【论文摘要】在水平径向钻进中，钻杆在其内部高压驱动下通过转向器由垂直方向向水平方向转向，在约0.3m最小曲率半径内发生大于90°的弯曲，而且转向轨迹是由多个参数描述的。对此，井运用ANSYS5.4软件完成了所设计的α、R、δ数值试验并对数值试验数据作了处理。分析表明，在其它转向轨迹参数不变的情况下，偏角α在所设计的范围内变动时，钻杆通过转向器的阻力波动较小；最小弯曲半径R在所设计的范围内变动时，钻杆通过转向器的阻力随着R的增大而减小；矫直偏量δ在所设计的范围内变动时，当δ＞0，随着δ的增大钻杆通过转向器的阻力Fz上升很快，而当δ＜0，阻力Fz随δ的减小下降较慢。
Analysis of parameters for swerving trajectory of drill pipe in horizontal holes.
Yi Songlin
(Jianghan Machinery Research Institute,Jingzhou City,Hubei Province)
Zhang Laibin,Li Xuehui,et al
The swerving trajectory of drill pipe in a horizntal hole is described by several parameters,incluing the rear inclination angle a,minimum curvature radius R and straightening deviation δ.a,R and δ were analyzed by using the software ANSYS5.4.The result of the analysis shows that,provided that the otaer parameters are constant,the resistance creases wt\ith the increase of R when R changes in the desing range; ifδ>0,Fz increases rapidly with the increase of δ,while δ<0,Fz decreases slowly with the decrease of δ.
Subject Concept Terms:horizontal well drill pipe swerving resistance trajectory parameter
探讨钻杆通过转向器所遇阻力与转向轨迹之间的关系，实际上是研究在某一转向轨迹下或不同转向轨迹下钻杆通过转向器的运动受力情况。然而，在水平径向钻进过程中，钻杆在其内部高压驱动下通过转向器由垂直方向向水平方向转向，在约0.3m的最小曲率半径内发生大于90°的弯曲，产生极强的塑性变形，并受多个滚轮同时作用，是一个极其复杂的受力过程［1］，而且转向轨迹是由多个参数描述的。对此，运用有限元软件ANSYS5.4对钻杆通过转向器的受力作近似计算，并根据试验设计计算出多条轨迹下钻杆通过转向器的阻力，从而探讨轨迹与阻力之间的关系。笔者将叙述钻杆转向轨迹参数中后偏角α、最小弯曲半径R和矫直偏量δ对钻杆通过转向器阻力的影响。
典型的转向器结构
图1为典型的转向器结构示意图。它是目前国内外比较普通的一种。以转换接杆为界，分为上、下两个部分，上部是转向器的操作机构（或称竖起机构、执行机构），下部是转向器的转向机构。执行机构保证转向器能自如完成送入、锚定、竖起、定方位、张紧、收拢、伸直和起出等动作。有机械式和液压式两种结构。转向机构保证竖起后的转筒组成的轨道能使钻杆顺利通过，并实现由垂直钻杆向径向钻杆的转变。转向机构包括转换接杆、转筒Ⅰ、转筒Ⅱ、转筒Ⅲ、转筒Ⅳ、提升侧板、提升销、滚轮、滚轮销轴和铰接销等零件。转换接杆和4个转筒以及提升侧板分别由销接销和提升销连接，并构成一个五连杆-滑块机构。当提升侧板(滑块)由执行机构上提时，由于各铰接销特有的位置，转筒朝指定方向偏离、竖起而不致于发生锁死现象。转换接杆下部和各转筒内部装有一系列滑轮，在转换接杆下部和各转筒横截面上，滑轮组成一个直径略大于钻杆外径的通道；当转向器竖起时，即当执行机构提动提升侧板，使各转筒竖起并于端面靠紧时，滑轮组成一个弯曲的通道供钻杆通过。通道中心线即为转向器内钻杆转向轨迹曲线。转筒Ⅳ的一个重要作用是使已弯曲的钻杆再水平地矫直过来，所以它也称作矫直器。
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图1 典型的转向器结构示意图
1—执行机构；2—转向机构；3—滚轮；4—0号转筒；5—钻杆；6—转向器；7—矫直器；8—钻头
转向轨迹参数化及几何参数计算
1.转向轨迹图形参数化
转向器中转向轨迹曲线无统一标准。图2为钻杆转向轨迹的一种典型设计。这种转向轨迹曲线是由二次曲线和一次曲线构成的连续光滑曲线，并由圆弧段R1、直线段L1、圆弧段R、反向矫直段Rj、直线段L2构成。 |
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图2 典型的钻杆转向轨迹
为了确定R1、L1、R、Rj、L2位置尺寸，以钻杆矫直时，轨迹的矫直偏量δ(如图2)作为矫直段L2的上下方向定位尺寸，而以宽度φ作为整个曲线的横向定位尺寸(这时设L2为未知)，而且设L1与纵向方向偏角为α，并以α为已知参数(设L1为未知)，这样，当δ＞0即钻杆往上偏时，转向轨迹曲线即由R1、α（L1）、R、Rj、δ、φ六个参数确定；而δ＜0即钻杆往下偏时，如图2b所示，转向轨迹曲线需要增加一个横向方向的定位参数k，才能确定Rj和L2的位置和大小；当δ＝0时，Rj不存在，转向轨迹由R1、α、R、φ四参数决定。
设钻杆通过转向器所需动力为Fz，则研究所需驱动力与转向轨迹之间的关系即为下列函数关系。
对于图2的情况：
当δ＞0时
Fz=φ(R1、(、R、Rj、δ、φ) (1)
其中，若设Rj为R与L2的最大外切圆半径，则Rj为相关变量。
当δ=0时
Fz=φ(R1、α、R、φ) (2)
当δ＜0时
Fz=φ(R1、α、R、Rj、δ、φ、k) (3)
其中，若设Rj为过点G与弧R和直线L2相切的圆，则Rj或k为相关变量［2］。
2.几何参数计算
在ANSYS几何模型的建立中，将采用Bottom up建模的方法确定钻杆的几何尺寸，并根据上述已知参数计算一些辅助参数。
（1）当δ＞0时，须计算出图2中的D1和D2及L1。D1为最小弯曲半径R的圆心到垂直井眼轴线的距离；D2则为R与矫直线段L2延长线的交点到平行于垂直轴线且过O点的直线的距离。由图2a可知
 (4)
Rj为R与L2的最大外切圆半径，其确定方法如下
 (5)
由以上方程组可以解出Rj和γ1的大小，这样，在R1、α、R、Rj、δ、φ已知的情况下，可以很方便地确定转向轨迹曲线。
（2）当δ＜0时，如图2b所示，L1、D1的确定方法同上，Rj为过D点与直线段L2和圆弧R相切的圆弧，确定方法如下
 (6)
由以上方程组可以解出Rj和γ2的大小。这样，在R1、α、R、Rj、δ、φ、k已知的情况下，可很方便地确定转向轨迹曲线。
α、R、δ的数值试验
1.数值试验设计与计算
（1）α的数值试验设计和计算 转向器转筒I的偏角是转向器设计中钻杆通过阻力方面具有争议的参数。转筒I的偏角近似于图2中直线段L1与垂直方向偏角α，所以以偏角α作为转筒I的偏角。
α的确定原则通常需要考虑三个因素：一是转向器整体刚度和强度的影响；二是对钻杆通过转向器的阻力影响；三是扩孔高度的影响(主要是生产成本)。经反复综合对比，确定在α＜15°和α＞40°范围内对α进行单元数值试验，取中心点α=28°。试验设计和数值计算见表1。
表1 转筒I偏角α的试验设计和数值计算 |
| 序号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
| α(°) |
18.28 |
20.64 |
23.0 |
25.5 |
28.0 |
30.5 |
33.0 |
35.36 |
37.72 |
| L1(mm) |
747.3 |
614.4 |
503.3 |
402.7 |
314.9 |
236.7 |
165.7 |
104.0 |
46.3 |
| Fz(kN) |
9.42 |
9.52 |
9.61 |
9.16 |
8.70 |
8.29 |
9.59 |
9.47 |
9.35 |
注：其它主要参数值R=300mm，δ=0(零水平试验值)，
D1=0，D2值不存在，L1根据式(4)计算。
(2)R的数值试验设计与计算 钻杆通过转向器时的最小弯曲半径R的确定原则，通常应考虑扩孔直径φK、矫直段长度和钻杆材料特性等因素。分析表明，扩孔直径越大，R可以越大，也有利于钻杆通过转向器，但扩孔直径越大，施工成本越高。在相同的扩孔直径下,R与矫直段长度呈反向增长。考虑国内目前对Z5型转向器竖起后横向尺寸的要求并参考国外R的取值，决定在R=300mm附近对R进行数值模拟试验。试验设计和数值计算见表2。
表2 最小弯曲半径R的试验设计和数值计算 |
| 序号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
| R(mm) |
178.5 |
209.3 |
240.0 |
270.0 |
300.0 |
330.0 |
360.0 |
390.8 |
421.5 |
| L1(mm) |
345.2 |
337.5 |
329.9 |
322.4 |
314.9 |
307.4 |
319.9 |
329.3 |
284.6 |
| D1(mm) |
-121.5 |
-90.7 |
-60.0 |
-30 |
0 |
30 |
60 |
90.8 |
121.5 |
| Fz（kN） |
13.56 |
12.54 |
11.51 |
10.11 |
8.70 |
8.29 |
7.88 |
6.96 |
6.04 |
注：零水平试验点值α=28°，δ=0保持不变。L1、D2
根据式(4)算得。
(3)δ的数值试验设计与计算 如图2a所示，转向器的最小弯曲半径R的最低点G到矫直器直线段L2的垂直距离，定义为钻杆的矫直偏量δ，并取由G点向上的距离为正值，由G点向下的距离值为负值。矫直偏量δ受影响的因素较多，先导试验证明：δ若发生毫米级的变化，都将对钻杆伸出后的矫直或钻杆通过转向器的阻力有较大的影响。在矫直过程中，Rj和L2的长度实际上起一定的作用，但为了使问题简化，在此不单独考虑Rj和L2的变化情况，只作如下处理：在δ＞0时，设Rj为与直线段L2和最小弯曲半径R弧的最大外切圆弧；L2的长度为已知的φ减去R弧、Rj弧段在水平方向的投影。当δ＜0时，如图2b所示，在φ、δ、R已知的情况下，使直线段GD=k为一定值时，Rj、L2即可根据式（6）确定。为此，围绕着δ=0这一中心试验点，对δ作表3的试验设计和数值计算［3～5］。
表3 矫直偏量δ的试验设计和数值计算 |
| 序号 |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
| δ(mm) |
－3.65 |
-2.72 |
-1.8 |
-0.9 |
0 |
0.9 |
1.8 |
2.72 |
3.65 |
| D2/k(mm) |
/50.0 |
/50.0 |
/50.0 |
/50.0 |
- |
25.2/ |
32.8/ |
39.7/ |
46.62/ |
| Fz(kN) |
8.48 |
8.49 |
8.49 |
8.60 |
8.70 |
10.12 |
11.54 |
12.31 |
13.09 |
| 注：零水平计算点R=300mm，α=28°不变，D2可由式(4)确定。
2.数据处理
将表1、表2、表3的试验值分别作成Fz－α、Fz－R、Fz－δ曲线图，如图3所示。 |
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图3 α、R、δ与阻力之间的变化曲线
由图3中a、b、c曲线可以看出，Fz－α曲线为一条近似平行横坐标轴的直线，Fz－R曲线则为一条近似斜直线，而Fz－δ则为一条近似抛物线(或指数函数)。
由Fz－α曲线可以看出，偏角α的改变几乎不改变钻杆通过转向器的阻力Fz，所以，若以偏角α的改变来获得阻力的减小不可取。
由Fz-R曲线知，最小弯曲半径R越大，钻杆通过阻力越小，所以应尽量提高R值来减小阻力Fz。
由Fz-δ曲线可知，当δ＞0时，随着δ的增大Fz上升很快，因此，使用δ＞0矫直钻杆时，δ应尽量小。而当δ＜0，阻力Fz随δ的减小下降较慢，说明在δ＜0的范围内寻找矫直轨迹对阻力值影响不大。
易松林，工程师，生于1965年，1988年毕业于江汉石油学院矿机专业，1999年获石油大学（北京）工学硕士学位，现从事石油机械科研工作。地址：（434000）湖北省荆州市。电话：（0716）8213549-279（办）8245008（宅）。
易松林（江汉机械研究所）
张来斌（石油大学.北京）
李雪辉（江汉机械研究所）
周立人（江汉机械研究所）
陈秉衡（江汉机械研究所）
许守凡（辽河石油勘探局）
参 考 文 献
［1］易松林，周立人，李雪辉等.水平径向井钻杆通过转向器的工况分析.石油机械，1998，26（9）：46～48
［2］张铁茂，丁建国.试验设计与数据处理.北京：兵器工业出版社，1990：47～268
［3］傅子智译.工程分析中的有限元.（美）巴斯K.J.Finite Element Method in Mechanical Analysis. 北京：机械工业出版社，1996：231～282
［4］廖新祥，王 毅，揭金良等.实用工作站计算机技术.成都：电子科技大出版社，1996：1～238
［5］史艳国，胡金华，子惠学等.奥迪轿车门竖框拉弯成形过程数值模拟.见：有限元在工程中的应用——’98ANSYS中国用户年会论文集(上册).西安：陕西师范大学出版社，1998：58-62
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