基于Workbench的复杂条件下的底部钻具组合疲劳寿命分析.docx

简介：
本文档探讨了在复杂条件下使用Workbench软件进行底部钻具组合的疲劳寿命分析方法，旨在提高油气井工程中的设备安全性和耐用性。 基于 Workbench 的复杂条件下底部钻具组合疲劳寿命分析 本段落主要研究了钻柱在狭长的井眼内运动、受力复杂的环境下，下部钻具组合的疲劳寿命分析。通过 ANSYS Workbench 仿真分析平台对下部钻具组合进行了疲劳特性分析，并得到了不同裂纹对应的疲劳寿命及使用系数。 1. 钻柱疲劳寿命分析的重要性 钻柱作为钻井设备的关键组成部分，其疲劳寿命的准确预测和评估对于保障安全、优化设计具有重要意义。由于钻柱在工作过程中可能突然失效而无明显预兆，这往往会导致严重的经济损失。因此，在结构设计阶段利用仿真技术进行疲劳分析可以提前发现潜在的设计问题，并提供改进方案以降低风险。 2. 模型的建立 本段落采用有限元方法构建模型，依据实验数据和实际情况，运用 ANSYS Workbench 仿真平台对下部钻具组合进行了深入研究。具体而言，该模型包括17.5英寸钻头（0.5米）、接头（0.5米）、两根9米长的钻铤、以及一根2米长的扶正器。施加于系统上的力为：轴向压力5吨和扭矩5牛·米。 3. 参数设定 在ANSYS-Workbench静态结构分析模块中，根据实际工况设置求解参数。选择最大等效应力作为峰值应力位置判定标准；疲劳强度削弱系数设为0.8；采用Goodman理论进行寿命估算（这是三种常用疲劳评估方法中最广泛使用的一种）；设定设计寿命均为1,000,000次循环。 4. 疲劳分析及其结果 利用ANSYS Workbench有限元软件，根据上述模型和参数设置对下部钻具组合进行了详细的疲劳失效分析。结果显示最大应力集中在钻柱底部区域，这与工程实践中的观察一致；安全系数定义为材料失效应力比设计应力的值，损伤指数代表预期寿命与实际可使用时间的比例关系。当该数值超过1时，则表明存在发生疲劳破坏的风险。 5. 不同裂纹对 BHA 疲劳寿命的影响 含有初始缺陷或裂缝的钻柱相比无此类问题的部件，在断裂机制和使用寿命上表现出显著差异；对于有裂缝的情况，由于不同形状裂缝导致应力强度因子的变化，其疲劳寿命也会有所区别。特别是表面线性裂痕最影响整体性能。 6. 裂纹长度对 BHA 寿命的影响 各种类型的初始缺陷在经历一次完整的循环载荷后都会进一步扩展，随着裂隙的增长，尖端处的应力状态将发生变化。本研究重点关注了第一类因素——即裂缝尺寸变化对于钻柱疲劳寿命的具体影响，并发现这一变量具有重要性，在设计和操作过程中需要给予特别关注以确保安全性和可靠性。