钻柱摩阻计算与分析

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1、3钻柱摩阻计算与分析13.1摩阻研究的意义、现状及存在问题13.1.1研究目的和意义13.1.2研究现状和发展趋势23.1.3摩阻分析存在的主要问题33.2钻柱动力学基本方程53.3钻柱摩阻预测与分析113.3.1摩阻分析方法与对象113.3.2三维刚杆摩阻模型133.3.3三维软杆摩阻模型223.3.4摩阻分析结果的表述293.3.5摩阻预测与分析313.3.6摩擦系数反演353.3.7摩阻影响因素分析353.3.8计算结果验证与分析373.4钻柱的屈曲393.4.1斜直井中杆管柱屈曲的微分方程393.4.2水平井段钻柱几何线性屈曲的数学模型44

2、3.4.3水平井段钻柱几何非线性屈曲的数学模型453.4.4斜直井段钻柱正弦屈曲和螺旋屈曲的临界载荷463.4.5无重钻柱的几何线性螺旋屈曲503.4.6无重钻柱的几何非线性螺旋屈曲523.5实钻井眼轨道参数的插值计算553.5.1概述553.5.2典型轨迹模型插值553.5.3典型曲线的曲率和挠率584钻柱强度分析与校核644.1钻柱应力状况分析644.1.1轴向拉力产生的拉应力644.1.2扭矩产生的剪应力644.1.3钻柱弯曲产生的弯曲应力654.1.4屈曲产生的应力和接触压力654.1.5内压力产生的拉应力664.2钻柱强度分析模型674.

3、2.1钻柱抗拉强度674.2.2钻柱抗弯强度684.2.3钻柱抗扭强度694.2.4钻柱三轴应力强度714.3钻柱强度校核72723钻柱摩阻计算与分析3.1摩阻研究的意义、现状及存在问题3.1.1研究目的和意义随着油气田勘探开发的进行，钻井重点向深部、西部和海上发展。大位移深井、水平井、定向井钻井工作量显著增加。提高斜井、水平井、大位移井钻井技术水平，已成为石油工业的一个重要课题。在钻井中，通常所钻井眼不可能完全垂直，钻柱与井壁间存在着接触压力，在钻柱运动时，由于摩擦作用，就会在钻柱上施加轴向阻力和旋转扭矩，使得轴向载荷增加、旋转扭矩增大，尤其是在

4、大位移井和水平井中，由于其具有长水平位移段、大井斜角及长裸眼稳斜段的特点，因此存在较大的摩阻和扭矩。为了保证钻进作业的安全，避免钻柱发生强度破坏而造成井下复杂事故，对钻柱进行摩阻估计和计算，从而进行受力分析和强度校核是非常重要的。在大斜度、大位移深井钻井过程中，摩阻/扭矩的预测和控制往往是成功地钻井的关键和难点所在。开展摩阻、扭矩预测技术研究，在大位移井、大斜度深井的设计（包括钻井设备选择、轨道形式与参数、钻柱设计、管住下入设计等）和施工（轨道控制、井下作业等）阶段都具有十分重要的意义。钻井界早就认识到摩阻/扭矩预测、分析和减摩技术在大位移、大斜度

5、深井中的重要性。摩阻问题贯穿从设计到完井和井下作业的全过程，如：1．根据摩阻扭矩分布，设计选用钻杆强度和钻柱组件（钻杆，钻铤和加重钻杆）分布。2．地面装备（顶驱功率和扭矩，起升能力、泵功率和排量压力）需要根据摩阻、扭矩预测来选用，并考虑到预测误差需留有足够的富余能力。3．作为井眼轨道的设计和轨道控制的依据。4．钻井液设计及润滑性要求。在某一特定地区，使用水基钻井液钻大位移井，其水平位移受摩阻、扭矩限制会有一个极限长度。超过该极限值，靠加减摩剂维持钻井会遇到技术困难，经济效益不佳或风险大。但是，在一定的可控制的摩阻扭矩范围内，使用水基钻井液具有显著技

6、术经济和环保效益。5．充分考虑完井、井下作业或修井可行性。如果在钻井阶段，钻柱可旋转下入或倒划眼起出那么就需考虑套管或尾管是否需要旋转才能下入72，生产油管、连续油管或其它测试管往能否下入等问题。从上述分析看出，摩阻、扭矩预测的准确性至关重要，为此，必须对钻柱的拉力—扭矩模型进行研究，建立科学的摩阻-扭矩分析和计算方法，以便进行准确的钻柱强度校核和选配合适的钻井设备。本课题的任务是研究钻柱拉力—扭矩模型，建立不同钻井工况下钻具摩阻和扭矩的分析计算方法，分析钻柱的失稳和屈曲变形条件及建立钻柱强度校核方法，编制施工软件，进行现场试验，保证钻柱强度安全。

7、3.1.2研究现状和发展趋势国内外学者对摩阻/扭矩的研究做了大量的工作，取得很多重要成果，这里主要就二十世纪90年代以来的最新研究成果给予简述。1）钻柱动力学基本方程钻柱是油气钻探工程中最重要的下井工具。钻柱在充满流体的狭长井筒内工作，在各种力的作用下，处于十分复杂的受力、变形和运动状态。对钻柱进行系统全面、准确的力学分析,可以达到如下目的:(1)快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道;(2)准确地校核各种杆管柱的强度,优化杆管柱设计;(3)优化油气井井身结构;(4)及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题;(5)优选钻采设备和工作参数。应油气

8、田开发的迫切需要,自本世纪五十年代以来针对油气井杆管柱的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究,发表了数以百计的学术论文