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1、侧钻水平井作业管柱的稳态拉力—扭矩模型及作用58石油钻采'艺1997年(第19卷)第4期侧钻水平井作业管柱的态拉力一扭矩模型及应用'0,..丝朱振锐韩教鹃鹿高-孚工程木)(等.鼍工所)正.)71摘要振据侧钻水平井的作业过程,考虑井.臣轨道,作业管柱的重力,液羹.'浮力,作业管柱与井壁的摩禧力午因素的彰响,建立了侧钻水平井作业管柱的穗态牡力和扭矩模型,蛄夸大庆油田第一口制拈水平井的设计过程,蛤出了谴模型的应用实例.主墨调僵钻木平井管柱力学分析方程I曲,吕寸作者简介丰子丰,1962牛生1983年毕业于大庆石油学院钻井专业,1986年于谴院石油机械工
2、程专业茂工学嘎士学位;l992年于石油大学羲油气田开发工程专业工学博士学位.1992~1994年为哈尔滇工业大学航天工程与力学亲博士后现任石油工程力学研究室主任,副研完员黑龙江省振动工程学会常务理事兼副秘书长,SPE会员.在油井作业中,由作业管柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对作业有裉大的影响,甚至成为作业成败的关键,为此,必须对油气井作业管柱的拉力和扭矩进行深入的研究.先进的拉力和扭矩模型,尤其在与先进的地面扭矩,大钩载荷,井底扭矩和钻压的测量仪器结合使用时,可达到:(1)优选井眼轨迹,使整个作业管柱的摩擦阻力和扭矩损失最小;(2)选择
3、和校核地面设备,优化作业管柱设计;(3)监测井下问题}(4)指导下管柱作业;(5)确定作业管柱与井壁的接触压力垂直油气井作业管柱的拉力和扭矩研究已有较长的历史,而定向井作业管柱拉力一扭矩的研究仅有1O年的历史,但是理论发展迅速,推广快.定向井钻柱拉力一扭矩模型有两类:软钻柱模型和硬钻柱模型.软钻柱模型应用较早,简单且有一定精度;硬钻柱模型应用稍晚,复杂,精度高.1983年,C.A.Johansick考虑了定向井钻柱拉力,重力和井艰轨迹,首先建立了定向井钻柱拉力一扭矩模型(软钻柱模型).此后,M.C.Sheppard和E.E.Maidla对该模型
4、进行了改进.该类模型虽可以满足工程需要,但有一个缺点——未考虑钻柱的刚度.1987年,美国NL公司何华山博士提出了硬钻柱拉力一扭?玛章丸五许技士美谆崽"翻_'I术平井忭矗f枉力学争杆一时阶曩成秉.?:一一丰子丰等:侧钻水平井作业管柱的稳态拉力一扭矩模型及应用59矩模型,克服了软钻桂模型的缺点,使该研究有了新的突破.1992年,李子丰建立了定向水平井钻柱稳态拉力一扭矩模型,并获得了成功的应用.本文在稳态拉力一扭矩模型的基础上,考虑侧钻水平井作业管桂的特点,建立了较为完善的侧钻水平井作业管桂稳态拉力一扭矩模型,并结合第一口侧钻水平井的设计进行了应用
5、.一,基本假设(1)作业管桂处于线弹性变形状态;(2)作业管桂横截面为圆形或圆环形}(3)井壁呈剐性}(4)在研究作业管柱的几何参数时,认为作业管桂中心可以用井眼中心代替,并与井壁连续接触}(5)井内流体为宾汉流体,密度为常数{(6)摩擦系数在某一口井或某一井段为常数;(7)作业管柱中动载不大,可略去}(8)作业管柱的温度变化对本文研究的作业管桂的受力影响不大}(9)略去剪力对作业管柱弯曲变形的影响.二,坐标系为了表达方便,采用如下两个坐标系,见图1.(1)直角首卡尔大地坐标系ONED,原点0取在井口处,Ⅳ一轴向北,单位矢量为;;E轴向东,单位
6、矢量为,}D轴向下,单位矢量为.(2)自然曲线坐标系为(e,^),其中e和e分别为作业管桂变形线的切线方向,主法线方向和副法线方向的单位向量a,d一等=kd可z一d2~.一k=ed筚f四,运动平衡方程取作业管桂微元受力如图2所示,其中表示作业管桂的内力,表示单位长度作业管桂上的外力,砑表示作业管桂的内力矩,赢表示单位长度作业管拄上的外力对作业管柱中心石油钻采I艺1997年(第19卷)第4期的力矩.通过受力分析,建立如下运动平街方程一一(3)tU':一一耐(4)U'1.作用在作业管柱上的外力作用在作业管柱上的外力有(1)浮重,垂直向下;(2)井内
7、液体的粘滞力,与运动方向相反;(3)作业管柱与井壁的正压力,在接触点垂直于作业管柱表面;(4)作业管柱与井壁的滑动摩擦力,与运动方向相反{(5)摩擦产生的扭矩.9stt一++j+≯(5)田2作王蕾柱氍元受/./分析囤(1)浮重矢量0一(6)(2)正压力矢量一Ⅳ+Ⅳ(7)(3)滑动摩擦力矢量.作业管柱在工作时.既有轴向运动,又有绕自身轴线曲转动一一Ne.+flNbe一^N=eb(8)其中Ⅳ一√Ⅳ:+Ⅳ:::vF~'-vz+(R.aO=:—————V矿+(R.甜)(4)粘滞力矢量.依据假设,井液的粘滞力可近似为≯一一{+fc.,L口+(R)～………
8、J2.作用在作业菅柱上的外力矩.作用在作业管柱上的外力矩有:(1)播动摩擦力所产生的扭矩}(2)井内液体粘滞力所产生的扭矩.因此,外力矩为茄一b+菥(
