min相比拟，其相对误差仅为1.08X 10-4，可见精 度很高。因此在实际应用中可以认为钻头的绝对速度即为钻具转速与转盘转速之 和。对直动力钻具应用于导向钻进方式时，因襌=0，那么式3-175精确成立而2.钻头上点的速度分析如图3-103,现以钻头上A点为例，来分析A点的速度。图中o为螺杆马达定子中心；忽

18、略钻头底面与螺杆钻具横截面的夹角 丫 不计，0 为钻头底面中心，圆O、圆0 分别表示钻具本体和钻头的投影。 00,即 为钻头偏距。过O点取定坐标系，过0 取动坐标系。根据运动学，那么A点的绝对 速度v绝等于牵连速度v牵与相对速度v相的矢量和：V绝=V牵-v相v牵=OA 2 = H r2 2 = v2出目二 a ： ； 1 二 Vi故v 绝=比 v2二 心亠r2 2图3-103钻头上点的速度分析如下图，由几何关系可求出v绝=&? Sb J 2RbSb cos 1 3-276気二 Lb 3-277式中 rb 钻头半径；Sb 钻头偏距；Lb钻头底面至弯壳体弯点的距离；1钻头因钻井液排量形成的角速度；

19、2转盘转动角速度；钻头的合成角速度，八1匕。由式3-276可知，钻头上任意一点的绝对速度v绝是时间t的函数，v绝的 最大值为研究钻头上的点在导向方式下的最大绝对速度的变化规律， 对分析钻头上的 点的加速度、受力与磨损情况和优化钻头设计，具有重要的参考价值。绝对速度 最大发生在A点位于偏距oo勺勺延长线上且0人=+2的情况下图3-103。当二即钻头每自转一周，这种情况发生一次。由于 A点位于距o点最远的由此可得出钻头上某点进行切削的周期 T为外廓，那么必然处于切削状态（3-279）其中k=0,1,2,，竝3导向钻进的扩眼问题由于弯角造成的钻头偏距 Sb，导致导向钻进时井眼扩大。现从理论上分析 扩

20、眼井径的尺寸范围。如图3-104,设导向钻具弯点以上的局部在井眼内居中 由稳定器扶正，当钻柱旋转时，假设不考虑弯点以下的弹性形变，即假设钻头上侧向切削力为零，并 忽略其他动态因素的影响，那么钻头中心轨迹是一个半径为 Sb的圆。设钻头半径为Rb，那么形成的井眼为扩眼最大尺寸，即D0 max=2 RB SB = DB 2SB 3-280这是导向钻进时井眼扩大的一种极限情况另一种极限情况是钻头完全被钻具的变形约束在井底进行定轴转动切削， 此时无井径扩大如图3-105，即D。爲=Db。造成这种情况的条件是：岩石过硬难以切削；钻具弯曲刚度小从而钻头侧向力甚小； 转速低且平稳无动载。但实 际上这种情况是很少发生的。图3-105导向钻进时的钻头侧向力分布示意图综上所述，导向钻进时井眼扩大的直径范围为（3-281）由于受多种因素的影响，实际井眼尺寸可以是上述范围内的某一值。 以下给出一个实例。塞平1井70电测资料说明，在斜深14501500m,井段井径为292mm。该段采用?172mm单弯螺杆导向钻进，有关参数为：咐-1，LB=2227mm。PDC 钻头直径为？216mm