一种定向钻穿越钻具动力分析方法技术

本发明专利技术公开了一种定向钻穿越钻具动力分析方法，该方法包括：建立定向钻穿越钻具的动力学模型；分析不同岩土特性对定向钻穿越钻具的受力影响；定义和建立定向钻穿越钻具在钻进过程中与井壁摩擦的边界条件；确定定向钻穿越钻具所受外载；根据定向钻穿越钻具的动力学模型，对定向钻穿越钻具的动力学行为进行数值模拟，并对定向钻穿越钻具进行受力分析；对定向钻穿越钻具钻进过程中钻杆受力的静力学公式进行修正，得到钻杆受力静力学估算公式。本发明专利技术的有益效果为：为钻具的受力提供了理论基础；为钻杆低强度疲劳破坏提供理论依据；为工程安全施工提供预警；提供了钻具组合优化方法。

【技术实现步骤摘要】
一种定向钻穿越钻具动力分析方法
本专利技术涉及石油天然气管道工程
，具体而言，涉及一种定向钻穿越钻具动力分析方法。
技术介绍
水平定向钻穿越技术作为油气管道非开挖施工技术的一个分支，是在油田定向钻井工艺的基础上发展起来的，是传统的管道铺设技术与油田定向钻井工艺结合形成的。其工艺原理是：施工时，按照设计的钻孔轨迹依靠钻机驱动钻具、钻杆先施工一条近似水平的导向孔，待导向孔钻具在穿越障碍物的另一侧出土后，卸下导向用钻头和仪表单元，根据穿越管道直径大小和穿越地质情况选择适当的钻具进行反向扩孔。当孔道满足管线回拖要求后，用钻机利用钻杆将预制好的管道从钻机出土点通过扩孔形成的孔道拉至入土点，从而完成管道的铺设。使用水平定向钻机进行管线穿越施工，一般分为三个阶段：第一阶段是按照设计曲线尽可能准确的钻一个导向孔；第二阶段是将导向孔进行扩孔(可分多次扩孔)，达到管道回拖需要的孔径要求；第三个阶段即将管线(一般为PE管道，光缆套管，钢管)沿着扩大了的导向孔回拖到导向孔中，完成管线穿越工作。目前水平定向钻穿越技术得到日益广泛应用，特别是近年来，由于工程需要大口径、长距离、复杂地质定向钻穿越越来越多。长距离大口径定向钻穿越的钻具受力分析提上日程，但是由于定向钻穿越钻具受力情况复杂、力学分析难度大，现场组合钻具、确定施工参数缺乏理论依据，出现了多起非开挖定向钻穿越钻具破坏事故。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术的目的在于提供一种定向钻穿越钻具动力分析方法，对定向钻穿越钻具在“导向孔、扩孔、回拖输送管线”三种工况下的载荷、变形、应力变化规律进行动力学模拟分析。本专利技术提供了一种定向钻穿越钻具动力分析方法，该方法包括：步骤1、建立定向钻穿越钻具的动力学模型；步骤2、分析不同岩土特性对定向钻穿越钻具的受力影响；步骤3、定义和建立定向钻穿越钻具在钻进过程中与井壁摩擦的边界条件；步骤4、确定定向钻穿越钻具所受外载；步骤5、根据定向钻穿越钻具的动力学模型，对定向钻穿越钻具的动力学行为进行数值模拟，并对定向钻穿越钻具进行受力分析；步骤6、根据步骤5的分析结果，对定向钻穿越钻具钻进过程中钻杆受力的静力学公式进行修正，得到钻杆受力静力学估算公式。作为本专利技术的进一步改进，所述步骤1是通过能量法的哈密顿原理建立定向钻穿越钻具的纵横扭耦合动力学模型，建立所述动力学模型过程中采用的假设条件包括：整个定向钻穿越钻具为均质空间弹性梁；定向钻穿越钻具的几何尺寸、材料性质分段为常数，不受温度影响；不同井段的井径按照平均扩大了进行计算；导向孔进孔洞保持圆形截面，扩孔钻进孔洞截面受切割刀下沉量影响。作为本专利技术的进一步改进，定向钻穿越钻具的纵横扭耦合动力学模型为：式中，[M]为定向钻穿越钻具的质量矩阵，[C]为定向钻穿越钻具的阻尼矩阵，[K]为定向钻穿越钻具的刚度矩阵，为定向钻穿越钻具位移向量的二价导数，为定向钻穿越钻具位移向量的一阶导数，{U}为定向钻穿越钻具位移向量，{F}为定向钻穿越钻具的载荷矩阵。作为本专利技术的进一步改进，步骤3通过罚刚度法来定义并建立定向钻穿越钻具在钻进过程中与井壁摩擦的边界条件，具体方法为：采用一个弹簧来施加接触边界，并利用有限元软件将物体划分为若干小的平块，并对两个小平块构成的接触对施于赫兹接触刚度k，其估算公式为：k＝fE式中，f是介于0.1～10之间的系数，E是接触材料的弹性模量。作为本专利技术的进一步改进，步骤4中定向钻穿越钻具所受外载确定为重力和惯性力。作为本专利技术的进一步改进，步骤5中分别对导向孔、扩孔和回拖三种工况下定向钻穿越钻具的动力学行为进行数值模拟，分别得出导向孔、扩孔和回拖三种工况下定向钻穿越钻具的受力情况。作为本专利技术的进一步改进，步骤6中根据第四强度理论得出的钻杆受力的静力学公式为：式中，σxd4为当量应力，τ为剪切应力，σmax为正应力，σt为挤压应力。作为本专利技术的进一步改进，步骤6中钻杆受力静力学估算公式为：式中，为考虑钻杆动力变化的应力计算值，σxd4为当量应力。作为本专利技术的进一步改进，在修正过程中考虑摩擦系数和孔洞扩大率对钻杆受力静力学估算公式的影响。作为本专利技术的进一步改进，摩擦系数对钻杆受力静力学估算公式的影响为：式中，为考虑钻杆动力变化及钻孔摩擦系数的钻杆应力计算值。作为本专利技术的进一步改进，孔洞扩大率对钻杆受力静力学估算公式的影响为：式中，为考虑钻杆动力变化、钻孔摩擦系数、孔洞扩大率的钻杆应力计算值。本专利技术的有益效果为：首先，建立了“全孔模型”的钻进过程仿真分析，对钻进的受力机理、力学行为、控制因素影响变化进行了分析，为钻具的受力提供了理论基础；其次，通过分析钻杆的动力力学特性，为钻杆低强度疲劳破坏提供理论依据；再次，通过预测钻杆的疲劳寿命，为工程安全施工提供预警；最后，通过数值仿真提供了钻具组合优化方法。附图说明图1为本专利技术实施例所述的一种定向钻穿越钻具动力分析方法流程示意图；图2为本专利技术实施例所述的某节点处偏心量的变化形成的该处微段的偏心轨迹示意图。具体实施方式下面通过具体的实施例并结合附图对本专利技术做进一步的详细描述。如图1所示，本专利技术实施例所述的是一种定向钻穿越钻具动力分析方法，该方法包括：步骤1、建立定向钻穿越钻具的动力学模型；步骤2、分析不同岩土特性对定向钻穿越钻具的受力影响；由于定向钻穿越钻具在钻进过程中会遇到各种不同的岩土，因此在钻具的受力分析中需要考虑不同岩土特性对钻具受力的影响，其中不同的岩土特性包括同性岩、片岩、砾岩，砂性土、粘性土等。步骤3、定义和建立定向钻穿越钻具在钻进过程中与井壁摩擦的边界条件；步骤4、确定定向钻穿越钻具所受外载；步骤5、根据定向钻穿越钻具的动力学模型，对定向钻穿越钻具的动力学行为进行数值模拟，并对定向钻穿越钻具进行受力分析；步骤6、根据步骤5的分析结果，对定向钻穿越钻具钻进过程中钻杆受力的静力学公式进行修正，得到钻杆受力静力学估算公式。通过改变钻杆规格分布、扩孔器重量、扶正器位置、U形环加设，针对地层条件，进行钻杆的受力分析，从而进行钻杆尺寸选择和钻具组合形式的优化，给施工予以指导。进一步的，所述步骤1是通过能量法的哈密顿原理建立定向钻穿越钻具的纵横扭耦合动力学模型。根据能量法的哈密顿原理建立定向钻穿越钻具在导向孔、扩孔和回拖等各种工况下的动力学方程，并将钻具与孔洞的摩擦与碰撞、导向钻头(切割刀、扩孔器)与岩土的互相作用、钻井液的阻尼影响等分别处理成不确定边界、准随机边界、动态边界，通过该模式与边界条件的多重考虑，从而很好地把各个主要因素合理地融为一体，考虑了定向穿越导向钻井、扩孔钻井以及管道回拖过程中钻具动力学特性，并利用非线性有限元软件的显示模块进行方程求解与结果输出。由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种定向钻穿越钻具动力分析方法，其特征在于，包括：/n步骤1、建立定向钻穿越钻具的动力学模型；/n步骤2、分析不同岩土特性对定向钻穿越钻具的受力影响；/n步骤3、定义和建立定向钻穿越钻具在钻进过程中与井壁摩擦的边界条件；/n步骤4、确定定向钻穿越钻具所受外载；/n步骤5、根据定向钻穿越钻具的动力学模型，对定向钻穿越钻具的动力学行为进行数值模拟，并对定向钻穿越钻具进行受力分析；/n步骤6、根据步骤5的分析结果，对定向钻穿越钻具钻进过程中钻杆受力的静力学公式进行修正，得到钻杆受力静力学估算公式。/n

【技术特征摘要】
1.一种定向钻穿越钻具动力分析方法，其特征在于，包括：
步骤1、建立定向钻穿越钻具的动力学模型；
步骤2、分析不同岩土特性对定向钻穿越钻具的受力影响；
步骤3、定义和建立定向钻穿越钻具在钻进过程中与井壁摩擦的边界条件；
步骤4、确定定向钻穿越钻具所受外载；
步骤5、根据定向钻穿越钻具的动力学模型，对定向钻穿越钻具的动力学行为进行数值模拟，并对定向钻穿越钻具进行受力分析；
步骤6、根据步骤5的分析结果，对定向钻穿越钻具钻进过程中钻杆受力的静力学公式进行修正，得到钻杆受力静力学估算公式。


2.根据权利要求1所述的定向钻穿越钻具动力分析方法，其特征在于，所述步骤1是通过能量法的哈密顿原理建立定向钻穿越钻具的纵横扭耦合动力学模型，建立所述动力学模型过程中采用的假设条件包括：
整个定向钻穿越钻具为均质空间弹性梁；
定向钻穿越钻具的几何尺寸、材料性质分段为常数，不受温度影响；
不同井段的井径按照平均扩大了进行计算；
导向孔进孔洞保持圆形截面，扩孔钻进孔洞截面受切割刀下沉量影响。


3.根据权利要求2所述的定向钻穿越钻具动力分析方法，其特征在于，定向钻穿越钻具的纵横扭耦合动力学模型为：



式中，[M]为定向钻穿越钻具的质量矩阵，[C]为定向钻穿越钻具的阻尼矩阵，[K]为定向钻穿越钻具的刚度矩阵，为定向钻穿越钻具位移向量的二价导数，为定向钻穿越钻具位移向量的一阶导数，{U}为定向钻穿越钻具位移向量，{F}为定向钻穿越钻具的载荷矩阵。


4.根据权利要求1所述的定向钻穿越钻具动力分析方法，其特征在于，步骤3通过罚刚度法来定义并建立定向钻穿越钻具在钻进过程中与井壁摩擦的边界条件，具体方法为：采用一个弹簧来施加接触边界，并利用有限元软件将物体划分为...

【专利技术属性】
技术研发人员：马晓成，左雷斌，康有为，李国辉，曹志强，郭君，苏卫峰，孙翔，刘艳东，杨春玲，王剑，周晓东，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，中国石油管道局工程有限公司，中国石油天然气管道工程有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11