【技术实现步骤摘要】
一种带有弯角的底部钻具组合的力学分析方法
本专利技术涉及一种带有弯角的底部钻具组合的力学分析方法，属油气钻井工具
技术介绍
底部钻具组合通常由钻头、螺杆、稳定器，钻杆、钻铤和一些特殊接头组成。其中，常见的带有弯角的底部钻具组合有两种形式，一种是结构弯角在螺杆钻具本体上的弯壳体钻具，一种是在螺杆钻具本体上配弯接头构成的弯壳体钻具。前者由于弯角在螺杆壳体上因此易于加工和维修，后者灵活性则更强。带有弯角的底部钻具组合常用于水平井段的定向作业，因此需要在水平井段下对带有弯角的底部钻具组合进行力学分析。在井下，底部钻具组合在钻压和自重等的作用下发生变形，钻头和稳定器与井壁之间相互接触，其接触关系可当作简单支座。一般情况下，底部钻具组合的上部因重力作用会在某一点和下井壁相接触并与下井壁相切，形成上切点，上切点位于井眼底边。根据井下钻具组合的受力情况，可将钻头至上切点间的钻具组合简化为梁柱进行分析。带有弯角的底部钻具组合由于结构弯角的存在,肘点附近的部分,其质量中心偏离轴线,螺杆旋转时会产生离心惯性力，从而改变钻头处受力状况，增大其防斜纠斜的效果，有利于控制井斜。不同大小的弯角会产生不同的离心惯性力，因此控制井斜的效果也不相同。在钻具组合连续钻进过程中，为满足井眼轨迹控制要求，需要对带有弯角的底部钻具组合进行力学分析，其中对于弯角的分析必不可少。目前对带有弯角的底部钻具组合进行力学分析时通常将弯角简化处理为连续梁。如：卫增杰等人采用纵横弯曲法建立了双弯螺杆钻具组合的受力与变形分析模型；潘仁杰等人根据有限元...
【技术保护点】
1.一种带有弯角的底部钻具组合的力学分析方法，其特征在于：底部钻具组合包括钻头、螺杆、稳定器、钻杆和接头，其力学分析方法包括如下步骤：/n1）、对带有弯角的底部钻具组合进行简化处理：/n对带有弯角的底部钻具组合作如下假设：带有弯角的底部钻具组合之间的变形是弹性小变形；钻压作用于钻头中心，钻头中心位于井眼轴线上；井璧视为刚性体，井眼直径为钻头外径且无井眼尺寸的变化；稳定器与井璧之间为点接触；/n2）、带有弯角的底部钻具组合微元体力学分析：/n在带有弯角的底部钻具组合梁柱的任意位置取长为dx的微元，以微元体左端面中心为零点建立坐标系，微元体受力情况为：微元体左端面受力有
【技术特征摘要】
1.一种带有弯角的底部钻具组合的力学分析方法，其特征在于：底部钻具组合包括钻头、螺杆、稳定器、钻杆和接头，其力学分析方法包括如下步骤：
1）、对带有弯角的底部钻具组合进行简化处理：
对带有弯角的底部钻具组合作如下假设：带有弯角的底部钻具组合之间的变形是弹性小变形；钻压作用于钻头中心，钻头中心位于井眼轴线上；井璧视为刚性体，井眼直径为钻头外径且无井眼尺寸的变化；稳定器与井璧之间为点接触；
2）、带有弯角的底部钻具组合微元体力学分析：
在带有弯角的底部钻具组合梁柱的任意位置取长为dx的微元，以微元体左端面中心为零点建立坐标系，微元体受力情况为：微元体左端面受力有P轴向载荷，方向沿微元体轴线方向向右并作用于左端面中心、T截面剪力，方向垂直于微元体轴线方向向上、M截面弯矩，顺时针方向；微元体右端面受力有轴向载荷，方向沿微元体轴线方向向左并作用于右端面中心、截面剪力，方向垂直于微元体轴线方向向下、截面弯矩，逆时针方向；微元体上端受力有均布载荷，方向竖直向下；其受力分析如下：分别在微元体的竖直方向求力学平衡和以微元体右端面中心为基准，求力矩平衡，列平衡方程如下：
式中：为微元体左端面中心与右端面中心的高度差；分别是P轴向载荷、截面剪力、截面弯矩相对于微元长度为dx时相应的增量；
联立方程，求的梁柱的挠曲变形方程为：
式中：x为微元体轴向长度的自变量、y为x处的挠度、分别为公式（2）前四项的系数、E;I分别是微元体的弹性模量和惯性矩；
根据公式（2）求出梁柱的转角、弯矩和剪力的计算公式，具体表达式如下：
式中：转角、弯矩,剪力；分别为的一阶导数、二阶导数、三阶导数；
3）、划分节点：
以钻头、稳定器、弯角和上切点作为节点，两个相邻节点之间为一跨梁柱，带有弯角的底部钻具组合可以看作是由这些节点构成的多跨梁柱组合而成；
4）、节点处的边界条件和矩阵表达式：
钻头：
钻头位置的边界条件为：钻头处梁柱位移为0，此处位移是指垂直于梁柱轴线方向的线位移等同于挠度；钻头弯矩为0，列表达式如下：
将其代入公式（2），得钻头处矩阵表达式如下：
式中：为节点前一跨梁柱长度的自变量、为处对应的位移，是二阶导数，下文的分别是的一阶导数和三阶导数，分别表示节点前一段梁柱的弹性模量、惯性矩、轴向载荷、均布载荷，由于钻头前无梁柱，此处认为是钻头处的弹性模量、惯性矩、轴向载荷、均布载荷；是将带入挠曲变形方程（2）时挠曲变形方程（2）的系数同时是该处矩阵表达式的未知数；稳定器：
稳定器处的位移条件和连续性条件为：稳定器与井壁接触，且该处位移、转角、弯矩都连续，列表达式如下：
将其代入公式（2），得稳定器处矩阵表达式如下：
式中为节点后一跨梁柱长度的自变量，为处对应的位移，和分别是的一阶导数和二阶导数，下文的是的三阶导数；；表示钻头的外径，表示当前节点处的外径；表...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏成宇，黄壮，范宇，吴鹏程，王旭东，钱利勤，黄剑，
申请(专利权)人：长江大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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