超短半径水平井柔性壳仿真模拟

刘 源，赵 厦，姬 风，梁 晟

(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州 730070)①

超短半径水平井柔性壳仿真模拟

刘 源，赵 厦，姬 风，梁 晟

(甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司，兰州 730070)①

柔性壳在超短半径水平井中具有导向作用，其强度直接影响超短半径水平井的钻井成功率。由于柔性壳是开槽的细长形结构，选择整体模型进行有限元分析和室内仿真试验都具有一定的难度。建立了局部柔性壳三维接触非线性有限元模型，得到柔性壳在开槽部位的闭合顺序及与其相对应的压力，并对柔性壳进行室内压缩试验，将试验值和数值模拟结果进行对比，验证模型的合理性，并为超短半径水平井安全施工提供合理的参数。

水平井；柔性壳；有限元；仿真模拟

超短半径水平井钻井技术是指在半径小于5 m的垂直井段中，完成从垂直转向水平的钻井技术，具有定向工艺简单，方向和位置准确的特点[1]，避免了频繁造斜、定向和复杂的井眼轨迹控制等工艺过程，保证水平井准确地进入目的层。国外早已开展了超短半径水平井柔性钻具钻井的试验和理论研究[2]；国内对超短半径水平井柔性钻具也开展了一些室内试验[3]和现场试验[4-5]研究，已经成功钻进了几口试验井，但对于开槽结构的细长柔性钻具的数值模拟研究较少[6]。

实现超短半径水平井钻井的关键是其工具具有柔性且能传递轴向力。为了能通过较短的曲率半径，提高超短半径水平井的造斜率，柔性壳表面需要开槽，而每个开槽的部位都相当于一个铰接结构，所以这种柔性壳具有导向作用，是超短半径水平井钻井工具中重要组成部件之一[7]。合理的模拟柔性壳在井眼中的运动轨迹，才能在钻井过程中提供相应的施工参数，因此开展柔性壳仿真模拟的研究具有重要意义。由于柔性壳属于变截面细长梁，主要承受井口施加的压力载荷，而柔性壳割缝处闭合时需要考虑接触，因此这种特殊结构的研究具有一定的难度。本文利用有限元方法，建立了柔性壳三维局部有限元数值模拟仿真模型，在局部模型上施加压力载荷，并判断每个割缝闭合时所需要的压力值。同时对柔性壳进行室内压缩试验，将得到的结果和数值模拟仿真结果相比较，用以验证柔性壳数值仿真模型的合理性，同时为数值模拟提供参考，为超短半径水平井的安全施工提供理论依据。

1 室内试验

1.1 结构参数

由于对柔性壳整体结构进行室内试验具有很大的难度，因此将柔性壳切割成具有4个割缝的局部结构进行室内压缩试验。根据柔性壳实际结构尺寸，测量了3次割缝的数据后取平均值，如表1所示。由于结构尺寸较大及加工工艺受限，因此测量的割缝横缝宽度并不能保证相等，横缝宽度如表2所示。

柔性壳筒体结构如图1所示。柔性壳的约束方式为一端固定，一端球铰，割缝上端施加轴向载荷试验如图2所示。各个割缝的布置如图3所示。

表1 柔性壳结构实测参数

表2 柔性壳横缝宽度 mm

a 主视图 b 剖面图

图1 柔性壳筒体结构

图2 柔性壳压缩试验

图3 柔性壳各缝布置

1.2 室内试验

在柔性壳两端铰支的情况下，对柔性壳做了3次轴向压缩试验，柔性壳割缝的闭合程度随载荷的变化如表3。

表3 柔性壳割缝闭合程度随载荷变化

由表3可知，柔性壳4个割缝的闭合顺序依次为4号缝、1号缝、2号缝、3号缝。由于边界条件的影响，施加载荷端的4号缝先开始闭合，而1号割缝缝宽最小因而随之闭合，3号割缝缝宽最大，所以最后闭合。

2 有限元模型

2.1 有限元模型的建立

在超短半径水平井钻进过程中，柔性壳在钻压作用下可单向弯曲且不旋转，主要传递轴向载荷，并承受剪力和弯矩作用。为了更合理地验证模型的准确性，需要建立局部模型。

考虑柔性壳缝间接触沿缝的宽度和缝的圆周方向呈随机分布状态，用混合法或直接迭代法都难以求解。因此，在实体单元缝间处构造了“多向接触摩擦间隙元”，简称间隙元[8]，该间隙元可以位于实体单元缝间处的任意位置，它不仅能正确、方便地描述出柔性壳与井壁的接触摩擦状态，而且还能使细长柔性壳的总体刚度矩阵奇异性得到解决。

柔性壳主要由筒体组成，取四节柔性壳为研究对象，考虑4个横缝之间的面面接触，利用ANSYS有限元软件采用solid185实体单元，按照表1、表2和图3，建立柔性壳力学模型及有限元模型分别如图4～5所示。施加的边界条件为：柔性壳底端全约束，在柔性壳顶端施加轴向压力载荷，柔性壳缝间接触摩擦边界。

图4 柔性壳力学模型

图5 柔性壳有限元模型

2.2 仿真模拟结果

根据建立的仿真模型，通过计算得到各个缝间的相对位移，结果如表4所示。数值模拟的割缝闭合顺序分别为4号缝、1号缝、2号缝和3号缝，数值模拟的顺序，闭合时的载荷分别为10.1、12.2、12.6和13.7 kN。由于4号缝的缝宽最小，3号缝的缝宽最大，而载荷从上端施加又受到边界条件的影响，因此数值模拟的闭合顺序也比较合理。

表4 柔性壳割缝闭合程度及相对位移 mm

3 室内试验和仿真模拟对比

试验数据和数值模拟仿真数据对比如表5所示。经过对比计算出两者之间的误差。

表5 柔性壳割缝闭合试验值和数值模拟值对比

由表5可见，4个缝闭合的顺序与数值模拟相同。将各缝闭合时的载荷数值模拟和试验结果比较，其中2、4号缝误差较小，1、3号缝误差较大，最大误差为16.2%。总体来说，缝闭合时的载荷数值模型和试验结果比较吻合。因此，用仿真模拟的方法建立局部模型是合理的。

4 结论

1) 通过对柔性壳做室内压缩试验，得到了柔性壳的割缝闭合顺序和闭合时相对应的载荷。

2) 通过测量现有结构的柔性壳各个参数，考虑柔性壳缝间接触，建立了柔性壳局部非线性有限元模型，计算得到了柔性壳的割缝闭合顺序和闭合时相对应的载荷。

3) 将柔性壳的试验数据和仿真数据进行对比，比，得出两者闭合顺序一致，闭合时的载荷误差相差不大，这种建模方式可以合理地描述柔性壳受压后的载荷，为工程应用提供了有效的数据支持。

[1] 汪孟洋，龙飞，何沛，等.超短半径水平井轨迹控制技术[J].断块油气田，1998，5(2)：62-66.

[2] Abdullah S H，David L P.Ultra Short Radius Drilling Trials in PDO[R].SPE 81410，2003.

[3] 纪家源，牛润琴，强杰，等.如何提高柔性钻具强度的探讨[J].石油钻采工艺，1995，17(6)：13-18.

[4] 程汝才，张书明，贾振尧，等.一种水平钻井用柔性钻具：中国，CN99216401.X[P].1999-07-09.

[5] 聂荣国，石晓兵，陈平，等.柔性钻具组合防斜钻快的强度分析[J].石油矿场机械，2006，35(4)：26-29.

[6] 刘衍聪，岳吉祥，陈勇，等.超短半径径向水平井转向机构仿真研究[J].中国石油大学学报，2006，30(2)：86-89.

[7] 罗敏，赵厦，吕丰，等.超短半径水平井柔性壳力学分析及强度评价[J].石油矿产机械，2013，42(6)：31-35.

[8] 刘巨保.间隙元在钻柱接触非线性力学分析中的应用[J].力学与实践，2003，25(6)：45-47.

The Simulation of Flexible Shell in Ultra-short Radius Horizontal Well

LIU Yuan，ZHAO Xia，JI Feng，LIANG Sheng

(Lanpec Technologies Limited，Lanzhou 730070，China)

Flexible shell has a guiding role and its strength will directly affect the drilling success in ultra-short radius horizontal well.So the establishments of a reasonable simulation model become one of the key structures of simulation.Because of the flexible slender structure of shell is slotted，the whole model for finite element analysis and indoor simulation test has certain difficulty.So this paper established a part，three-dimensional，contact nonlinear finite element model of shell，and gets the order of closed slot and the corresponding pressure.The flexible shell indoor compression test will be established.The test values were compared with the results of numerical simulation，and verify the rationality of the model.The results provide reasonable parameters for ultra short radius horizontal well.

horizontal well；flexible shell；finite element；simulation analysis

1001-3482(2016)12-0022-04

2016-06-07

刘 源(1987-)，男，上海人，现从事材料成型及控制方面技术工作。

TE921.2

B

10.3969/j.issn.1001-3482.2016.12.006