本科创新基金项目定向井管柱摩阻与扭矩计算申报书

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1、编号：石油工程学院本科生创新培养基金申请书项目名称：定向井管柱摩阻与扭矩计算项目负责人：申报日期：类别：þ自然科学类学术论文□哲学社会科学类社会调查报告和学术论文□科技发明制作石油工程学院本科生创新培养基金管理委员会制一、基本信息项目摘要：（限400字以内）定向井钻井技术是当今世界最先进的钻井技术之一，由于定向井能够绕过障碍物和提高油气采收率，通常被海上石油钻探或高山，城镇，湖泊等地区钻探广泛采用。但是定向钻井应用的关键障碍是摩阻扭矩的存在，过大的摩擦阻力使钻头加压、套管下入困难，因此摩阻扭矩对定向井的井眼轨迹设计与控制、机械钻速及套管的下入都有很大的影响，从而增大了定向钻井的风险。本课题

2、主要在前人的基础上，建立适合于井下实际的定向井摩阻扭矩计算模型和考虑定向井摩阻扭矩的钻柱屈曲计算模式；在此基础上，探讨摩阻扭矩模型在井眼轨道设计、钻柱优化设计、漂浮下套管分析、摩阻扭矩的实时监测分析、以及井眼环空净化等方面的具体应用。三、经费预算经费用途金额备注测试/计算/分析费1000主要用于数值模拟的计算工作会议/差旅费300调研、市场采集与学习交流文献/资料费500购买相关书籍，打印复印相关文献资料实验耗料费200软件购买安装仪器设备使用费100计算机的使用其他400注册文件的购买，联系发表研究论文合计2500进行研究的总共费用四、申请报告（一）立项依据与研究内容1．项目的立项依据1

3、.1研究定向井摩阻扭矩的意义近年来，随着海上油田的勘探向滩海和深海的发展，定向井由于其成本上的优势越来越多地被油田所采用。然而由于套管与管柱的摩阻和扭矩的问题使得井眼轨迹的偏离和管柱与套管的磨损使得钻井出现了一些困难。尽管国内外专家对摩阻扭矩问题进行了大量的研究，并且建立了不少的数学模型，但这些模型对于解决问题的方案还有所欠缺。对于摩阻和扭矩的计算，有些方程都是以滑动摩擦产生的摩阻和扭矩为假设，取管柱微元段作为增量方程计算，可能存在一定的欠妥，因此以三种弯曲井段导出的微分方程为基础，对假设的井斜角θ和方位角α没有同时变化的理论公式和近似公式一代数方程导出，将其增量方程变为微分方程，从而推导

4、出摩阻扭矩的计算方程的方法有着一定的意义。1.2定向井摩阻扭矩研究现状1.2.1定向井研究现状定向井作为较先进的钻井技术之一，已经被各油田广泛采用。在国外，技术发展比较早而且渐趋于成熟。在我国，定向井技术起步较晚，但发展较快。1984年打成了江汉第一口江油陆采的定向井—黄36井（红旗码头），目前国内定向钻井技术已为成规技术。和国外相比主要差距在于仪器装备落后，技术人员奇缺。1.2.2国外摩阻扭矩研究现状约翰西克(Johansick)在1983年首次对全井钻柱受力进行了研究，开始了对管柱摩阻与扭矩研究的起步。Sheppard等人在1986年将摩阻扭矩理论用于井眼轨道设计，研究了井眼轨道形状对

5、拉力、扭矩的影响，通过分析认为悬链线轨道能减少扭矩和拉力。在轴向力计算时，他们强调应考虑钻井液内外压差对轴向力的修正作用。Maida等人对拉力、扭矩进行了平面和空间的分析，建立了应用于现场的二维和三维的数学模型。他建立的二维模型如下，运动速度对摩擦系数进行分解，用以模拟钻柱周向运动和轴向位移对扭矩和摩阻的影响。1.2.3国内摩阻扭矩研究状况在国内张建群教授于1989年最先给出了定向井中摩阻力的计算模型，其特点是在约翰两克(Johansick)模型的基础上作了进一步的细化，井对其应用进行了初步的研究。韩志勇教授于1993年对定向井摩阻扭矩计算进行了总结，建立了自己的二维和三维摩阻模型，最大特

6、点是对增斜段，可以判断钻柱是与上井壁还是与下井壁接触。并重新推导了弯曲井眼中钻柱受力微分方程。2．项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。2.1研究内容以及拟解决的关键问题结合摩阻扭矩的研究现状，对定向井摩阻扭矩问题从模型建立、影响因素分析以及摩阻扭矩具体应用等方面展开研究，其研究内容主要包括以下几个方面:1)结合定向井钻井特点，以及钻柱结构和钻柱所处的不同位置，建立适合于定向井摩阻扭矩分析的综合力学模型;2)分析目前已有的钻柱屈曲计算模式和计算公式，建立适合于定向井摩阻扭矩力学分析的钻柱屈曲计算模式;3)分析摩阻扭矩的具体应用，探讨摩阻扭矩模型在井眼轨道设计、钻柱优化设计、漂浮下

7、套管分析、摩阻扭矩的实时监测分析、以及井眼环空净化等方面的具体应用。关键问题在于理解钻柱屈曲影响，于定向井钻井的特殊性，摩阻的作用往往使得钻柱受压产生屈曲，屈曲的钻柱又将进一步的增大摩阻，定向井中钻柱的屈曲不可避免，因此研究钻柱的屈曲问题非常重要。根据屈曲的形态钻柱的屈曲可分为正弦屈曲和螺旋屈曲，诸多文献都给出了钻柱屈曲的计算公式。钻柱的屈曲对摩阻和扭矩有很大的影响，对于，垂直井段和倾斜井段，WuJiang博士建立了螺旋