旋转导向工具长驱动轴受力分析及现场应用

张玉

摘要：静态偏置钻头推靠式旋转导向钻井系统的长驱动轴，在现状应用过程中起到传递钻压和驱动扭矩的作用，受力条件非常恶劣，对强度要求极其苛刻。本文通过计算机数值仿真的形式，模拟了长驱动轴静态受力的情况，根据模拟结果，对长驱动轴材质性能提出了基本要求，对钻井参数提出指导性建议。

关键词：旋转导向，驱动轴，应力，仿真

中图分类号：TE242.9 文献标识码：A

引言

静态偏置钻头推靠式旋转导向钻井系统通常具有一个基本不旋转的外套和一个传递钻压和扭矩的长驱动轴。在现状应用过程中长驱动轴，起到传递钻压和驱动扭矩的作用，受力条件非常恶劣，对强度要求极其苛刻。

1 计算机数值建模

1.1 本构模型

三向应力状态下，六个应力分量和六个应变分量。由能量守恒原理，各应力分量的合力只在其对应的应变分量所引起的变形位移上做功。

总的应变能为各应力分量对应的应变能之和，即：

满足上式的弹性材料称为超弹性材料。特点：在任意加载-卸载循环下，材料不发生能量耗散。

1.2网格划分

二阶实体四面体单元模拟了二阶（抛物线）位移场以及相应的一阶应力场。二阶位移场命名了该单元的名称：二阶单元。每个二阶四面体单元有十个节点（4个角点和6个节点），并且每个节点有3个自由度。当单元因加载而变形时，如果单元需要模拟曲线形几何模型，则二阶单元的边和面就可以是曲线形形状。二阶四面体单元具有较好的绘图能力和模拟二阶位移场能力。

材料1，屈服强度1083Mpa，抗拉强度1158Mpa，弹性模量206GPa，切变模量79.38GPa，泊松比0.30。

材料2，屈服强度897Mpa，抗拉强度965Mpa，弹性模量204GPa，切变模量78.8GPa，泊松比0.28。

2 静态仿真与分析

利用仿真模擬软件，对两种材料进行仿真模拟。

材料1：

1）根据工具在井下工作时最大扭矩不超过30KN.m，对材料1进行静压力仿真模拟。结果如下图：

根据仿真结果分析，钻压10-20T范围内，可承受最大扭矩30000Nm，局部最大应力保持在安全范围内。

2）保持扭矩30KN.m不变，进行拉力仿真模拟。经过模拟分析可知，扭矩30KN.m情况下，材料1最大抗拉150T。

3）在不施加扭矩的情况下，进行纯拉力模拟。经过模拟分析可知，材料1在220T纯拉力时达到屈服极限，建议最大拉力不应超过200T。

材料2：

1）根据工具在井下工作时最大扭矩不超过30KN.m，对材料2进行压力仿真模拟。经过模拟研究显示，由于材料的不同屈服应力发生变化，30KN.m的情况下，20T钻压为满负荷运行，建议钻压不高于12T。

2）根据工具在井下工作时最大扭矩不超过30KN.m，对材料2进行拉力仿真模拟。经过模拟研究显示，30KN.m条件下，上提拉力60T接近屈服极限，建议不要超过50T。

3）在不施加扭矩的情况下，进行纯拉力模拟。经过模拟研究显示，180T纯拉力时达到屈服极限，建议最大拉力不应超过140T。

3现场应用

旋导工具从2495m入井，一趟钻钻至3352m完钻，完钻井斜28.58，方位30.4，闭合距591.39，闭合方位32.78，总进尺857m，总循环时间141h。钻具组合：215.9钻头+旋转导向工具+单向阀+钻杆，排量32L/s，泵压14MPa，转盘转速80rpm，钻压4-6t，泥浆性能：密度1.20g/cm3，粘度44s，最大扭矩18KNM，完井后钻井工具起出井口，经检查旋转导向工具功能完好，结构完整性完好。平均机械钻速为每小时7.32米，较使用常规钻具的上口井，钻速提高26.37%。

4结论与建议

驱动轴的受力薄弱点为下部螺纹根部，加强倒角的处理，避免应力集中，与钻压相比，扭矩对增大最大应力具有更显著的贡献，经过仿真模拟可以得知钻压在0-20T内，扭矩在30KN.M内变化时，1号材料是具有较高的安全系数。2号材料在有限控制钻压和扭矩的条件下可以满足钻井施工要求，鉴于材料2的经济性，可以在井深比较浅的东部油田应用。

在事故处理中，需要上提和扭转钻具时1号材料比2号材料有更大的优势，能够提供更大的安全系数和可操作范围。

在条件允许的情况下逐步优化结构，改善受力状态，开展用2号材料替换1号材料的全面试验，最终达到经济性的条件。

参考文献：

[1] 唐雪平，苏义脑，葛云华. 旋转导向钻具组合力学分析. 力学与实践，2013，35（1）.

[2] 张光伟. 基于3D参数化技术的旋转导向钻具虚拟设计[J]. 石油机械，2004，（9）：16-18.

（作者单位：中石化胜利石油工程有限公司随钻测控技术中心）