大斜度井作業(yè)管柱摩阻力學(xué)模型

1、大斜度井作業(yè)管柱摩阻力學(xué)模型摘要：鉆前的摩阻分析是大斜度井可行性研究、鉆機(jī)設(shè)備選擇或升級(jí)改造以及優(yōu)化井眼軌跡剖面設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，對(duì)比預(yù)測(cè)的摩阻扭矩和實(shí)測(cè)的摩阻扭矩，可以監(jiān)測(cè)井筒清洗程度，預(yù)防嚴(yán)重事故的發(fā)生。論文關(guān)鍵詞：大斜度井,摩阻,力學(xué)模型摩阻分析對(duì)水平井施工具有重要的影響，尤其對(duì)于大斜度井而言，因其具有長(zhǎng)水平段、大井斜角等特點(diǎn)，摩阻的預(yù)測(cè)和控制是成功地完成大斜度井修井的關(guān)鍵和難點(diǎn)所在。準(zhǔn)確計(jì)算套管柱的軸向載荷,以便進(jìn)行套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)與校核。事實(shí)上，在整個(gè)鉆進(jìn)、完井及修井過程中，管柱的摩阻研究都很重要，它對(duì)井眼設(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)、管柱下入，施工過程中軌道控制和井

2、下作業(yè)等階段都具有指導(dǎo)意義。在水平井及大斜度井中，由于管柱自重及井眼彎曲等多種因素的作用，導(dǎo)致了較大的摩阻力。管柱的摩阻計(jì)算雖是整個(gè)磨銑打撈管柱力學(xué)分析的一小部分，但提高其摩阻計(jì)算精度仍是完成井下作業(yè)修井工作的一個(gè)重點(diǎn)，這主要是因?yàn)?精確計(jì)算出摩阻，可以預(yù)側(cè)套管柱下入的難度，以便選擇合理套管柱組合和正確的下入方法，或考慮是否需采用特殊工具;能夠準(zhǔn)確計(jì)算套管柱的軸向載荷,以便進(jìn)行套管柱強(qiáng)度設(shè)計(jì)與校核。1.大斜度井三維摩阻扭矩模型國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)摩阻扭矩進(jìn)行了大量的研究工作,分別建立了軟繩模型和剛桿模型。兩種模型各有自己的優(yōu)點(diǎn)和適用范圍，軟繩模型忽略了鉆柱剛度及穩(wěn)定器的影響，在曲率不大的光滑井眼條件下

3、，用來(lái)計(jì)算由剛度較小的常規(guī)鉆桿組成的鉆柱段的摩阻扭矩能夠給出足夠的精度。因此，現(xiàn)在有的商業(yè)軟件仍在采用，但應(yīng)用在井眼曲率變化較大或鉆柱剛性較大的單元，會(huì)產(chǎn)生明顯的誤差；剛桿模型在曲率較大的井眼或由剛度較大的加重鉆桿組成的鉆柱段條件下，其計(jì)算結(jié)果具有更高的精度，但用于曲率較小剛度較小的平滑井眼中，計(jì)算結(jié)果收斂困難，對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)敏感，解的穩(wěn)定性較差。1.1大斜度井三維摩阻扭矩分析剛桿模型建立如圖1所示的坐標(biāo)系。N軸、E軸、H軸分別指向地理北向、地理東向、重力方向,它們相互垂直,組成固定坐標(biāo)系。、分別是井眼軸線的切線方向、主法線方向、副法線方向的單位矢量，它們相互垂直，組成自然坐標(biāo)系。圖1 三維摩阻分

4、析的坐標(biāo)系圖在鉆柱上取一單元段ds,通過力學(xué)分析,可得下面方程組:其中：式中：T為軸向拉力;為彎矩；為扭矩；EI為抗彎剛度;q為鉆柱單位長(zhǎng)度有效重量;分別為管柱在井眼內(nèi)的軸向和周向摩阻系數(shù);為管柱外徑;N為鉆柱單位長(zhǎng)度所受的橫向支承力;分別為鉆柱變形線的曲率和撓率。將由方程(1)(4)組成的微分方程組進(jìn)行有限差分變換，考慮鉆柱不同工作狀態(tài)下的邊界條件，可以應(yīng)用數(shù)值方法對(duì)所得到的方程組求解。從而可以得到鉆柱的軸力及橫向支撐力沿鉆柱長(zhǎng)度的分布規(guī)律，進(jìn)而可以求得地面大鉤拉力及轉(zhuǎn)盤扭矩。1.2大斜度井三維摩阻扭矩分析軟繩模型如果鉆柱剛度較小，井眼不出現(xiàn)嚴(yán)重狗腿度，則井眼曲率和管柱剛度對(duì)其受力的影響較小

5、，在分析計(jì)算中采用軟繩模型將會(huì)得到精度足夠的解，這時(shí)，式(1)(4)變?yōu)椋簯?yīng)用同樣的方法可以算出采用軟件桿模型時(shí)鉆柱的軸力及橫向支撐力沿鉆柱長(zhǎng)度的分布規(guī)律，并進(jìn)而求得地面大鉤拉力及轉(zhuǎn)盤扭矩。2摩阻分析模型的建立與分析2.1水平井段由于實(shí)際水平井水平段井眼并不是絕對(duì)水平的，可以按斜直井眼進(jìn)行分析，總正壓力，為井斜角, 為單位長(zhǎng)度管柱浮重，該段管柱摩阻力為：圖2 水平井段管柱受力分析而軸力增量為：式中，起升管柱時(shí)，取“+”號(hào)；下放管柱時(shí)取“-”號(hào)則軸向載荷：2.2垂直井段部分可認(rèn)為垂直井段磨銑打撈管柱無(wú)接觸摩阻，而只受浮重作用，這時(shí)計(jì)算井段管柱摩阻力為零，軸力增量為管柱浮重，即2.3彎曲井段在大斜

6、度井中,若忽略動(dòng)態(tài)因素,則管柱受到軸向拉力、徑向擠壓力、浮力及摩擦阻力等外部作用力的影響。建立如下假設(shè)：.井眼尺寸不隨時(shí)間而變化。.不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)的影響。.管柱與井壁連續(xù)接觸,并且彎矩、剪力、接觸力連續(xù)分布。.管柱在下入過程中與井眼內(nèi)壁為滑動(dòng)摩擦。.將整個(gè)管柱簡(jiǎn)化為連續(xù)梁。取管柱一微元段進(jìn)行受力分析管柱受到的力分別為：考慮泥漿浮力后的重力G，摩擦阻力，與井壁接觸力F，軸向力，當(dāng)管柱下入到落魚處，其軸向拉力為零。坐標(biāo)系中，軸沿井眼軸線切線方向，軸垂直于井眼軸線切線方向，軸采用右手坐標(biāo)系法確定。圖3取管柱一微元段進(jìn)行受力分析由梁中性層的曲率與彎矩關(guān)系: 曲率 可以得到此微元中x、y、z方向的彎矩

7、方程: 最后可得到接觸力F已假設(shè)管柱與井壁為滑動(dòng)摩擦， -摩擦因素 最終可以得到軸向力:上式中，摩擦系數(shù)是一個(gè)非常重要的參數(shù)，它的變化將會(huì)引起套管軸向力的變化，也會(huì)影響管柱是否能順利下入，因此正確合理的確定摩擦系數(shù)是摩阻分析中的一個(gè)重要內(nèi)容,考慮到管柱主要是在套管內(nèi)工作，摩擦為鋼與鋼之間的摩擦，所以摩擦系數(shù)取0.25，起鉆柱取“+”，下鉆柱取“-”。3.結(jié)束語(yǔ)摩阻的綜合計(jì)算是確定大斜度井作業(yè)管柱最大下入深度的關(guān)鍵因素,可較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)和分析大斜度井作業(yè)管柱在三維井眼中的摩阻,研究大斜度井作業(yè)管柱在下入井底以后是否會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞,對(duì)保證大斜度井作業(yè)管柱作業(yè)的成功率有重要的指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)1宋玉玲,董麗娟,李占武.國(guó)外大位移井鉆井技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀J.鉆采工藝,1998,21(5):4-8.2韓志勇.井眼內(nèi)鉆柱摩阻的三維和兩組模型的研究J.石油大學(xué)學(xué)報(bào),1993,17(增刊):44-49.3龔偉安.定向井中采用曲線井眼軸線的理論研究J.石油鉆采工藝,1