基于ansys的鉆柱碰撞安全性分析

基于ansys的鉆柱碰撞安全性分析

在鉆井過程中，鉆頭（尤其是牙輪鉆頭）的牙齒交替地接觸不均勻的井底，導(dǎo)致垂直交變強度。這種交變應(yīng)力使鉆柱的縱向振動、橫向振動、扭轉(zhuǎn)振動之間相互耦合,形成一種非線性的、復(fù)雜的且不斷變化的振動。鉆柱振動將降低鉆頭的壽命和機械鉆速,增加鉆柱的疲勞失效和偏磨,加劇套管磨損,降低鉆井設(shè)備的安全性及井眼的穩(wěn)定性,增加鉆井成本。利用大型有限元軟件的瞬態(tài)動力學(xué)分析功能,可以確定承受任意隨時間變化載荷的結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng),ANSYS軟件中的完全法進行瞬態(tài)分析更是功能強大,允許施加各種類型的載荷,允許各種非線性特性(塑性、大變形、大應(yīng)變等)。為此,通過ANSYS軟件對新疆焉耆盆地城2井采用的部分下部鉆具組合進行非線性瞬態(tài)動力學(xué)分析。一、鉆柱的運動特征根據(jù)鉆柱的實際工作情況,建立鉆柱的動力學(xué)模型。由于在ANSYS有限元軟件中,過于細(xì)長桿的非線性問題分析容易造成求解過程不收斂,得不到計算結(jié)果,況且,鉆柱上部主要承受拉應(yīng)力的作用,出現(xiàn)異常失效的情況很少,因此,我們只研究下部鉆具組合的動力學(xué)特性,把握住鉆柱的主要運動特征,通過對鉆柱邊界條件的合理設(shè)置使其能真實反應(yīng)鉆柱受力振動的情況。并做如下簡化和假設(shè):(1)鉆柱為均質(zhì)彈性直桿;(2)考慮下部鉆柱在鉆壓作用下發(fā)生屈曲而與井壁的接觸;(3)考慮鉆柱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向心力對變形的影響。(4)沒有考慮內(nèi)外鉆井液流動過程中對鉆柱動力學(xué)產(chǎn)生的擾動影響。二、模態(tài)疊加法和縮減法瞬態(tài)動力學(xué)可采用完全法、縮減法和模態(tài)疊加法進行求解。完全法采用完整的系統(tǒng)矩陣計算瞬態(tài)響應(yīng),在三種方法中功能最為強大,允許各類非線性(塑性、大變形、大應(yīng)變等)。完全法有如下優(yōu)點:允許存在各種非線性;允許施加所有類型的載荷;可在實體模型上直接加載;使用了完全矩陣,因此沒有質(zhì)量矩陣的近似,求解精度高。模態(tài)疊加法通過對模態(tài)分析得到的振型(特征值)乘以因子并求和來計算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。整個瞬態(tài)分析過程中時間步長必須保持恒定,不允許使用自動時間步長,位移允許使用的非線性是簡單的點點接觸(有間隙情形)?？s減法通過采用主自由度及縮減矩陣壓縮問題規(guī)模,先計算出主自由度處的位移,然后將解進行擴展。它的優(yōu)點和缺點很突出,優(yōu)點是計算時間短,能夠大幅度節(jié)省時間和計算機資源;缺點是計算精度受限制。由于鉆柱在復(fù)雜的交變應(yīng)力作用下,作多種運動的耦合運動,產(chǎn)生屈曲,發(fā)生塑性變形或斷裂,其本身是一種非線性且不斷變化的運動,考慮到計算精度,本文選用HHT積分法,采用完全法求解。三、節(jié)點位置與交變應(yīng)力離散程度的關(guān)系對新疆焉耆盆地山前構(gòu)造推覆體城二井所采用的某鉆具組合進行非線性瞬態(tài)動力學(xué)分析,該鉆柱的鉆具結(jié)構(gòu)為:311.15mm鉆頭+轉(zhuǎn)換接頭+203mm雙減1根+203mm鉆鋌1根+扶正器+203mm鉆鋌1根+扶正器+轉(zhuǎn)換接頭+203mm鉆鋌3根+轉(zhuǎn)換接頭+178mm鉆鋌4根+轉(zhuǎn)換接頭+158.7mm鉆鋌6根+轉(zhuǎn)換接頭+127mm加重鉆桿18根+127mm鉆桿至井口。分析工況:井斜角1°;鉆壓14t;轉(zhuǎn)速65r/min。加載時間10s;步長0.1s。對鉆柱分別施加14t靜載以及臺架試驗測得的動載進行分析。通過分析可知,在靜載荷作用下,鉆柱的高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在鉆柱底部最上面一個扶正器周圍及其以下部分,以及203mm和178mm鉆鋌接合部位。而在動載荷作用下,鉆柱的高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在扶正器附近,以及上部178mm及158.7mm鉆鋌部位;從鉆柱隨動載荷變化而變形發(fā)生變化的動態(tài)過程中,可看到在178mm鉆鋌組合的中間部位有發(fā)生頻繁彎曲變形的情況存在;為得到鉆柱有可能發(fā)生斷裂或損壞的部位,在建立的鉆柱有限元模型的基礎(chǔ)上,我們通過拾取節(jié)點位置的方法,得到不同時刻鉆柱發(fā)生變形的多個應(yīng)力交變情況較為頻繁的節(jié)點(即位于鉆柱變形比較大的部位),這些節(jié)點一般是偏于危險點,該鉆柱得到編號為30、45、73、90、110和128共6個危險點,其中危險點73和鉆井實例中該鉆具的實際斷點位置75號節(jié)點非常接近;最后選擇一些非危險點的應(yīng)力時間歷程曲線與斷點的應(yīng)力時間力程曲線進行比較(見圖1)。由于把鉆柱看作一維細(xì)長桿,并且鉆柱與井壁之間的距離相對于鉆柱的長度非常小,斷點處的交變應(yīng)力離散程度不可能有明顯的增大,在這里選用最小二乘法比較它們的交變應(yīng)力的離散程度。設(shè):σij(i=1,2,…,k,…,n;j=1,2,…,m,當(dāng)i=k表示斷點)表示在動載作用下,鉆柱上任一節(jié)點i在jΔt時刻的等效應(yīng)力,則根據(jù)最小二乘法原理,節(jié)點i在整個時間歷程內(nèi)的交變應(yīng)力的離散程度可表示為:Δi=(σi1?σˉi)2+σi2?σˉi)2+?+(σim?σˉi)2?????????????????????????????????√(7)Δi=(σi1-σˉi)2+σi2-σˉi)2+?+(σim-σˉi)2(7)其中:σˉi=1m(σi1+σi2+?+σim)(m=TΔt?Tσˉi=1m(σi1+σi2+?+σim)(m=ΤΔt?Τ為加載時間,Δt為時間步長)則斷點交變應(yīng)力的離散程度相對于非危險點的交變應(yīng)力的離散程度為:μi=Δk?ΔiΔk(8)μi=Δk-ΔiΔk(8)對于該鉆柱,選擇非危險點35、60和100,計算結(jié)果得μ36=0.543、μ60=0.102、μ75=0、μ100=-0.535,說明斷點75交變應(yīng)力的離散程度比非危險點36和60的交變應(yīng)力的離散程度大,而比非危險點100的交變應(yīng)力的離散程度小。鉆柱的斷損由于多種因素引起的,例如,鉆柱本身的強度,鉆柱的磨損程度,力學(xué)因素只是鉆柱斷損的一個因素,因此,鉆柱的實際斷損位置發(fā)生在交變應(yīng)力變化偏大的位置,而不一定發(fā)生在交變應(yīng)力變化最大的位置。因此以上有限元分析與實際情況基本上吻合。運用同樣的方法,對焉耆盆地山前推覆體城二井的27次在127mm加重鉆桿以下發(fā)生斷裂鉆柱的下部鉆具組合進行了瞬態(tài)動力學(xué)分析,分析結(jié)果見表1。由表1的統(tǒng)計結(jié)果表明,70.4%的有限元分析和實際斷裂基本上吻合,由于鉆柱斷損有多種因素,單從力學(xué)角度講,這個比例已可以說明分析方法是有效的,從而為鉆柱的失效和斷裂找到了部分力學(xué)上的理論依據(jù)。四、振動耦合機構(gòu)振動導(dǎo)致下部鉆具的受力狀態(tài)與靜態(tài)情況有很大差異,分布在中和點到最上一個扶正器(或鉆頭附近)之間的高的交變應(yīng)力使鉆柱的壽命降低,而這種交變應(yīng)力的存在使鉆柱的縱向振動、橫向振動、扭轉(zhuǎn)振動之間相互耦合。特別是當(dāng)井眼大鉆挺小的時候,井眼環(huán)空較大,相對鉆挺的剛度較弱,鉆柱在軸向力作用下易屈曲,激發(fā)橫向振動,橫向振動又誘發(fā)扭轉(zhuǎn)振動。因此,鉆柱的橫向振動主要起源于中和點至鉆頭段的鉆柱,中和點以上很少有引起劇烈振動的擾動因素。底部鉆柱的橫向振動沿鉆柱傳播過程中,在中和點以下很長一段鉆柱由于螺旋屈曲而與井壁接觸產(chǎn)生的摩擦阻尼以及鉆井液的阻尼消耗和損失了振動能量,使振動能量不能傳到地面。五、激發(fā)橫向振動(1)鉆柱的斷裂一般都發(fā)生在交變應(yīng)力變化比較大,且頻繁彎曲的部位。(2)鉆頭與地層相互作用可以引起鉆柱動力失穩(wěn),誘發(fā)劇烈的橫向振動。(3)動力失穩(wěn)時,振動能量被受壓段鉆