斜直井中考虑接头影响的钻柱稳定性分析

摘要

钻柱的稳定性在钻井工程中具有重要的意义。实际井中的钻柱由钻杆通过钻柱接头连接在一起，钻柱接头比钻杆直径大，最大可多达50％。为了方便，以往的研究均忽略了接头的影响而假设钻柱是一根等直径的梁。本文的研究放弃了这一假设，运用有限元法分析了斜直井中考虑接头影响时钻柱的正弦屈曲，有限元模型用到了三种不同类型的梁单元，通常的三维梁单元、以偏离角为变量的梁单元和新建立的连接这两种单元的过渡单元。首先，以斜直井中一等直径的钻柱为例，计算了钻柱和井壁的接触力以验证钻柱在变形过程中始终紧贴井壁假设的正确性，并给出了其适用范围。其次计算了考虑接头影响的钻柱屈曲时钻杆和井眼的轴线距离，证明了钻杆在屈曲前变形过程中是悬空；计算了钻柱正弦屈曲临界载荷，并将计算结果与没有考虑钻柱接头影响时的临界载荷进行了比较以研究钻柱接头对临界载荷的影响。然后，考察了边界条件、井斜角、钻柱自重对钻柱稳定性的影响，给出了钻柱的一阶失稳模态。计算了水平井中钻柱的失稳临界载荷，将结果和Mitchell 的考虑接头影响的结果进行比较，并讨论了本文分析结果偏安全的原因。最后，给出了全文的总结。