第三章CAE技术在钻井工程中的应用

第三章CAE技术在钻井工程中的应用14第三章CAE技术在钻井工程中的应用从某种意义上说，石油钻井工程与航天工程相类似，地面以上有井架与钻井动力系统，循环净化系统、后勤安全保障系统等；地面以下包括钻柱、钻挺、井底钻具组合（BHA）或井下动力钻具、导向系统（MWD）、钻头、以及油层目标靶点等。就井身结构可区分为垂直井、定向井、（长、中、短半径）水平井、多底井、大位移水平井、侧钻水平井等多种复杂的井身结构。由于钻柱结构受力的复杂性，对于钻井系统中大到系统结构，小到各个部件的力学性能、静态强度、动力学特性都对钻井系统产生重要影响，而钻井系统中的系统结构和大多数零部件都可以采用ANSYS等CAE仿真技术进行数值模拟分析。CAE技术可以在以下诸方面发挥优势作用：z石油钻机井架系统结构设计z钻柱强度与环空动力学z钻头与BHA设计z高压水射流破岩z井下环空流体动力学z钻柱接头与井下工具优化设计z地面钻井配套设备静、动力学z井壁稳定性3-1ANSYS对石油钻机井架分析计算中的应用石油钻机井架作为石油钻采设备钢结构的重要组成部分，其杆件多、受力复杂，且由于使用工况复杂，对其进行精确的计算和分析十分重要。石油钻采井架结构型式种类繁多，除少数特殊井架外，基本类型有塔形、前开口式、A形及桅形等。ANSYS的结构静力分析可用来求解外载荷引起的位移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。ANSYS软件针对南阳石油机械厂设计225吨开口直立式海洋平台石油钻机井架进行静力分析。计算模型按照设计图样建立，在考虑有无立根、钓载、不同风速及不同地震烈度等条件下，进行了七个工况的计算，得到了各构件的应力、应变及发生的位移。但仅知各构件的应力并非完全可知各构件是否满足设计规范的安全性要求。应用ANSYS提供的APDL语言对各构件单元按照APISpec4F规范要求进行校核，判断各构件是否满足安全性要求。对有几百个构件的井架进行校核，其计算量是相当大的，而采用ANSYS提供的工程语言APDL大大简化了计算过程。图3-1海洋石油钻机井架第三章CAE技术在钻井工程中的应用153-2中国大陆科学钻探井70D钻机顶部驱动导轨架设计中国大陆科学钻探工程于2001年8月4日在江苏省东海县毛北镇开钻。被称为“伸入地球内部的望远镜”的大陆科学钻探是当代地球科学具有划时代意义的大型科学工程，是为解决人类面临的资源、灾害和环境等重大问题而向地球深部探测的重要途径。而选择我国东部郯庐断裂带两侧的大别-苏鲁地区（世界规模最大的超高压变质带）作为钻孔地，在高硬度结晶岩中实施5000钻孔取芯，这在世界上也是绝无仅有的。中国大陆科学钻探井采用70D型钻机和RB130顶驱导轨架，凭借国产化的科技装备深入地表岩石圈5000多米，这在我国尚属首次。图3-2为ANSYS对自行设计的RB130顶驱导轨架进行抗扭性能分析的计算结果。（a）导轨三维模型（b）导轨变形１（c）导轨变形２（d）导轨架扭转角１（e）导轨架扭转角２（f）导轨架扭转角３（g）导轨架应力（h）导轨应力图3-2中国大陆科学钻探井70D型钻机RB130顶部驱动导轨架设计3-3钻柱强度与钻柱动力学钻柱在钻井过程中承受的载荷主要有：轴向载荷、扭矩、弯矩、钻柱与井壁摩阻力等。钻柱工作中主要涉及钻柱静力强度分析、弹塑性、大位移、钻柱振动模态及动力响应分析、疲劳寿命分析、钻柱的可下入性和钻柱结构优化设计等工作。ANSYS具有多种线弹性、弹塑性、大变形非线性本构关系，可以方便地进行钻柱的强度分析、弹塑性分析等工作。ANSYS的模态分析可研究钻柱的自振频率及模态，响应谐可分析钻柱的共振特性、瞬态动力分析和谱分析，可分别在时域及频域范围内研究钻柱的响应特性，从而图3-3钻杆接头的接触应力图3-4水平井钻柱动力分析三维模型第三章CAE技术在钻井工程中的应用16全面把握钻柱的振动特性；并通过优化钻柱结构，延长钻柱使用寿命。ANSYS的结构分析能方便地进行不同方式的载荷组合，含有多种疲劳损伤模型，提供了丰富的材料库，并允许用户方便地扩充和修改，完全能够满足钻柱强度、动力学和疲劳计算的要求。对于如钻杆接头台肩与丝扣连接局部的高应力区，以及在水平井的弯曲段，钻柱易产生疲劳破坏，ANSYS对此提供了全面的分析工具。3-4水平井完井管柱力学水平井技术是提高油田采收率的革命性技术，在短半径水平井中管柱曲率达到30/m以上，水平井中的套管、油管以及井下工具承受着非常复杂的各类载荷，尤其是对管柱的连接部位――接头或接箍提出了更高的设计要求。ANSYS软件提供了三维仿真计算能力，应用功能强大的接触单元和方便的接触导向功能，可以有效地解决井下管柱以及接头的连接强度设计问题。下图是短半径水平井中油管接头的三维建模、在曲率半径为30/m的短半径水平井井眼中油管接头的弯曲变形、接箍应力与接头应力。图3-5短半径水平井油管接头三维建模、井眼中油管接头的弯曲变形、接箍应力与接头应力3-5钻头与井底钻具组合钻头在井底有着非常复杂的运动形态和外部作用力，在定向井及水平井钻进中控制钻头命中目标靶点的井底钻具组合等结构特别适合于采用ANSYS进行三维仿真研究，例如：钻柱-钻头-岩石系统的动力学仿真，ANSYS/LS-DYNA提供了显式求解器，可以有效地完成瞬态动力分析，可以对钻柱与钻头的一些动力学参数包括钻压、扭矩、转速、牙齿受力、破岩效果动态变化过程进行动态仿真，对于新型钻头的优化设计及井底动力学研究具有指导意义。3-6高压水射流破岩高压水射流技术是近20年来发展起来的一门高新技术，因其能够显著提高工效、降低成本，同时减轻劳动强度，改善工作环境，目前正越来越广泛地应用于采矿、冶金、石油、航空、建筑、化工、市政建设等部门，用以切割破岩、清洗除锈等。随着高压水射流基础理论图3-6中国大陆科学钻探井新旧钻头形态对比第三章CAE技术在钻井工程中的应用17和应用技术的发展，它在石油钻采中的研究和应用也取得了很大的发展，特别是高压水射流直接或辅助破碎岩石，能够极大地提高钻井中地层钻进的机械钻速，现场应用取得了显著的经济效益，具有广阔的应用前景。ANSYS显示动力学分析模块ANSYS/LS-DYNA具有强大的3D流固耦合分析能力，使用该模块可解决高压水射流破岩及钻井环空中钻井液流场及携岩效率等问题。（a）水射流冲击过程（b）破岩效果1（c）破岩效果2图3-6高压水射流破碎岩石的过程采用ANSYS/LS-DYNA，研究钻头噴嘴射流流场与岩石的相互作用以及高压水射流的破岩机理，对优化设计高效喷嘴结构提供方案。图3—5是采用ANSYS/LS-DYNA，同时考虑材料非线性及单元损伤特性对高压水射流破碎岩石的过程所做的分析和模拟，图（a）是喷嘴高压水射流流场的分布云图（1/4模型），图（b）是破碎岩石Von-Mises等效应力分布（1/4模型），上部是水射流喷嘴，图（c）是高压水射流破碎岩石形成的孔洞形状。3-7井底环空钻井液流动的流体动力学分析在石油钻井工程中，井底钻井液的流动情况对于安全、优质、快速钻井有着相当重要的影响。钻井液在井底的流动情况十分复杂，用实验的方法很难得到详尽的流动资料，但是，用CFD可以很好地模拟井底的流动情况，为钻井工程中水力参数的设计，钻头水力结构的设计等提供重要的数据资料。024681012020406080100120140160l=5dl=8dl=15dl=20dl=30du(米/秒)r/(d/2)024681012020406080100120140160l=5dl=8dl=15dl=20dl=30du(米/秒)r/(d/2)（a）环空射流流场（b）淹没射流横截面轴向速度分布（c）淹没射流轴心动压衰减曲线图3-7高压水射流破碎岩石的过程ANSYS/FLOTRAN具有非常强大的CFD分析能力，采用ANSYS流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率表示。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热-流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。图3-7是用ANSYS的CFD模块，选用适当的流动模型计算得到的环空射流的流场分布。第三章CAE技术在钻井工程中的应用183-8人造金刚石钻头高温高压成型过程热分析在许多工程应用中扮演重要角色，如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等，用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数，如热量的获取或损失、热梯度、热流密度（热通量）等。ANSYS的热分析基于能量守恒原理的热平衡方程，用有限元法计算各节点的温度，并导出其它热物理参数。ANSYS热分析包括热传导、热对流及热辐射三种热传递方式。此外，还可以分析相变、有内热源、接触热阻等问题。（a）三维模型（1/4）（b）高温炉最小主应力场（c）高温炉位移矢量场（d）高温炉有效应力场（e）人造金刚石有效应力场图3-8高压水射流破碎岩石的过程钻头牙齿的镶嵌材料之一是人造金刚石。在人造金刚石的合成工艺中，碳粉承受2000℃以上高温和1000MPa压力，由碳粉颗粒状态形成固态金刚石。ANSYS“单元死活技术”、“相变分析技术”为这一过程提供了良好的解决方案。ANSYS的载荷与温度的耦合场分析模块可以有效地分析碳粉合成金刚石过程中的温度压力耦合变化过程。图3-8为三维仿真过程。3-9井壁稳定性分析钻进过程中钻头破岩形成井眼，在原始地应力作用下，裸眼井壁有可能出现塑性变形、岩石崩落、井壁失稳坍塌等情况。采用非线性结构分析可求解外载荷引起的井眼变形、位移、应力和失稳条件，ANSYS非线性分析功能为井壁稳定性研究提供了很好的解决方案。下图是钻井井眼附近应力变化过程。第三章CAE技术在钻井工程中的应用19（a）环空射流流场（b）淹没射流横截面轴向速度分布（c）淹没射流轴心动压衰减曲线（d）第二主应力等值线（e）等效应力等值线（f）等效应力分布图3-9ANSYS对井壁稳定性的研究3-10套管钻井用套管柱的力学分析与CAE仿真套管钻井技术是指在钻进过程中，直接采用套管取代传统的钻杆向井下传递机械能量和水力能量，井下钻具组合接在套管柱下面，边钻进边下套管，完钻后作钻柱用的套管留在井内作完井用的技术[1]。套管钻井将钻进和下套管合并成一个作业过程，不再需要常规的起下钻作业，与常规钻井技术相比可以节约大量的钻井工时，减少井下事故，降低钻井成本。与钻井中传统的钻杆相比，套管柱具有外径大、壁厚薄、环空间隙小等特点。其特有的性质对套管钻井作业以及后续作业具有重要的影响。套管钻井中的管柱力学行为，尤其是旋转套管柱的动力学行为直接关系到套管柱在钻井过程以及后来的完井/固井中的安全和可靠性，并最终影响油气井的正常生产。因此，套管钻井中的力学行为分析对于套管钻井技术的发展具有重要意义。借助于大型CAE技术，通过建立适当的套管钻井中的套管模型，结合钻井工程实际，分析套管柱的相关力学性能，为套管钻井技术的进一步发展，提供力学分析的技术支持。60708090100110120130140789101112131415径厚比钻杆外径/mm数据点平均值10020030040050051015202530354045径厚比套管外径/mm数据点平均值7080901001101201301400.420.430.440.450.46环空间隙－井径比钻杆外径/mm数据点平均值1001502002503003504004505000.100.120.140.160.180.20环空间隙－井径比套管外径/mm数据点平均值图3-10钻杆与套管的径厚比曲线对比图3-11钻杆与套管钻井的环空间隙-井径比曲线对比第三章CAE技术在钻井工程中的应用20（a）圆弧形均匀磨损（b）坦平形均匀磨损（c）半月形偏磨（d）“8”字形偏磨（a）半月形偏磨套管的外壁应力（b）“8”字形偏磨套管的外壁应力（c）“8”字形偏