气体钻井钻具热—应力数学模型分析

气体钻井钻具热—应力数学模型分析
针对钻柱的频繁失效，提出了热因素对钻具失效的影响原因。

建立了钻具热-应力数学模型，在此基础上分析了热产生的应力对钻具的影响。

通过ABAQUS 仿真分析了不同温度场下对钻具的应力影响。

分析表明：热积聚因素作为引起钻柱失效的一个很重要因素，不容忽视。

标签：气体钻井；热-应力；热积聚；仿真分析
气体钻井钻柱的失效主要是由钻柱的振动、地层条件、循环物质的性质、热因素造成的[1，2]。

然而，现在很少有人将热因素对钻柱失效的影响进行分析。

许多实际工程问题中，由于温度的影响而使结构产生过大的热应力，因而产生破坏性效果时有发生。

分析由温度引起的应力（热应力）有着十分重要的意义。

所以，在气体钻井中，热积聚因素作为引起钻柱失效的一个很重要因素，不容忽视。

1 模型的建立
建立钻具热-应力数学模型时，我们做如下假设[3]：因钻柱与井壁碰撞摩擦过程很短暂，所以忽略气体循环介质所带走的热量；钻柱与井壁的动摩擦系数为常数。

钻柱与井壁摩擦接触面上的热流密度为：
式（1）中，？椎为单位时间内通过某一给定面积的热量，w；A为导热面积；q为单位时间内通过单位面积的热流量，w/m2。

将钻柱与井壁碰撞摩擦面简化为一微小平面，其面积为S，则此面积上的摩擦力矩为：
2 钻具热因素失效的力学分析
2.1 基本原理
研究物体的热问题包括两方面的内容[4]：（1）传热问题的研究：确定温度场；（2）热应力问题研究：在已知温度场的情况下确定应力应变。

实际上，这两个问题是相互影响和耦合的，但是在大多数情况下，传热问题所确定的温度将直接影响物体的热应力，而后者对前者的耦合影响不大，因而可将物体的热问题看成是单向耦合过程，可分为两个过程来进行计算。

在一定的条件下，热应力会导致结构产生很大的热变形，直至结构破坏。

热应力计算原理为：
当物体各部分温度发生变化时，物体将由于变形而生产线应变αT（Φ-Φ0），其中αT是材料的线膨胀系数，Φ是弹性体内任一点瞬时的温度值，Φ0是初始温度值。

如果物体各部分的热变形不受任何约束时，则物体有变形而不引起应力。

但是，物体由于约束或各部分温度变化不均匀，热变形不能自由进行时，则在物体中产生应力。

物体由于温度变化而的应力称为热应力或温度应力。

物体由于热膨胀只产生线应变，剪切应变为零。

这种由于热变形产生的应变可以看作是物体的初应变。

计算热应力时，只需算出热变形引起的初应变，求得相应的初应变引起的等效节点载荷p0ε（简称为温度载荷），然后按通常求解应力一样解得由于热变形引起的节点位移，然后可由节点位移求得热应力。

2.2 热应力问题中的物理方程
3 有限元仿真分析
3.1 数据准备
3.2 热-应力仿真分析
4 结束语
4.1 钻柱与井壁的摩擦碰撞使得摩擦副温度升高，热膨胀会使表面的摩擦和磨损剧增，而磨损的结果必然导致间隙的增大。

热变形和热弹性会引起温度应力影响接触区内的应力分布。

4.2 气体钻井中钻具与井壁剧烈碰撞摩擦后，损失的机械能量将转化为热能，加上气体介质携热能力差，钻进一段时间后，钻具本体温度升高，产生热应力，在与井壁剧烈碰撞摩擦的钻具局部，其瞬时积聚的热量更多，产生的热应力更大。

4.3 气体钻井过程中，钻柱与井壁的摩擦碰撞使钻柱受到的加载速度很快，受到的冲击也很快，钻柱的脆性破坏倾向显著增加。

参考文献
[1]祝效华，童华，刘广川.气体钻井钻具断裂机理分析[J].石油矿场机械，2008，37（1）：5～8.
[2]罗整，徐忠祥，李晓慧等.空气锤钻井技术在气体钻井中的应用[J].钻采工艺，2007，30（6）：9～15.
[3]陈国金，殷小亮，龚友平，尹鹏.离合器摩擦片的热-应力耦合分析[J].机电工程，2008，25（12）：100-102.
[4]石亦平，周玉蓉.ABAQUS有限元分析实例详解[M].机械工业出版社，2007.。