靜態(tài)偏置鉆頭推靠式旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)通常具有一個基本不旋轉(zhuǎn)的外套和一個傳遞鉆壓和扭矩的長驅(qū)動軸。在現(xiàn)狀應(yīng)用過程中長驅(qū)動軸，起到傳遞鉆壓和驅(qū)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(qū)動軸靜態(tài)受力的情況，根據(jù)模擬結(jié)果，對長驅(qū)動軸材質(zhì)性能提出了基本要求，對鉆井參數(shù)提出指導(dǎo)性建議。
計算機數(shù)值建模
材質(zhì)比較了1號鋼材和2號鋼材，鉆壓分別模擬8T、10T、12T、14T、16T，扭矩分別模擬8000NM、12000 NM、16000 NM、20000 NM、24000 NM。外力加載方式，采用一端固定，另一端承力面施加鉆壓和扭矩的靜載荷。我們假設(shè)材料的受力范圍只在彈性區(qū)域。三向應(yīng)力狀態(tài)下，六個應(yīng)力分量和六個應(yīng)變分量。由能量守恒原理，各應(yīng)力分量的合力只在其對應(yīng)的應(yīng)變分量所引起的變形位移上做功?？偟膽?yīng)變能為各應(yīng)力分量對應(yīng)的應(yīng)變能之和。滿足一系列公式的的彈性材料我們稱為超彈性材料。特點：在任意加載-卸載循環(huán)下，材料不發(fā)生能量耗散。
組合受力疊加情況如下：
組合受力圖示
一點的應(yīng)力狀態(tài)圖示
網(wǎng)格劃分：二階（高品質(zhì)）實體四面體單元模擬了二階（拋物線）位移場以及相應(yīng)的一階應(yīng)力場（注意拋物線形函數(shù)的導(dǎo)數(shù)是線性函數(shù)）。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(dāng)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。
圖 模擬四面體單元
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。
利用仿真模擬軟件，對兩種材料進行仿真模擬。材料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(jié)果如下圖：
根據(jù)仿真結(jié)果分析，鉆壓10-20T范圍內(nèi)，可承受最大扭矩30000Nm，局部最大應(yīng)力保持在安全范圍內(nèi)。保持扭矩30KN.m不變，進行拉力仿真模擬。
扭矩30KN.m情況下，材料1最大抗拉150T。在不施加扭矩的情況下，進行純拉力模擬。
由上圖可見，材料1在220T純拉力時達到屈服極限，建議最大拉力不應(yīng)超過200T。
材料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進行壓力仿真模擬。結(jié)果如下圖：
經(jīng)過模擬研究顯示，由于材料的不同屈服應(yīng)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。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。
由上圖可見，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。
由上圖可見，180T純拉力時達到屈服極限，建議最大拉力不應(yīng)超過140T。
現(xiàn)場應(yīng)用鉆速提高明顯
基本數(shù)據(jù)：井口坐標(biāo)：縱(X)4 207 843.00 橫(Y)20 637 966.00；方位修正角(°)：-8.08 磁傾角(°)：56.65 磁場強度(μT)：53.30；
井身結(jié)構(gòu)：
開鉆
順序 |
鉆頭尺寸
（mm） |
井深
（m） |
套管外徑
（mm） |
套管下深
（m） |
水泥封固段
（m） |
|
一開 |
346.1 |
331.0 |
273.1 |
330 |
0～331 |
|
二開 |
215.9 |
3453.16 |
139.7 |
3450 |
0～3453.16 |
旋導(dǎo)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(zhuǎn)導(dǎo)向工具+單向閥+鉆桿，排量32L/s，泵壓14MPa，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)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(jīng)檢查旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具功能完好，結(jié)構(gòu)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%。
不斷試驗得出最優(yōu)材料
驅(qū)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(yīng)力集中，與鉆壓相比，扭矩對增大最大應(yīng)力具有更顯著的貢獻，經(jīng)過仿真模擬可以得知鉆壓在0-20T內(nèi)，扭矩在30KN.M內(nèi)變化時，1號材料是具有較高的安全系數(shù)。通過仿真模擬可以得知：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(jīng)濟性，可以在井深比較淺的東部油田應(yīng)用。在事故處理中，需要上提和扭轉(zhuǎn)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。
對1號和2號材料進行進一步的動力學(xué)試驗驗證，在確保安全的情況下進行全尺寸井下實鉆試驗，對材料和結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進行全方位驗證。在條件允許的情況下逐步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，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(jīng)濟性的條件。
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