钻柱力学对井眼轨道控制和钻柱疲劳失效研究具有重要的意义。为此,本文继承前人的研究成果,结合现代钻井技术和工程经验,对下部钻具组合(BHA)的力学特性及疲劳失效进行了研究,具体内容包括: (1) 本文根据旋转钻井中BHA的受力变形状态,把钻具和井壁边界处理成多向接触状态,并考虑钻具自重和钻压引起的纵向弯曲,建立了BHA的几何和接触双重非线性静力学模型。应用“约束”与“放松”迭代法来处理钻具与井壁之间的接触问题。该方法具有较高的计算精度和较快的收敛速度,通过有限元迭代能够求出上切点的位置,为下部钻具组合力学分析提供了一种实用的计算方法。 (2) 应用ABAQUS软件编写了BHA非线性静力学模型的前处理程序,即Inp程序文件。该程序文件主要具有以下功能:①能够直接调入到ABAQUS的CAE界面中进行操作;②能够根据不同的钻具组合结构建立下部钻具组合静力学模型;③针对具体某一钻具组合,能够方便地改变钻井参数;④应用“约束”与“放松”迭代法,通过该程序文什能够较精确地求出上切点的位置。 (3) 分析影响常用钻具井斜性能的因素,得到了近钻头稳定器与钻头间距变化、稳定器工作外径变化、钻压变化等能够改变钻具井斜性能;同时以一组双稳定器钻具组合为例,分析钻具节点的位移变化图、弯矩图和应力分布图可得出钻具上的受力变形情况。用ABAQUS报表的形式输出钻具各节点的约束反力、位移和截面点的轴向应力,为BHA的疲劳失效研究提供了依据。 (4) 在BHA力学分析的基础上,应用断裂力学知识讨论了张开型裂纹(Ⅰ型裂纹)的应力强度因子和断裂韧性,并应用形状改变能判据对构件屈服区进行了渐进分析,扩展了线弹性断裂力学的应用范围。考虑钻具实际服役条件,采用Forman疲劳寿命预测模型和Miner线性累积疲劳模型评估构件疲劳寿命。 (5) 设计了一种应力减轻槽结构,应用ABAQUS软件建立了几种螺纹结构的有限元模型。为了定量评价几种螺纹接头的疲劳寿命大小,采用Morrow应变周期模型结合有限元分析结果计算3种具有内螺纹应力减轻槽母扣的疲劳寿命,计算结果表明本文设计的内螺纹应力减轻槽能显著延长母扣的疲劳寿命。