大庆石油学院学报
JOURNAL
OF
DAQING
PETROLEUM
INSTITUTE
第
23
卷第
l
期
1999
年
3
月
Vo
l.
23 No. 1 Mar. 1999
小井眼直井钻具性能评估与动强度计算①②
孙超
1)
陈军
2)
张雄
3)
焦洪柱
4)
刘巨保I)
1)
大庆石油学院石油机械系，安达，
1514
∞
2)
大庆市交警支队，大庆，
163413
3)
大庆石油管理局第二采油厂，大庆，
163414
4)
大庆石油管理局钻井研究所，大庆，
163852
摘
要
根据小井
H~
钻具细、刚度低的特点，充分考虑钻具与井壁的接触碰撞，分别建立了小井眼直井钻具性能评
估准则和钻柱动强度条件通过钻具性能分析，设计了两种防斜钻具，使平均机械钻速由
12.5
mlh
提高到
22.0
mlh.
革大
井斜角为
3.5
0
动强度分析表明:在稳定工作状态下钻柱最大应力响应值为
159.06
MPa
，小于相应的疲劳极限应力
206
.4
7
MPa
，满足动强度条件.
主题词
小井眼钻具，直井;钻具性能评估与预测;钻柱疲劳强度计算
分类号
TE
821
第-作者简介
孙
超，男，
1968
年生.硕士.讲师.
1989
年毕业于大连理工大学工程力学专业-主要从事石油管柱
力学方面的教学与研究工作.
0
引言
小井眼直井与常规井眼直井的显著区别在于小井眼直井所用的钻头较小，钻具刚度较低，变形大，钻
具与井壁的环空间隙较小，接触碰撞较频繁.这就需要解决两个问题:一是钻具变形大，容易发生井斜，而
用常规井眼钻具设计方法设计的小井眼钻具防斜性能非常差;二是钻具碰撞振动大，容易发生断裂.这两
个问题都与钻柱力学分析有密切关系，前者是通过小井眼直井下部钻具的力学分析，确立钻具防斜性能评
估准则，设计适用于小井眼直井的防斜性能较好的钻具组合;后者通过整体钻柱的瞬态动力学分析，建立
钻柱动强度条件，评定小井眼直井钻柱的动力强度.
1
下部钻具静力学分析的力学模型和理论方法
在评估钻具性能时，主要关心钻头处的受力变形情况，而离钻头较远
(80
m
以上)的上部钻具的变形
对钻头的受力变形影响很小，因此，选取从钻头向上
80-100m
的下部钻具为研究对象
[IJ
井眼轨迹为一
条任意曲率的空间曲线，具体形态由实钻或设计的井深、井斜角和方位角数据确定，考虑模型上下两端力
和位移的协调条件，并假设(1)井壁是刚性的圆形井眼，井径随井深可以任意变化
;(2)
下部钻具是弹性变
形体，与井壁之间有初始间隙存在(包括稳定器
)[2J
;
(3)
忽略一切动态因素.
外载荷主要有上部提升力、泥浆浮力和阻力矩、自身重力分布力、钻头侧向力和井底钻压，在钻具与井
壁的可能接触处，井壁对钻具的法向反力和相应的摩擦阻力及阻力矩，同时也考虑了钻具转速和钻速.在
各种外载荷作用下，下部钻具在井眼内发生变形，变形后钻具可能在某一井深处沿井眼圆周的任一方向与
井壁发生接触，称为多向接触;同时，钻具沿其轴线在任何位置上都可能与井壁发生多向接触，其接触状态
随井眼形状、钻井参数和钻具组合的变化而呈随机状态分布，是一种沿钻具轴线和井眼圆周两个方向上随
机分布的多向接触摩擦非线性问题.此外，小井眼内的钻具较常规井眼内的钻具细，刚度低，而且直井的
井斜角较小，所以，还必须考虑井底钻压和钻具自身重力两种轴向载荷引起的纵向弯曲.可见，小井眼直
井下部钻具力学分析不仅是随机接触非线性问题，而且还是纵横弯曲的几何非线性问题.
用一般有限元法将下部钻具沿轴线离散为若干个空间直梁单元，然后在每个空间直梁单元的节点上
①
收稿日期
:1998-11-12
审稿人:杨敏嘉
②
中国石油天然气总公司"丸五"重点科研项目
(97040
1)
63 .
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