關(guān)于鉆井井壁可縮性接頭力學(xué)特性的若干思考

馮偉 李健軍

【摘要】可縮性接頭在石油鉆井中的應(yīng)用越來(lái)越多，該裝置在技術(shù)層面也進(jìn)行了一定的創(chuàng)新與改進(jìn)。對(duì)于新型鉆井井壁可縮性接頭而言，分析器力學(xué)特性，能夠更好地了解其實(shí)際工作過(guò)程中實(shí)際的受力情況及變形規(guī)律，對(duì)于提高鉆井工作效率具有十分重要的意義與價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】鉆井；井壁；可縮性接頭；力學(xué)特性

筆者所在的礦井初期主要包括主、副及風(fēng)三個(gè)井筒，前兩個(gè)井設(shè)計(jì)凈直徑分別為5.0m與6.5m，穿過(guò)表土層的厚度約為340m，運(yùn)用鉆井法施工。為了確保鉆井的安全工作以及防止鉆井井壁出現(xiàn)破壞等方面的情況，決定在該井采用可縮性鉆井井壁結(jié)構(gòu)，可縮性鉆井井壁結(jié)構(gòu)是通過(guò)在井筒下部安裝數(shù)個(gè)可縮性井壁接頭，于豎向附加力達(dá)到某一極限值時(shí)出現(xiàn)屈服變形，使得井壁與地層之間發(fā)生同步變形，從而衰竭作用于井壁上面的豎向附加力，這樣能夠很好地保證井筒運(yùn)行的安全性。所以，對(duì)鉆井井壁可縮性接頭進(jìn)行力學(xué)分析，具有十分重要的意義與價(jià)值。

1.鉆井井壁可縮性接頭力學(xué)特征分析

鉆井井壁可縮性接頭屬于一種“橫抗豎讓”的結(jié)構(gòu)，具體結(jié)果如下圖1所示。鉆井井壁可縮性接頭的力學(xué)特征應(yīng)該滿足如下幾個(gè)方面的剛度以及強(qiáng)度方面的要求，即：（1）可縮性井壁接頭在水平方向上均能夠很好地抵御側(cè)向水土壓力，而且還具有非常理想的防水功能；（2）可縮性井壁接頭豎向承載能力應(yīng)該足以承受井壁自身重量以及井筒等設(shè)備的重量；當(dāng)豎向附加力增大至某一個(gè)特殊值的時(shí)候，可縮性井壁接頭則會(huì)產(chǎn)生豎向壓縮變形，使得井筒以及地層會(huì)出現(xiàn)同步下沉的趨勢(shì)，而二者之間的同步下沉則會(huì)顯著地減少豎向附加力對(duì)井壁所產(chǎn)生的各種影響；（3）可縮性井壁接頭還應(yīng)該滿足豎向可縮量的相關(guān)要求，也就是說(shuō)全部的可縮性井壁接頭累及的豎向可壓縮總量要比地層可能下沉量的大小要大。按照如上三個(gè)方面的相關(guān)要求，可縮性井壁接頭結(jié)構(gòu)的外弧板抵御水平地壓，立板承受豎向荷載，實(shí)際過(guò)程中，鉆井井壁可縮性接頭結(jié)構(gòu)示意圖如下圖1所示（圖示所示的鋼板型號(hào)為Q-235型）。為了對(duì)其力學(xué)特性進(jìn)行分析，本研究主要對(duì)其進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)及數(shù)值分析。

圖1 鉆井井壁可縮性接頭示意圖

2.鉆井井壁可縮性接頭數(shù)值分析

見(jiàn)上圖1所示，鉆井井壁可縮性接頭屬于一種焊接組合的鋼結(jié)構(gòu)，下面采用非線性大變形程序?qū)ζ淞W(xué)特性進(jìn)行分析。

2.1 非線性大變形程序概述

該程序首先是由美國(guó)ITASCA咨詢公司首先提出的一個(gè)程序概念。近年來(lái)，該程序在版本方面更新速度較快，且其功能也日益完備，是當(dāng)前國(guó)際巖土工程界非常常見(jiàn)的一種應(yīng)用軟件，該程序采用的數(shù)值分析算法為拉格朗日數(shù)值分析法，此法主要基于“連續(xù)介質(zhì)”中這一假定條件，采用差分格式，按時(shí)步積分進(jìn)行求解，采用拖帶坐標(biāo)系，隨著結(jié)構(gòu)形狀所出現(xiàn)的各種改變不斷地將坐標(biāo)加以更新，且該假設(shè)還規(guī)定連續(xù)性的介質(zhì)具有較大的變形。

2.2 計(jì)算假設(shè)與模型

在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，主要將鋼板視為理想的彈塑性材料，采用莫爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，將可縮性井壁接頭作為空間軸對(duì)稱方面的問(wèn)題加以處理，鉆井井壁可縮性接頭具體的計(jì)算模型如下圖2所示。在該模型中，被平均地分割為1500個(gè)互相相同的差分單元，采用非線性大變形程序?qū)ψ冃吻^(guò)程中進(jìn)行計(jì)算與模擬。

圖2 鉆井井壁可縮性接頭計(jì)算模型示意圖

2.3 邊界條件方面的處理分析

由于可縮性井壁接頭采用的是焊接法同上、下井壁之間相連，因此可以得出其計(jì)算模式的邊界條件：在該可縮性井壁接頭上鋼板表面位置處施加一個(gè)豎向均勻的荷載，其環(huán)形鋼箍弧板向外的一側(cè)作用均勻側(cè)壓；下面鋼板豎向位移約束，而其他方向則屬于自由面（平面或者曲面）。

2.4 相關(guān)參數(shù)設(shè)置 本研究中的相關(guān)參數(shù)具體設(shè)置如下表1所示：

表1 本研究中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置表

參數(shù)類型 參數(shù)值

剪切模量G（GPa） 77.80

體積模量K（GPa） 155.00

內(nèi)摩擦角 （°）

0

黏聚力（MPa） 120.00

密度 （kg/m3）

7.80×106

3.計(jì)算結(jié)果分析

3.1 變形分析結(jié)果

根據(jù)上述計(jì)算模式以及參數(shù)設(shè)置情況，變形分析如下兩點(diǎn)：（1）一次性加載以及分步加載時(shí)，可縮性接頭各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)豎向位移變化趨勢(shì)基本相同，只是由于分步加載過(guò)程中，荷載是逐級(jí)施加上去的，因此變形發(fā)生了梯級(jí)改變。（2）D、E兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)分別位于可縮性接頭內(nèi)外環(huán)形豎向板以及上鋼板連接位置，在整個(gè)加載變形過(guò)程中，兩關(guān)鍵點(diǎn)位移曲線基本吻合。

3.2 豎向承載力分析結(jié)果

鉆井井壁可縮性接頭的豎向承載力是一個(gè)極為關(guān)鍵的設(shè)計(jì)參數(shù)，其數(shù)值不僅要比鉆井井壁自身重量以及鉆井相關(guān)設(shè)備的總重量要大，而且還應(yīng)比鉆井井壁混凝土的極限強(qiáng)度要小。采用非線性大變形程序，對(duì)該結(jié)構(gòu)的豎向承載力大小進(jìn)行計(jì)算與模擬，最終得出結(jié)果為：豎向承載力大小為23.372MPa，其三個(gè)立板上面的Mises等效應(yīng)力先后達(dá)到鋼板的屈服應(yīng)力大小為220MPa，其中內(nèi)立板則正好達(dá)到屈服極限值。由此可以得知，可縮性井壁接頭可以滿足豎向應(yīng)力的有關(guān)要求。

4.結(jié)論

綜上所述，該接頭具有良好的豎向可縮性，在豎向荷載較大時(shí)，它可通過(guò)自身的壓縮變形來(lái)釋放井壁承受的豎向附加力，能夠達(dá)到相關(guān)的要求。

5.參考文獻(xiàn)

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[2] 榮傳新．程樺．開(kāi)切雙卸壓槽井壁與表土共同作用的力學(xué)特性研究[J]．西安科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2004(2)．

作者簡(jiǎn)介

馮偉（1987-），男，黑龍江省牡丹江人，助理工程師，大學(xué)專科，主要從事石油類產(chǎn)品理化檢驗(yàn)工作。