이론적 계산에 따르면, 단일 드릴 기둥의 허용 깊이는 제한되어 있으며, 종종 깊은 우물과 초깊은 우물의 요구 사항을 충족시킬 수 없습니다. 드릴 스트링의 허용 깊이를 높이기 위해 드릴 스트링의 구성을 변경하여 아래쪽 드릴 스트링의 무게를 줄일 수 있습니다. 깊은 우물, 초깊은 우물 복합 드릴 기둥은 일반적으로 서로 다른 사양 (위쪽 및 아래쪽), 같은 규격의 벽 두께 (위쪽 및 아래쪽), 다른 강철 (위쪽 및 아래쪽) 또는 다른 재질 (위쪽 강철, 아래쪽 알루미늄) 의 드릴 파이프로 구성됩니다. 이 드릴 기둥 구조는 단일 사양 및 크기의 드릴 기둥에 비해 많은 장점이 있습니다. 강도 요구 사항을 충족시킬 수 있을 뿐만 아니라 전체 드릴 기둥의 무게를 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 기존 드릴의 하중 용량에서 더 큰 우물 깊이까지 드릴할 수 있습니다. 드릴 기둥에 작용하는 힘은 당기기, 압력, 굽힘 모멘트, 토크 등과 같이 복잡합니다. , 하지만 자주 작용하고 값이 큰 힘은 장력입니다. 따라서 조립품 드릴 기둥 설계에서는 인장 계산을 위주로 한 다음 특정 설계 안전계수를 통해 드릴 프로세스의 동적 하중과 같은 응력을 고려해야 합니다.
4.3.1..1설계 매개변수
과학 초깊은 우물 13000m 드릴 기둥 설계의 경우 관련 설계는 주로 기존 기술을 기반으로 합니다. 드릴 파이프 재료로 심화, 깊이 연구 및 알루미늄 드릴 기둥 설계를 보조합니다. 핵심 기술 문제와 결합하여 합리적인 건의를 하고, 드릴 기둥 설계 방안의 다양화, 즉 대안을 제시하다. "과학 초심도 시추 기술 방안 사전 연구" 프로젝트의 전반적인 기술 방안은 다음과 같다.
1) 목표 우물 깊이:13000m; 을 눌러 섹션을 인쇄할 수도 있습니다
2) 최종 조리개 ≥ 152mm, 코어 직경 ≥ 70mm;
3) 전체 구멍 코어 링 속도: 5%;
4) 지층:
5) 최대 우물 온도: 400℃;
6) 코어 수확률: 원뿔 중심 40%, 다이아몬드 중심 80%;
7) 울트라 딥 우물 구조 및 전선관 절차는 표 4. 13 에 나와 있습니다.
4.3. 1.2 세그먼트당 드릴 스트링 길이 결정
(1) 드릴 칼라 길이 결정
일반 드릴 기둥은 드릴 칼라 기둥과 상부 드릴 기둥으로 구성됩니다. 각 드릴 기둥의 길이를 결정하기 전에 드릴 칼라 드릴 기둥의 길이를 결정합니다. 그 원리는 중간 및 점이 드릴 칼라 기둥 내에 있으며 다음 공식을 사용하여 계산할 수 있다는 것입니다.
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
형식 중: Lc 는 드릴 칼라 길이, m; Pmax 는 최대 WOB, n; Sn 은 안전계수입니다. Qc 는 공기 중 드릴 칼라의 단위 길이의 무게, n/m 입니다. Kf 는 부력 계수입니다.
(2) 각 드릴 파이프의 길이 결정
각 드릴 스트링의 길이는 아래에서 위로 결정해야 합니다. 드릴 칼라 위의 첫 번째 드릴 기둥의 최대 길이 L 1 은 다음 공식에 따라 결정됩니다.
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
형식 중: L 1 첫 번째 드릴 기둥의 최대 길이, m; Pa 1 첫 번째 드릴 스트링의 최대 허용 정적 인장 하중, n; Q 1 첫 번째 드릴 파이프의 미터 당 무게, n/m
복합 드릴 스트링의 경우 각 드릴 파이프의 최대 설계 길이가 있으므로 두 번째, 세 번째 및 네 번째 세그먼트의 길이는 다음 공식에 따라 계산됩니다.
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
형식 중: Pa2, Pa3, Pa4 는 각각 두 번째, 세 번째, 네 번째 드릴 기둥의 최대 허용 정적 인장 하중, N; Q2, Q3 및 Q4 는 각각 두 번째, 세 번째 및 네 번째 드릴 기둥의 미터 당 무게, n/m 입니다. α는 조인트를 고려한 후 드릴 파이프의 질량을 증가시키는 계수로, 조인트 연결 α= 1.05, 커플링 α= 1. 1 입니다.
4.3. 1.3 울트라 딥 우물 드릴 스트링의 과학적 설계
과학 울트라 딥 우물 설계 깊이 13000m, 드릴링 유체 밀도 1.50g/cm3, 드릴 크기 2 15.9mm, 설계 최대 WOB 200 kn, 드릴
이 설계에는 네 가지 방안이 있는데, 방안 1 을 예로 들다. 이 설계 시나리오에서 드릴 기둥은 평평한 구조이며 드릴 파이프의 사양 선택은 API 표준을 기반으로 합니다. 즉, 드릴 기둥 설계는 기존의 성숙한 기술 조건 하에서 수행됩니다.
(1) 드릴 칼라 길이를 결정합니다
158.8mm 드릴 칼라, 내경 7 1.4mm, qc= 12 10.89N/m,
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
(2) 첫 번째 드릴 스트링의 길이
드릴 칼라 상단 표면 127.0mm, 벽 두께 7.52mm, qc=22 1.6N/m, 설계 계수에 따라 계산된 최대 허용 정적 인장 하중은 P 1 입니다
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
P1>; 따라서 P2 첫 번째 섹션 127.0mm 드릴 파이프의 아래쪽 길이는 P2 에 의해 결정됩니다.
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
(3) 두 번째 드릴 스트링의 길이
첫 번째 드릴 스트링 위 표면 127.0mm, 벽 두께 9. 19mm, qc=267.0N/m, 설계 계수에 따라 계산된 최대 허용 정적 인장 하중은 p/kloc-0 입니다
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
P1>; 따라서 P2 두 번째 세그먼트 127.0mm 드릴 파이프의 아래쪽 길이는 P2 에 의해 결정됩니다.
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
(4) 3 단 드릴 스트링 길이
두 번째 드릴 위 표면 127.0mm, 벽 두께 10.92mm, qc=3 12.6N/m, 설계 계수에 따라 계산된 최대 허용 정적 인장 하중은 다음과 같습니다
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
P1>; 따라서 P2 의 세 번째 세그먼트 127.0mm 드릴 파이프의 아래쪽 길이는 P2 에 의해 결정됩니다.
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
(5) 네 번째 드릴 스트링의 길이
세 번째 드릴 위 표면 127.0mm, 벽 두께 12.70mm, qc=358.0N/m, 설계 계수에 따라 계산된 최대 허용 정적 인장 하중은 P 1 입니다
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
P 1
따라서 섹션 iv 127.0mm 드릴 파이프의 분권화 길이는 P 1 에 의해 결정됩니다.
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
(6) 다섯 번째 드릴 스트링의 길이
네 번째 드릴 위 표면 139.7mm, 벽 두께 12.70mm, qc=397.8N/m, 설계 계수에 따라 계산된 최대 허용 정적 인장 하중은 p/kloc-0 입니다
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
P 1
따라서 다섯 번째 단락 139.7mm 의 드릴 파이프 길이는 P 1 에 의해 결정됩니다.
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
표 4. 1300 m 초심강 드릴 설계 1-4 를 참조하십시오.
표 4.1313000m 울트라 딥 우물 구조 및 전선관 절차
표 4. 14 강철 드릴 파이프 성능 매개변수 테이블
표 4.1513000m 울트라 딥 스틸 드릴 설계 (시나리오 1)
표 4.1613000m 울트라 딥 우물 강철 드릴 설계 (시나리오 2)
표 4.1713000m 울트라 딥 스틸 드릴 설계 (시나리오 3)
표 4.1813000m 울트라 딥 스틸 드릴 설계 (시나리오 4)
4.3.2 조합 계획의 유한 요소 최적화 해석
관련 문헌에서 볼 수 있듯이 드릴 기둥의 전체 역학 성능을 분석하는 두 가지 방법이 있습니다. 즉, 전체 드릴 기둥과 샤프트 벽 사이의 충돌 접촉 분석을 계산하기 위해 주로 3D 로드 단위를 사용합니다. 3D 파이프 셀은 주로 전체 드릴 기둥이 우물 밑에서 내부 및 외부 드릴링 유체 정수압을 견딜 때의 응력과 변형을 분석하고 고려하는 데 사용됩니다. 어느 쪽이든 두 개의 노드가 있는 1 차원 요소, 즉 공간의 1 차원 선 요소에 속합니다. 각 셀에는 각각 6 개의 자유도가 있는 두 개의 노드가 포함되어 있습니다 (그림 4.9 는 2 노드 공간 튜브 셀의 노드 변위 및 노드 힘 제공). 즉, 6 개의 넓은 의미의 변위와 6 개의 넓은 의미의 힘:
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
여기서 ui, VI, wi 는 각각 로컬 좌표계에서 노드 I 의 세 방향에 대한 선형 변위입니다. 세타 XI, 세타 YI 및 세타 ZI 는 각각 노드 I 의 세 축을 중심으로 한 단면 회전 각도 변위입니다. θxi 는 횡단면의 비틀림입니다. θyi 및 θzi 는 각각 xz 및 xy 좌표 평면에서 횡단면의 회전입니다. Nxi 는 노드 I 의 축 방향력입니다. Nyi 및 Nzi 는 xy 및 xz 평면에서 노드 I 의 전단력입니다. Mxi 는 노드 I 의 횡단면에 대한 토크입니다. Myi 및 Mzi 는 각각 xz 및 xy 평면에서 노드 I 의 굽힘 모멘트입니다.
그림 4.9 2 노드 공간 파이프 장치
파이프 셀의 단면 영역이 a, xz 평면 내의 단면 관성 모멘트가 Iy, xy 평면 내의 단면 관성 모멘트가 Iz, 셀의 비틀림 관성 모멘트가 j 라고 가정합니다. 따라서 길이는 l 이고, 재질의 탄성 계수와 전단 계수가 e 와 g 인 2 노드 공간 로드 셀의 단위 로컬 좌표계에서 강성 행렬 Ke 는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
과학 울트라 딥 드릴링 기술 프로그램 예비 연구 특별 결과 보고서 (제 1 부)
4.3.2. 1 조합 시나리오 정적 유한 요소 해석
4 개의 드릴 기둥 조합 시나리오 (표 4. 15 ~ 표 4. 18 참조) 에 대한 인장, 비틀림, 인장 및 굽힘 성능의 유한 요소 분석을 수행하여 다양한 조건에서 각 드릴 기둥의 변형 및 응력 분포를 결정하고 드릴 군 복무를 결정합니다
(1) 기본 가정
드릴 기둥을 모델링할 때 다음과 같은 기본 가정을 했습니다. ① 드릴 기둥은 항상 원형 단면을 유지하고 재질 특성은 그대로 유지됩니다. ② 드릴 스트링에 대한 나사 조인트의 영향을 무시합니다.
(2) 단위 선택
Abaqus 에서 드릴 기둥의 셀 유형은 Pipe3 1 셀, 즉 3d 선형 파이프 셀을 선택합니다. Pipe3 1 은 3 차원 선형 (선형) 파이프 단위, 특수 빔 단위, 1 차원 단위입니다. 이 셀은 신축, 압축, 비틀림 및 굽힘뿐만 아니라 파이프의 내부 및 외부 압력과 마찰 저항도 시뮬레이트합니다.
(3) 드릴 스트링 모델
다음은 1 중간 조합 드릴 기둥 모델의 예입니다.
그림 4. 10 에서 상향식은 φ 158.8× 43.70 mm 드릴 칼라 (빨간색, 245m), φ127.0 입니다 265438+438m), φ 127.0× 10.92mm 드릴 파이프 (보라색,183/kloc-0
(4) 경계 조건
실제 작업 조건에서 상단 장치는 전체 드릴 기둥에 대해 전달과 고정이라는 두 가지 역할을 합니다. 특정 방향으로의 해당 동작이나 회전을 제한해야 다른 방향으로 더 나은 전동 효과를 얻을 수 있기 때문에 맨 위 드릴 기둥에서 단면의 경계 조건을 공간 고정 끝 구속조건으로 단순화하십시오. 즉, 끝점에 변환 자유도 3 개 UX, uy, uz 및 회전 자유도 3 개 Rx, ry, Rz 가 더 적합합니다.
드릴 칼라의 맨 아래 횡단면에 대한 측면 변위는 드릴링과 드릴링에 관계없이 항상 작고 다른 자유도는 구속되지 않으므로 드릴 칼라 끝의 경계 조건은 횡단면만 구속하는 자유도 UX, uz 로 단순화됩니다 (그림 4. 10).
그림 4. 10 복합 드릴 스트링 모델 맵
(5) 초기 하중
복합 드릴이 어떤 상황에 처해 있든 간에, 반드시 자신의 중력, 시추 유체 부력, 시추 유체가 내외벽의 정수압에 영향을 받을 것이다.
1) 중력 [그림 4.11]: 중력 밀도 ρ g (ρ는 드릴 파이프 밀도, g 는 중력 가속도, 9.8m/s2
2) 부력 [그림 4.11]: 압력 농도 ρfgh(ρf 는 드릴링 유체 밀도,1.5g/cm3 H--로컬 좌표계 (r, t, z) 의 z 값은 다른 단면의 드릴 스트링 연결 단면에서 작동합니다.
3) 내부 및 외부 압력 [4.11]: 드릴 스트링 내부 및 외부 표면에 작용하는 압력 세트 ρfgh.
그림 4. 1 1 부하 다이어그램
(6) 근로 조건
당기기, 즉 드릴 파이프 전체가 위로 올라가는 가속도 6m/s2, 즉 아래로 관성력을 가합니다. Y 축 드릴 파이프를 따라 저항을 가합니다.
토크, 5000n·m 의 토크는 드릴 칼라 하단의 횡단면에 적용됩니다.
스트레칭 및 비틀 때 드릴 칼라 밑면의 횡단면에 5000n·m 의 토크를 적용합니다. 드릴 압력 200kN.
구부리고 드릴 칼라 하단의 횡단면에 5000n·m 의 z 방향 힘 짝수 모멘트를 적용합니다.
(7) 분석 결과
드릴링 스트링에서 드릴링하는 것이 가장 위험합니다. 정적 관점에서 볼 때, 드릴링 중 암석 파괴에 필요한 토크 하중은 드릴 스트링의 손상에 대해 무시할 수 있습니다. 드릴 스트링의 가장 위험한 부분은 나사 조인트의 접합부, 특히 동일하지 않은 단면의 스레드입니다.
드릴 기둥의 실제 작업 조건에 따라 조합된 드릴 기둥의 중간 및 아래쪽 드릴은 강도가 작은 파이프와 단면면적이 작은 드릴 파이프를 선택할 수 있습니다. 그러나 역학 관점에서 볼 때 아래쪽 단면면적이 큰 파이프를 선택하면 소용돌이치는 동안 드릴의 최대 측면 변위를 줄여 드릴이 우물 벽과 충돌할 때의 양수 압력과 마찰력을 줄여 드릴의 측면 힘을 더욱 높일 수 있습니다.
네 가지 드릴 기둥 조합 시나리오의 극한 깊이 분석에서 볼 수 있듯이 네 가지 드릴 기둥의 극한 깊이 차이는 약 65438 0% 이며, 종합 응력 값은 매우 가깝기 때문에 네 가지 시나리오의 재질 소비를 한 가지 측면으로 판단해야 합니다. 동시에, 유정 기계의 동력 소비와 드릴 다운 효율을 고려하여 시나리오 4 가 최선의 선택입니다 (표 4.19; 그림 4. 12 ~ 그림 4. 19).
표 4. 19 시추가 상승할 때 조합된 드릴 기둥의 극한 가속 및 상승력
그림 4. 12 드릴링 중 각 세그먼트의 축 방향력이 가속에 따라 변경됩니다.
그림 4.13 5000n m 토크 하의 전단 응력 분포
그림 4. 14 15rad/s 드릴 파이프 등가 응력 분포
그림 4. 15 200kN 드릴 파이프의 200 KN WOB 에서의 등가 응력 분포
그림 4.16 5000N M 인형과 50kN WOB 아래의 측면 변위 곡선입니다.
그림 4.17 5000n m 짝수 모멘트 및 100kN WOB 아래의 측면 변위 곡선
그림 4.18 5000n m 짝수 모멘트 및 150kN WOB 아래의 측면 변위 곡선
그림 4.19 5000N M 인형과 200kN WOB 아래의 측면 변위 곡선입니다.
4.3.2.2 드릴 스트링 길이 최적화
φ 127× 7.52 mm 드릴 파이프를 예로 들어 1m 과 2m 입근으로 구성된 드릴 스트링의 세 가지 조건에서 힘 특성을 분석하여 서로 다른 조건에서 드릴 스트링의 응력 분포를 구합니다. 따라서 드릴 파이프 길이에 따른 세 가지 기본 하중 하에서 드릴 스트링 응력 분포의 변화를 조사할 수 있습니다. 유한 요소 해석에서 볼 수 있습니다.
1) 그림 4.20 ~ 그림 4.22 에서 볼 수 있듯이 1m 긴 단일 및 2m 긴 단일 가닥은 인장, 비틀림 및 굽힘 하중 하에서 응력 분포 상태가 정확히 일치합니다.
2) 스레드는 드릴 스트링 연결에 없어서는 안 될 부분이며 가장 약한 부분이므로 나사 조인트의 수는 가능한 한 적어야 합니다.
3) 드릴 파이프의 입관 길이는 운송, 하역, 사용 편의성 등에 따라 결정되어야 합니다.
4) 선택한 드릴 파이프 기둥 길이에 대해 스레드 쌍을 최적화하여 스레드 연결구의 성능을 최대한 높여야 합니다.
그림 4.20 인장 상태에서의 등가 응력 분포
그림 4.2 1 비틀림 상태의 등가 응력 분포
그림 4.22 굽힘 상태에서의 등가 응력 분포
4.3.2.3 드릴 스트링의 다중 필드 커플 링 분석
(1) 유한 요소 모형
상속 및 사용 4.3.2. 1 에서 사용되는 모델 (재료, 경계 조건, 하중 및 메쉬 포함) 에 따라 두 가지 해당 변경 사항이 있습니다.
1) 재료 부분은 강철의 열팽창 계수를 고려하며1.2 ×10-5M/℃입니다.
2) 초기 하중 단계의 온도 필드 설정을 늘립니다. 즉, 상단 온도는 20 C 이므로 아래쪽 온도 그라데이션은 3 C/100M 으로 설정됩니다. .....
(2) 결과 분석
표 4.20 과 그림 4.23 에서 볼 수 있듯이, 우물 아래 온도의 변화는 전체 드릴 기둥의 응력 분포에 거의 영향을 주지 않으며, 서로 다른 드릴 기둥 접합면의 축 장력에 미치는 영향도 무시할 수 있습니다. 또한 온도는 그림 4.24 와 같이 드릴 스트링의 최대 상승 가속도에 거의 영향을 주지 않습니다. [온도를 고려할 때 5. 12m/s2 입니다. 온도를 무시하면 그림 4.16m/S2 와 같이 5.12 (d)] 입니다.
온도가 드릴 기둥에 미치는 영향은 표 4.20 과 같이 드릴 기둥의 축 길이 변화에만 반영됩니다. 이 추가 신장의 의미는 드릴 스트링 드릴링 중 드릴 칼라의 바닥에서 얻은 드릴링 압력이 이론적 예상치보다 훨씬 크다는 것입니다. 그러나 이 큰 WOB 가 드릴 파이프의 전체 안정성 및 진동 특성에 미치는 영향은 무시할 수 없습니다.
그림 4.23 드릴 스트링 등가 응력 분포
표 4.20 다양한 하중 하에서 드릴 스트링 연신율
그림 4.24 는 온도를 고려할 때 상승 가속도에 따라 장력의 변화를 고려합니다.