上世紀50年代 Lubinski最早提出鉆柱的屈曲模型，并采用能量法對直井中無重鉆桿屈曲問題進行了理論分析。國內白家祉等通過彎曲梁理論對轉盤鉆井底部鉆具組合進行了受力分析。當前，對底部鉆具組合穩定性分析方法主要有兩種，即將其作為線性的特征值問題或作為非線性的準靜態加載問題進行分析。本文依據BHA剛度弱化特點，采用線性特征值屈曲分析方法。

　　【摘 要】底部鉆具組合的穩定性受鉆壓、中和點位置、鉆具組合方式等因素的影響。本文用ANSYS特征值屈曲分析方法仿真計算底部鉆具組合的穩定性。結果表明，該方法可獲得底部鉆具組合的屈曲分叉點位置及載荷因子;鉆井過程中底部鉆具組合鉆壓大小可以通過改變中和點位置調控;可以通過調節扶正器的安放位置及數量改變底部鉆具組合臨界載荷，增強穩定性。

　　【關鍵詞】學術論文發表,底部鉆具組合,屈曲分析,中和點位置,扶正器,穩定性

　　鉆井過程中，可通過增大鉆壓提高鉆井效率，一般所用鉆壓都超過常用鉆鋌的臨界鉆壓，如不采取有效措施，底部鉆具組合(Bottom Hole Assembly，即BHA)將失穩，形成軸向彎曲，即力學上所描述的結構屈曲(Bucking)。失穩后的BHA在鉆柱離心力作用下成正弦形或螺旋形，與井壁接觸點產生的摩擦力使鉆柱沿著井壁做反向公轉，縮短彎曲波長，加劇鉆具疲勞和磨損，同時造成井斜。故鉆井時，通過安放扶正器來增強BHA的穩定性。本文通過ANSYS仿真計算，優化配置鉆具組合中的扶正器，提高臨界載荷，合理增大鉆壓，實現防斜打快的目的。

　　一、原理方法

　　求解失穩問題，要先進行軸力作用下的靜力分析，再計算有靜力效應的模態分析。當模態振動的頻率為0時，即可獲得失穩載荷。用ANSYS進行屈曲分析時，要在Static模式下加載軸向力求解特征值，此時結構產生應力鋼化效應，抵抗橫向載荷能力降低。當軸向力為臨界載荷時，負的應力剛度超過線性結構剛度，產生結構屈曲(Buckling)。故直井中底部鉆具組合屈曲問題適用如下的特征值公式：

　　當載荷小于屈曲載荷時，結構的位移-變形曲線為線性關系，等于或大于屈曲載荷時，該曲線出現拐點，表現出非線性關系。此拐點為屈曲分叉點。通過特征值公式可以確定分叉點，仿真計算中結構的最大位移點為分叉點。由此知結構的屈曲載荷為載荷因子與載荷的乘積。在仿真計算中，若給定的載荷為單位載荷，特征值(FREQ)為屈曲載荷。在屈曲分析過程中考慮了鉆柱的自重與泥漿浮力，但此二力不是恒定的單位集中力，所以特征值只是載荷因子，結構的臨界屈曲載荷是載荷因子與鉆壓的乘積。實際工作中需要考慮安全系數。

　　用ANSYS進行屈曲分析具體方法如下：用PIPE16模擬鉆鋌，MASS21模擬鉆頭，定義實常數及材料屬性，建立節點―單元模型。選擇Static，并打開預應力選項。加載邊界條件、自重力、泥漿浮力等載荷計算靜力解。選擇Buckling，定義屈曲分析方法及載荷步求解特征值;進入后處理查看計算結果并分析。

　　二、實例分析

　　為了分析BHA在臨界失穩狀態下中和點的位置、臨界鉆壓、最大位移位置、最大應力位置，合理安防扶正器，下面通過算例進行分析。

　　(一)在鉆進過程中通過改變鉆壓的大小可改變中和點的位置，底部鉆具組合的載荷因子隨著中和點向鉆頭方向移動迅速增加，即臨界載荷增大，由此知可通過減小鉆壓保持底部鉆具組合的穩定性。

　　(二)3中在第四根9"鉆鋌前增加了扶正器3，該鉆具組合與算例中鉆具組合(1)在鉆鋌數量上基本一致，鉆壓基本相同;由表知3的載荷因子為 8.275，組合(1)的載荷系數為3.244，3的載荷因子是組合(1)的2倍多，由此知增加扶正器的數量能夠提高底部鉆具組合的臨界載荷。

　　(三)鉆具組合4和5 鉆壓相同，中和點位置基本一致，組合中扶正器位置安放不同，由表知4的載荷因子為9.743， 5的載荷因子為17.654，故優化配置扶正器位置可增加臨界載荷。同時由表可知編號6、7、8采用11"大鉆鋌鉆具組合，其抗彎性能遠遠高于9"鉆鋌的鉆具組合。

　　三、結論

　　通過ANSYS仿真分析可得如下結論：

　　(一)通過特征值(線性)屈曲分析方法仿真分析底部鉆具組合的穩定性可獲得其屈曲分叉點的位置及臨界載荷。

　　(二)同一底部鉆具組合可以通過調節扶正器的安防位置及數量改變其臨界載荷，增加穩定性。

　　(三)鉆井過程中底部鉆具組合鉆壓大小可以通過改變中和點位置調控，即其穩定性可以通過中和點位置調節。

　　參考文獻：

　　[1]Lub insk i A. A study o f the buckling of rotary drillingstr ing [ J] . Drilling and Production Practice， 1950： 178 -214.

　　[2]白家祉， 林小敏. 縱橫彎曲法對鉆具組合的二維分析[J]. 石油學報， 1985， 6( 3) ： 75- 83.

　　[3]劉峰， 王鑫偉. 直井中鉆柱非線性螺旋屈曲準靜態加載模型研究[ J]. 天然氣工程。2007， 1( 1) ： 64-67

　　[4]況雨春， 蔣建寧等. 下部鉆具組合穩定性有限元分析方法及應用[ J]. 西南石油大學學報， 2007， 6( 3) ： 118-121

　　[5]于永南，胡玉林.等.井眼中鉆柱穩定性分析的有限元法[J].石油大學學報(自然科學版).1998，22(6)：74―78.