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靜態偏置鉆頭推靠式旋轉導向鉆井系統通常具有一個基本不旋轉的外套和一個傳遞鉆壓和扭矩的長驅動軸。在現狀應用過程中長驅動軸，起到傳遞鉆壓和驅動扭矩的作用，受力條件非常惡劣，對強度要求極其苛刻。本文通過計算機數值仿真的形式，模擬了長驅動軸靜態受力的情況，根據模擬結果，對長驅動軸材質性能提出了基本要求，對鉆井參數提出指導性建議。
 
計算機數值建模
 
材質比較了1號鋼材和2號鋼材，鉆壓分別模擬8T、10T、12T、14T、16T，扭矩分別模擬8000NM、12000 NM、16000 NM、20000 NM、24000 NM。外力加載方式，采用一端固定，另一端承力面施加鉆壓和扭矩的靜載荷。我們假設材料的受力范圍只在彈性區域。三向應力狀態下，六個應力分量和六個應變分量。由能量守恒原理，各應力分量的合力只在其對應的應變分量所引起的變形位移上做功。總的應變能為各應力分量對應的應變能之和。滿足一系列公式的的彈性材料我們稱為超彈性材料。特點：在任意加載-卸載循環下，材料不發生能量耗散。
 
組合受力疊加情況如下：
組合受力圖示
  一點的應力狀態圖示
 

網格劃分：二階（高品質）實體四面體單元模擬了二階（拋物線）位移場以及相應的一階應力場（注意拋物線形函數的導數是線性函數）。二階位移場命名了該單元的名稱：二階單元。每個二階四面體單元有十個節點（4個角點和6個節點），并且每個節點有3個自由度。當單元因加載而變形時，如果單元需要模擬曲線形幾何模型，則二階單元的邊和面就可以是曲線形形狀。二階四面體單元具有較好的繪圖能力和模擬二階位移場能力。 材料1，屈服強度1083Mpa，抗拉強度1158Mpa，彈性模量206GPa，切變模量79.38GPa，泊松比0.30。材料2，屈服強度897Mpa，抗拉強度965Mpa，彈性模量204GPa，切變模量78.8GPa，泊松比0.28。
 
利用仿真模擬軟件，對兩種材料進行仿真模擬。材料1：根據工具在井下工作時最大扭矩不超過30KN.m，對材料1進行靜壓力仿真模擬。結果如下圖：

根據仿真結果分析，鉆壓10-20T范圍內，可承受最大扭矩30000Nm，局部最大應力保持在安全范圍內。保持扭矩30KN.m不變，進行拉力仿真模擬。

扭矩30KN.m情況下，材料1最大抗拉150T。在不施加扭矩的情況下，進行純拉力模擬。 由上圖可見，材料1在220T純拉力時達到屈服極限，建議最大拉力不應超過200T。
 
材料2：根據工具在井下工作時最大扭矩不超過30KN.m，對材料2進行壓力仿真模擬。結果如下圖：

經過模擬研究顯示，由于材料的不同屈服應力發生變化，30KN.m的情況下，20T鉆壓為滿負荷運行，建議鉆壓不高于12T。根據工具在井下工作時最大扭矩不超過30KN.m，對材料2進行拉力仿真模擬。
由上圖可見，30KN.m條件下，上提拉力60T接近屈服極限，建議不要超過50T。
3）在不施加扭矩的情況下，進行純拉力模擬。
由上圖可見，180T純拉力時達到屈服極限，建議最大拉力不應超過140T。
 

現場應用鉆速提高明顯
 
基本數據：井口坐標：縱(X)4 207 843.00  橫(Y)20 637 966.00；方位修正角(°)：-8.08  磁傾角(°)：56.65  磁場強度(μT)：53.30；
井身結構：

開鉆 順序	鉆頭尺寸 （mm）	井深 （m）	套管外徑 （mm）	套管下深 （m）	水泥封固段 （m）
一開	346.1	331.0	273.1	330	0～331
二開	215.9	3453.16	139.7	3450	0～3453.16

旋導工具從2495m入井，一趟鉆鉆至3352m完鉆，完鉆井斜28.58，方位30.4，閉合距591.39，閉合方位32.78，總進尺857m，總循環時間141h。鉆具組合：215.9鉆頭+旋轉導向工具+單向閥+鉆桿，排量32L/s，泵壓14MPa，轉盤轉速80rpm，鉆壓4-6t，泥漿性能：密度1.20g/cm3，粘度44s，最大扭矩18KNM，完井后鉆井工具起出井口，經檢查旋轉導向工具功能完好，結構完整性完好。平均機械鉆速為每小時7.32米，較使用常規鉆具的上口井，鉆速提高26.37%。
 

不斷試驗得出最優材料
 
驅動軸的受力薄弱點為下部螺紋根部，加強倒角的處理，避免應力集中，與鉆壓相比，扭矩對增大最大應力具有更顯著的貢獻，經過仿真模擬可以得知鉆壓在0-20T內，扭矩在30KN.M內變化時，1號材料是具有較高的安全系數。通過仿真模擬可以得知：2號材料在有限控制鉆壓和扭矩的條件下可以滿足鉆井施工要求，鑒于材料2的經濟性，可以在井深比較淺的東部油田應用。在事故處理中，需要上提和扭轉鉆具時1號材料比2號材料有更大的優勢，能夠提供更大的安全系數和可操作范圍。
對1號和2號材料進行進一步的動力學試驗驗證，在確保安全的情況下進行全尺寸井下實鉆試驗，對材料和結構力學性能進行全方位驗證。在條件允許的情況下逐步優化結構，改善受力狀態，開展用2號材料替換1號材料的全面試驗，最終達到經濟性的條件。