静态偏置钻头推靠式旋转导向钻井系统通常具有一个基本不旋转的外套和一个传递钻压和扭矩的长驱动轴。在现状应用过程中长驱动轴，起到传递钻压和驱动扭矩的作用，受力条件非常恶劣，对强度要求极其苛刻。本文通过计算机数值仿真的形式，模拟了长驱动轴静态受力的情况，根据模拟结果，对长驱动轴材质性能提出了基本要求，对钻井参数提出指导性建议。
 
计算机数值建模
 
材质比较了1号钢材和2号钢材，钻压分别模拟8T、10T、12T、14T、16T，扭矩分别模拟8000NM、12000 NM、16000 NM、20000 NM、24000 NM。外力加载方式，采用一端固定，另一端承力面施加钻压和扭矩的静载荷。我们假设材料的受力范围只在弹性区域。三向应力状态下，六个应力分量和六个应变分量。由能量守恒原理，各应力分量的合力只在其对应的应变分量所引起的变形位移上做功。总的应变能为各应力分量对应的应变能之和。满足一系列公式的的弹性材料我们称为超弹性材料。特点：在任意加载-卸载循环下，材料不发生能量耗散。
 
组合受力叠加情况如下：
组合受力图示
  一点的应力状态图示
 

网格划分：二阶（高品质）实体四面体单元模拟了二阶（抛物线）位移场以及相应的一阶应力场（注意抛物线形函数的导数是线性函数）。二阶位移场命名了该单元的名称：二阶单元。每个二阶四面体单元有十个节点（4个角点和6个节点），并且每个节点有3个自由度。当单元因加载而变形时，如果单元需要模拟曲线形几何模型，则二阶单元的边和面就可以是曲线形形状。二阶四面体单元具有较好的绘图能力和模拟二阶位移场能力。 材料1，屈服强度1083Mpa，抗拉强度1158Mpa，弹性模量206GPa，切变模量79.38GPa，泊松比0.30。材料2，屈服强度897Mpa，抗拉强度965Mpa，弹性模量204GPa，切变模量78.8GPa，泊松比0.28。
 
利用仿真模拟软件，对两种材料进行仿真模拟。材料1：根据工具在井下工作时最大扭矩不超过30KN.m，对材料1进行静压力仿真模拟。结果如下图：

根据仿真结果分析，钻压10-20T范围内，可承受最大扭矩30000Nm，局部最大应力保持在安全范围内。保持扭矩30KN.m不变，进行拉力仿真模拟。

扭矩30KN.m情况下，材料1最大抗拉150T。在不施加扭矩的情况下，进行纯拉力模拟。 由上图可见，材料1在220T纯拉力时达到屈服极限，建议最大拉力不应超过200T。
 
材料2：根据工具在井下工作时最大扭矩不超过30KN.m，对材料2进行压力仿真模拟。结果如下图：

经过模拟研究显示，由于材料的不同屈服应力发生变化，30KN.m的情况下，20T钻压为满负荷运行，建议钻压不高于12T。根据工具在井下工作时最大扭矩不超过30KN.m，对材料2进行拉力仿真模拟。
由上图可见，30KN.m条件下，上提拉力60T接近屈服极限，建议不要超过50T。
3）在不施加扭矩的情况下，进行纯拉力模拟。
由上图可见，180T纯拉力时达到屈服极限，建议最大拉力不应超过140T。
 

现场应用钻速提高明显
 
基本数据：井口坐标：纵(X)4 207 843.00  横(Y)20 637 966.00；方位修正角(°)：-8.08  磁倾角(°)：56.65  磁场强度(μT)：53.30；
井身结构：

开钻 顺序	钻头尺寸 （mm）	井深 （m）	套管外径 （mm）	套管下深 （m）	水泥封固段 （m）
一开	346.1	331.0	273.1	330	0～331
二开	215.9	3453.16	139.7	3450	0～3453.16

旋导工具从2495m入井，一趟钻钻至3352m完钻，完钻井斜28.58，方位30.4，闭合距591.39，闭合方位32.78，总进尺857m，总循环时间141h。钻具组合：215.9钻头+旋转导向工具+单向阀+钻杆，排量32L/s，泵压14MPa，转盘转速80rpm，钻压4-6t，泥浆性能：密度1.20g/cm3，粘度44s，最大扭矩18KNM，完井后钻井工具起出井口，经检查旋转导向工具功能完好，结构完整性完好。平均机械钻速为每小时7.32米，较使用常规钻具的上口井，钻速提高26.37%。
 

不断试验得出最优材料
 
驱动轴的受力薄弱点为下部螺纹根部，加强倒角的处理，避免应力集中，与钻压相比，扭矩对增大最大应力具有更显著的贡献，经过仿真模拟可以得知钻压在0-20T内，扭矩在30KN.M内变化时，1号材料是具有较高的安全系数。通过仿真模拟可以得知：2号材料在有限控制钻压和扭矩的条件下可以满足钻井施工要求，鉴于材料2的经济性，可以在井深比较浅的东部油田应用。在事故处理中，需要上提和扭转钻具时1号材料比2号材料有更大的优势，能够提供更大的安全系数和可操作范围。
对1号和2号材料进行进一步的动力学试验验证，在确保安全的情况下进行全尺寸井下实钻试验，对材料和结构力学性能进行全方位验证。在条件允许的情况下逐步优化结构，改善受力状态，开展用2号材料替换1号材料的全面试验，最终达到经济性的条件。