基于workbench的复杂条件下底部钻具组合疲劳寿命分析

1 分析背景

    近年来，随着钻井深度的增加以及各种钻井技术的迅速发展，对钻柱性能的要求越来越高。而且钻柱常在交变应力和井壁摩擦碰撞的恶劣条件下工作，使得钻柱成为旋转钻井设备中的薄弱环节。特别是在深井作业中及硬地层，容易发生失效事故，其中疲劳失效是主要的失效形式。计算钻柱疲劳寿命可以为钻柱使用和管理提供依据。由于钻柱的疲劳失效往往没有可以观察的预兆，事故通常会造成极大地经济损失。为此，有必要在钻柱的结构设计过程中利用仿真手段，对其进行疲劳分析，以便在研发的早期就发现设计中的不足，并寻求优化方案，降低事故危险。采用有限元方法建立模型，以实验数据为依据，运用ansys workbench 仿真分析平台对下部钻具组合（BHA）进行了疲劳特性分析，得到了疲劳寿命使用系数以及各种裂纹对应的疲劳寿命。

2 分析模型

2.1 模型的建立

    正钻井过程中钻柱在狭长的井眼内运动，受力十分复杂，本文主要研究受到轴向应力和扭转剪应力的情况下，下部钻具组合的疲劳寿命分析，图1 所示为其仿真模型图：

图 1 下部钻具组合的有限元模型

钻具基本结构尺寸为：

17.5''钻头（0.5m）+接头（0.5m）+ 钻铤（9m） 2 根+扶正器（2m）+ 钻铤（9m）1 根。钻压为5t，扭矩为5 。

2.2 参数的设置

在 ANSYS-Workbench 中Static Structural 下，设置求解参数。选择 insert/最大等效应力来寻找钻具峰值应力出现的位置。选择insert/fatigue tool 选项设置疲劳强度削弱系数为0.8；在分析类型中有Goodman（古德曼）、Gerber（杰柏）和Soderberg（索德柏格）三种，其中Goodman（古德曼）理论在疲劳设计中应用最广，所以本文选择Goodman 理论对疲劳寿命进行估计；在Fatigue Tool 中，选择insert/life、Damage、Safety Factor 选项，设置BHA的疲劳寿命、疲劳累积损伤系数和安全系数，设定设计寿命均为1.0e6 次循环。

3 疲劳分析及其结果

3.1 无裂纹的BHA 的疲劳分析结果

在 ANSYS Workbench 有限元分析软件中，按照以上简化模型和参数的设置，对下部钻具组合（BHA）的疲劳失效分析进行求解。

图 2 井下钻具组合的Mises 应力云图

                图 3 井下钻具组合的安全系数图

    在 Solution 的stress 中查看BHA 的应力云图。由应力云图2 可以看出，最大应力值出现在钻柱底部，与工程实际经验结论相符合。安全系数（Safety Factor）的定义是零件或构件所用材料的失效应力与设计应力的比值。如图3 所示，在Fatigue Tool/Safety Factor 中可查到的BHA 的疲劳安全系数为6 大于1，说明此钻柱是安全的。损伤（damage）结果是指设计寿命与可用寿命的比值。当损伤数值大于1 时，说明产生疲劳破坏，如图可知损伤的数值为0.00083，所以该BHA 是安全的。由图5 可知，该BHA 的在交变载荷作用下的疲劳寿命为1.2e+009 次。

图 4 井下钻具组合的损伤图

                  图5 井下钻具组合的寿命图

3.2 无裂纹的BHA 的疲劳分析结果

                图 6 不同裂纹随加载历史寿命的变化规律

    有初始裂纹的钻柱与无初始裂纹的钻柱，其破坏机理不同，疲劳寿命也不同；对有裂纹的钻柱，由于钻柱的初始裂纹形状不同，每种裂纹的应力强度因子不同，因此疲劳寿命也不同，尤其以表面线性裂纹的影响最大，所以应特别注意避免机械损伤钻柱的外表面。下面主要针对具有表面线性裂纹、深埋圆形裂纹、表面半椭圆裂纹和深埋椭圆裂纹的BHA进行了疲劳寿命的预测。

    由上图可以看出，表面线性裂纹的下部钻具组合（BHA）的疲劳寿命计算结果为3.09e+007 次；深埋圆形裂纹的BHA 的疲劳寿命计算结果为2.18e+008 次；深埋椭圆形裂纹的 BHA 的疲劳寿命计算结果为1.01e+008 次。表面半椭圆裂纹的BHA 的疲劳寿命为5e+007 次。计算结果符合现场的使用情况。

3.3 裂纹长度对BHA 寿命的影响

    各种裂纹在某一次循环载荷的作用下都将发生扩展，随着裂纹的扩展，扩展后的裂纹尖端的应力强度因子也将产生变化。这一变化按产生的原因可以分为两大类：第一类是自身几何尺寸的变化导致的应力强度因子的增大；另一类是由于自身以及其他裂纹几何尺寸的变化而导致的应力强度因子综合构形系数的变化。本文主要研究了第一类影响—裂纹长度的变化，对于钻柱疲劳寿命的影响。

    图 7 所示为基于ANSYS-Workbench 的具有表面线性裂纹、深埋圆形裂纹、表面半椭圆裂纹和深埋椭圆裂纹的BHA 的疲劳寿命随着不同形状裂纹长度的不同的变化曲线。由图可知，不管裂纹形状如何，下部钻具组合的疲劳寿命随着裂纹长度的增加都呈现降低的趋势。因此，在实际现场应用中，要尽力控制裂纹的扩展，延长钻柱的使用寿命。

图 7 不同形状的裂纹长度对疲劳寿命的影响

4 结论

利用 ANSYS-Workbench 对下部钻具组合进行疲劳仿真分析，得到以下规律：

（1）在分析钻柱受力的基础上，根据疲劳强度理论，建立了下步钻具组合的疲劳分析有限元模型；

（2）无裂纹的算例分析说明了，没有裂纹的情况下钻柱一般不会破坏，且钻柱的使用寿命最长为1.2e+009 次；

（3）裂纹的形状不同以及埋深不同对于钻柱的疲劳寿命的影响都不同，本文主要针对具有表面线性裂纹、深埋圆形裂纹、表面半椭圆裂纹和深埋椭圆裂纹的BHA 进行了疲劳寿命的预测，结果表明表面线性裂纹对于钻柱的疲劳寿命影响最小，表面半椭圆裂纹的影响最大；

（4）裂纹的扩展导致了裂纹尖端应力强度因子的变化，因此，不同裂纹的长度对于钻柱疲劳寿命的影响也是不同的，通过模拟得出：钻柱疲劳寿命随着裂纹的长度的增加呈降低的趋势。