鉆柱摩阻計(jì)算與分析

1、鉆柱摩阻計(jì)算與分析 3鉆柱摩阻計(jì)算與分析 . 1 3.1 摩阻研究的意義、現(xiàn)狀及存在問題 . 1 3.1.1 研究目的和意義 . 1 3.1.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì). 2 3.1.3 摩阻分析存在的主要問題 . 3 3.2 鉆柱動(dòng)力學(xué)基本方程 . 5 3.3 鉆柱摩阻預(yù)測(cè)與分析 . 11 3.3.1 摩阻分析方法與對(duì)象. 11 3.3.2 三維剛桿摩阻模型 . 13 3.3.3 三維軟桿摩阻模型 . 22 3.3.4 摩阻分析結(jié)果的表述. 29 3.3.5 摩阻預(yù)測(cè)與分析 . 31 3.3.6 摩擦系數(shù)反演 . 35 3.3.7 摩阻影響因素分析 . 35 3.3.8 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證與分析. 3

2、7 3.4 鉆柱的屈曲 . 39 3.4.1 斜直井中桿管柱屈曲的微分方程 . 39 3.4.2 水平井段鉆柱幾何線性屈曲的數(shù)學(xué)模型 . 44 3.4.3 水平井段鉆柱幾何非線性屈曲的數(shù)學(xué)模型 . 45 3.4.4 斜直井段鉆柱正弦屈曲和螺旋屈曲的臨界載荷 . 46 3.4.5 無重鉆柱的幾何線性螺旋屈曲 . 50 3.4.6 無重鉆柱的幾何非線性螺旋屈曲 . 52 3.5 實(shí)鉆井眼軌道參數(shù)的插值計(jì)算. 55 3.5.1 概述 . 55 3.5.2 典型軌跡模型插值 . 55 3.5.3 典型曲線的曲率和撓率. 58 4 鉆柱強(qiáng)度分析與校核 . 64 4.1 鉆柱應(yīng)力狀況分析 . 64 4.1

3、.1 軸向拉力產(chǎn)生的拉應(yīng)力. 64 4.1.2 扭矩產(chǎn)生的剪應(yīng)力 . 64 4.1.3 鉆柱彎曲產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力 . 65 4.1.4 屈曲產(chǎn)生的應(yīng)力和接觸壓力 . 65 4.1.5 內(nèi)壓力產(chǎn)生的拉應(yīng)力. 66 4.2 鉆柱強(qiáng)度分析模型 . 67 4.2.1 鉆柱抗拉強(qiáng)度 . 67 4.2.2 鉆柱抗彎強(qiáng)度 . 68 4.2.3 鉆柱抗扭強(qiáng)度 . 69 4.2.4 鉆柱三軸應(yīng)力強(qiáng)度 . 71 4.3 鉆柱強(qiáng)度校核 . 72 i 3鉆柱摩阻計(jì)算與分析 3.1 摩阻研究的意義、現(xiàn)狀及存在問題 3.1.1 研究目的和意義 隨著油氣田勘探開發(fā)的進(jìn)行，鉆井重點(diǎn)向深部、西部和海上發(fā)展。大位移深井、水平井、定

4、向井鉆井工作量顯著增加。提高斜井、水平井、大位移井鉆井技術(shù)水平，已成為石油工業(yè)的一個(gè)重要課題。 在鉆井中，通常所鉆井眼不可能完全垂直，鉆柱與井壁間存在著接觸壓力，在鉆柱運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于摩擦作用，就會(huì)在鉆柱上施加軸向阻力和旋轉(zhuǎn)扭矩，使得軸向載荷增加、旋轉(zhuǎn)扭矩增大，尤其是在大位移井和水平井中，由于其具有長水平位移段、大井斜角及長裸眼穩(wěn)斜段的特點(diǎn)，因此存在較大的摩阻和扭矩。為了保證鉆進(jìn)作業(yè)的安全，避免鉆柱發(fā)生強(qiáng)度破壞而造成井下復(fù)雜事故，對(duì)鉆柱進(jìn)行摩阻估計(jì)和計(jì)算，從而進(jìn)行受力分析和強(qiáng)度校核是非常重要的。在大斜度、大位移深井鉆井過程中，摩阻/扭矩的預(yù)測(cè)和控制往往是成功地鉆井的關(guān)鍵和難點(diǎn)所在。開展摩阻、扭矩預(yù)

5、測(cè)技術(shù)研究，在大位移井、大斜度深井的設(shè)計(jì)（包括鉆井設(shè)備選擇、軌道形式與參數(shù)、鉆柱設(shè)計(jì)、管住下入設(shè)計(jì)等）和施工（軌道控制、井下作業(yè)等）階段都具有十分重要的意義。鉆井界早就認(rèn)識(shí)到摩阻/扭矩預(yù)測(cè)、分析和減摩技術(shù)在大位移、大斜度深井中的重要性。摩阻問題貫穿從設(shè)計(jì)到完井和井下作業(yè)的全過程，如： 1根據(jù)摩阻扭矩分布，設(shè)計(jì)選用鉆桿強(qiáng)度和鉆柱組件（鉆桿，鉆鋌和加重鉆桿）分布。 2地面裝備（頂驅(qū)功率和扭矩，起升能力、泵功率和排量壓力）需要根據(jù)摩阻、扭矩預(yù)測(cè)來選用，并考慮到預(yù)測(cè)誤差需留有足夠的富余能力。 3作為井眼軌道的設(shè)計(jì)和軌道控制的依據(jù)。 4鉆井液設(shè)計(jì)及潤滑性要求。在某一特定地區(qū)，使用水基鉆井液鉆大位移井，其

6、水平位移受摩阻、扭矩限制會(huì)有一個(gè)極限長度。超過該極限值，靠加減摩劑維持鉆井會(huì)遇到技術(shù)困難，經(jīng)濟(jì)效益不佳或風(fēng)險(xiǎn)大。但是，在一定的可控制的摩阻扭矩范圍內(nèi)，使用水基鉆井液具有顯著技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)保效益。 5充分考慮完井、井下作業(yè)或修井可行性。如果在鉆井階段，鉆柱可旋轉(zhuǎn)下入或倒劃眼起出那么就需考慮套管或尾管是否需要旋轉(zhuǎn)才能下入，生產(chǎn)油管、 1 連續(xù)油管或其它測(cè)試管往能否下入等問題。 從上述分析看出，摩阻、扭矩預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要，為此，必須對(duì)鉆柱的拉力扭矩模型進(jìn)行研究，建立科學(xué)的摩阻-扭矩分析和計(jì)算方法，以便進(jìn)行準(zhǔn)確的鉆柱強(qiáng)度校核和選配合適的鉆井設(shè)備。 本課題的任務(wù)是研究鉆柱拉力扭矩模型，建立不同鉆井工況

7、下鉆具摩阻和扭矩的分析計(jì)算方法，分析鉆柱的失穩(wěn)和屈曲變形條件及建立鉆柱強(qiáng)度校核方法，編制施工軟件，進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，保證鉆柱強(qiáng)度安全。 3.1.2 研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 國內(nèi)外學(xué)者對(duì)摩阻/扭矩的研究做了大量的工作，取得很多重要成果，這里主要就二十世紀(jì)90年代以來的最新研究成果給予簡述。 1） 鉆柱動(dòng)力學(xué)基本方程 鉆柱是油氣鉆探工程中最重要的下井工具。鉆柱在充滿流體的狹長井筒內(nèi)工作，在各種力的作用下，處于十分復(fù)雜的受力、變形和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。對(duì)鉆柱進(jìn)行系統(tǒng)全面、準(zhǔn)確的力學(xué)分析, 可以達(dá)到如下目的: (1) 快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì)地控制油氣井的井眼軌道; (2) 準(zhǔn)確地校核各種桿管柱的強(qiáng)度, 優(yōu)化桿管柱設(shè)計(jì); (3

8、) 優(yōu)化油氣井井身結(jié)構(gòu); (4) 及時(shí)、準(zhǔn)確地診斷、發(fā)現(xiàn)和正確處理各類井下問題; (5) 優(yōu)選鉆采設(shè)備和工作參數(shù)。 應(yīng)油氣田開發(fā)的迫切需要, 自本世紀(jì)五十年代以來針對(duì)油氣井桿管柱的某些特殊問題已進(jìn)行了較廣泛、較深入的研究, 發(fā)表了數(shù)以百計(jì)的學(xué)術(shù)論文。特別是“七五”和“八五”期間國家組織的對(duì)定向叢式井和水平井的科技攻關(guān), 使我國的油氣井桿管柱力學(xué)研究水平大大提高。但所有的研究工作都是基于某項(xiàng)特殊需要而進(jìn)行的, 未形成統(tǒng)一的理論, 對(duì)某些問題如動(dòng)力問題和幾何非線性問題研究較少, 為此需要對(duì)桿管柱動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行系統(tǒng)的研究, 建立統(tǒng)一的理論。建立了油氣井桿管柱動(dòng)力學(xué)基本方程并不斷完善。 2） 鉆柱拉力

9、扭矩模型 同內(nèi)外學(xué)者對(duì)定向井、水平井、大位移井的摩阻、扭矩問題進(jìn)行了大量的研究， 2 建立了對(duì)應(yīng)的力學(xué)模型。1983年，johansick a先提出了在定向井中預(yù)測(cè)鉆柱拉力和扭矩的柔索模型，為改進(jìn)井眼軌道設(shè)計(jì)和鉆柱設(shè)計(jì)、現(xiàn)場事故診斷和預(yù)測(cè)提供了理論依據(jù)。lesagc在johansick的基礎(chǔ)上分起鉆、下鉆、旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)三個(gè)過程考慮了鉆柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)對(duì)摩阻、扭矩模型的影響,并對(duì)模型進(jìn)行了改進(jìn)。1988年，何華山以大變形為基礎(chǔ)，并考慮了鉆柱剛度的影響，提出了改進(jìn)的拉力、扭矩模型。1992年，楊妹提出的修正模型在綜合考慮了井眼軌道和井眼狀態(tài)特別是考慮了鉆柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及鉆井液粘滯力和結(jié)構(gòu)力的影響。美國德克薩

10、斯大學(xué)cheng yan博士開發(fā)了圓管的彎曲模型，該模型考慮了三維實(shí)際井眼，以及鉆柱的剛性影響。國外的摩阻、扭矩模型大都采用了管柱變形曲線與井眼曲線一致的假設(shè)，這與實(shí)際有較大差別，但由于采用了反算摩阻系數(shù)的方法，這一誤差被包含進(jìn)了可變的摩阻系數(shù)之中。 國內(nèi)對(duì)摩阻、扭矩的研究始于七五”定向井叢式井鉆井技術(shù)研究課題。“八五期間，許多油田、科研院校（所）根據(jù)水平井鉆井的需要對(duì)摩阻和扭矩進(jìn)行了大量的研究工作。 垂直油氣井桿管柱的拉力和扭矩研究已有較長的歷史,但是,實(shí)際的井眼并不是垂直的，而是三維空間曲線。三維桿管柱拉力扭矩的研究起步較晚, 有近二十年的歷史, 但是理論發(fā)展迅速、推廣快。定向井鉆柱拉力扭

11、矩模型有兩類: 軟鉆柱模型和硬鉆柱模型。 軟鉆柱模型應(yīng)用較早、簡單且有一定精度, 硬鉆柱模型應(yīng)用稍晚、復(fù)雜、精度高。1983年 c.a.johansick 考慮了定向井鉆柱拉力、重力和井眼軌跡, 首先建立了定向井鉆柱拉力扭矩模型(軟鉆柱模型)。此后, m. c. sheppard 和 e.e.maidla對(duì)該模型進(jìn)行了改進(jìn)。該類模型雖可以滿足工程需要, 但有一個(gè)缺點(diǎn)未考慮鉆柱的剛度,計(jì)算精度較低。1987年, 美國 nl 公司何華山博士提出了硬鉆柱拉力扭矩模型, 克服了軟鉆柱模型的缺點(diǎn), 使該研究有了新的突破。 3.1.3 摩阻分析存在的主要問題 摩阻、扭矩對(duì)大位移井和大位移水平井鉆井有著重大

12、影響，而目前國內(nèi)外的研究模型用于計(jì)算大位移井和大位移水平井的摩阻、扭矩誤差大，扭矩誤差甚至超過50或更高。摩阻、扭矩的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)是大位移井和大位移水平井鉆井實(shí)踐提出的一個(gè)迫切要求，需進(jìn)一步研究過去模型中未能考慮的因素，如鉆柱的局部彎曲、與井眼的接觸狀態(tài)、鉆井液性能、地層孔隙壓力等，減少假設(shè)與實(shí)際之間的差異。摩阻、扭矩分析是軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)和鉆柱優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。 在摩阻、扭矩計(jì)算中，“事前與事后”又有差別。所謂事前是指沒有實(shí)測(cè)摩阻、扭矩，靠分析計(jì)算。而事后指已知實(shí)測(cè)摩阻、扭矩，通過調(diào)整摩阻系數(shù)使計(jì)算 3 值與實(shí)測(cè)值更接近。這對(duì)預(yù)測(cè)同一井下工況的摩阻和積累摩阻、扭矩預(yù)測(cè)經(jīng)驗(yàn)是有價(jià)值的，但總體上仍擺脫不了對(duì)摩阻系數(shù)的依賴性和摩阻系數(shù)取值的隨意性。產(chǎn)生上