关于钻井井壁可缩性接头力学特性的若干思考

【摘要】可缩性接头在石油钻井中的应用越来越多，该装置在技术层面也进行了一定的创新与改进。对于新型钻井井壁可缩性接头而言，分析器力学特性，能够更好地了解其实际工作过程中实际的受力情况及变形规律，对于提高钻井工作效率具有十分重要的意义与价值。

【关键词】钻井；井壁；可缩性接头；力学特性

笔者所在的矿井初期主要包括主、副及风三个井筒，前两个井设计净直径分别为5.0m与6.5m，穿过表土层的厚度约为340m，运用钻井法施工。为了确保钻井的安全工作以及防止钻井井壁出现破坏等方面的情况，决定在该井采用可缩性钻井井壁结构，可缩性钻井井壁结构是通过在井筒下部安装数个可缩性井壁接头，于竖向附加力达到某一极限值时出现屈服变形，使得井壁与地层之间发生同步变形，从而衰竭作用于井壁上面的竖向附加力，这样能够很好地保证井筒运行的安全性。所以，对钻井井壁可缩性接头进行力学分析，具有十分重要的意义与价值。

1.钻井井壁可缩性接头力学特征分析

钻井井壁可缩性接头属于一种“横抗竖让”的结构，具体结果如下图1所示。钻井井壁可缩性接头的力学特征应该满足如下几个方面的刚度以及强度方面的要求，即：（1）可缩性井壁接头在水平方向上均能够很好地抵御侧向水土压力，而且还具有非常理想的防水功能；（2）可缩性井壁接头竖向承载能力应该足以承受井壁自身重量以及井筒等设备的重量；当竖向附加力增大至某一个特殊值的时候，可缩性井壁接头则会产生竖向压缩变形，使得井筒以及地层会出现同步下沉的趋势，而二者之间的同步下沉则会显著地减少竖向附加力对井壁所产生的各种影响；（3）可缩性井壁接头还应该满足竖向可缩量的相关要求，也就是说全部的可缩性井壁接头累及的竖向可压缩总量要比地层可能下沉量的大小要大。按照如上三个方面的相关要求，可缩性井壁接头结构的外弧板抵御水平地压，立板承受竖向荷载，实际过程中，钻井井壁可缩性接头结构示意图如下图1所示（图示所示的钢板型号为Q-235型）。为了对其力学特性进行分析，本研究主要对其进行了相关的试验及数值分析。

图1 钻井井壁可缩性接头示意图

2.钻井井壁可缩性接头数值分析

见上图1所示，钻井井壁可缩性接头属于一种焊接组合的钢结构，下面采用非线性大变形程序对其力学特性进行分析。

2.1 非线性大变形程序概述

该程序首先是由美国ITASCA咨询公司首先提出的一个程序概念。近年来，该程序在版本方面更新速度较快，且其功能也日益完备，是当前国际岩土工程界非常常见的一种应用软件，该程序采用的数值分析算法为拉格朗日数值分析法，此法主要基于“连续介质”中这一假定条件，采用差分格式，按时步积分进行求解，采用拖带坐标系，随着结构形状所出现的各种改变不断地将坐标加以更新，且该假设还规定连续性的介质具有较大的变形。

2.2 计算假设与模型

在实际计算过程中，主要将钢板视为理想的弹塑性材料，采用莫尔-库伦屈服准则，将可缩性井壁接头作为空间轴对称方面的问题加以处理，钻井井壁可缩性接头具体的计算模型如下图2所示。在该模型中，被平均地分割为1500个互相相同的差分单元，采用非线性大变形程序对变形屈服过程中进行计算与模拟。

图2 钻井井壁可缩性接头计算模型示意图

2.3 边界条件方面的处理分析

由于可缩性井壁接头采用的是焊接法同上、下井壁之间相连，因此可以得出其计算模式的边界条件：在该可缩性井壁接头上钢板表面位置处施加一个竖向均匀的荷载，其环形钢箍弧板向外的一侧作用均匀侧压；下面钢板竖向位移约束，而其他方向则属于自由面（平面或者曲面）。

2.4 相关参数设置 本研究中的相关参数具体设置如下表1所示：

表1 本研究中的相关参数设置表

参数类型参数值

剪切模量G（GPa）77.80

体积模量K（GPa）155.00

内摩擦角 （°）

0

黏聚力（MPa）120.00

密度 （kg/m3）

7.80×106

3.计算结果分析

3.1 变形分析结果

根据上述计算模式以及参数设置情况，变形分析如下两点：（1）一次性加载以及分步加载时，可缩性接头各个关键点竖向位移变化趋势基本相同，只是由于分步加载过程中，荷载是逐级施加上去的，因此变形发生了梯级改变。（2）D、E两个关键点分别位于可缩性接头内外环形竖向板以及上钢板连接位置，在整个加载变形过程中，两关键点位移曲线基本吻合。

3.2 竖向承载力分析结果

钻井井壁可缩性接头的竖向承载力是一个极为关键的设计参数，其数值不仅要比钻井井壁自身重量以及钻井相关设备的总重量要大，而且还应比钻井井壁混凝土的极限强度要小。采用非线性大变形程序，对该结构的竖向承载力大小进行计算与模拟，最终得出结果为：竖向承载力大小为23.372MPa，其三个立板上面的Mises等效应力先后达到钢板的屈服应力大小为220MPa，其中内立板则正好达到屈服极限值。由此可以得知，可缩性井壁接头可以满足竖向应力的有关要求。

4.结论

综上所述，该接头具有良好的竖向可缩性，在竖向荷载较大时，它可通过自身的压缩变形来释放井壁承受的竖向附加力，能够达到相关的要求。

5.参考文献

[1] 程桦，杨俊杰，姚直书，等．钻井井壁可缩性接头模型试验研究[J]．煤炭学报，2001，26 (6)：584~589．

[2] 荣传新．程桦．开切双卸压槽井壁与表土共同作用的力学特性研究[J]．西安科技学院学报，2004(2)．

作者简介

冯伟（1987-），男，黑龙江省牡丹江人，助理工程师，大学专科，主要从事石油类产品理化检验工作。

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