关于电学模型类比可行性的论述

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1、关于钻井工程流体力学模型用电学模型类比可行性的论证引言钻井过程中引发的井内事故由不同因素引起，危害程度和预测难度都不尽相同，这英屮最难预测就是钻具刺漏事故。刺漏是钻井中较为常见却难以在第一时间发现的一种井下事故。钻具刺漏的原因多种多样，比如钻杆选型不合理导致连接不够紧密、泵入的泥浆压力超过钻具所能承受的压力上限、由于钻具木身震动原因导致钻具连接处的螺纹松动等等都口J能造成钻具刺漏事故的发生。刺漏会引起立管压力卜•降、出11流量暂时增加、钻头扭矩上升等传感器参数变化。刺漏如果不能及时被发现，随着钻进过程刺

2、漏量会逐渐加大①，由于它主要发生在钻杆结合处，严重时可能引发掉钻具，造成巨大经济损失并严重影响工程作业进度；另外刺漏引起的压力下降、泥浆不足导致对钻头处岩屑清理不充分等原因，还会引起钻头包泥；当刺漏发生在水眼处吋还口J能导致水眼从钻头脱落。因此如何监测和预报刺漏故障成为钻井工程故障预测的重中Z重。论证鉴于刺漏引起的传感器参数变化主要跟立管压力，出口流量和转盘（钻柱）扭矩冇关，这三个参数分别口J通过立管压力传感器，出口流量计和转盘扭矩传感器测得。木文希望论述通过用电学模型类比钻井过程中流体力学模型的方式进

3、行仿真并完成对三项参数变化方式的采集和分析，以便做出对刺漏故障的监测和预报的可行性。现通过三方面进行类比：一、网络拓扑：如下图一所示，这是一个石油钻井平台的简易图，本文需要类比的地下部分,主要由套管、钻杆、钻铤和钻头组成其中有泥浆循环流动。如图，该网络由动力元件（动力机和泥浆泵）、屮间网络（管道、钻具、泥浆等）、输出元件（钻头等）组成，箭头方向为泥浆流动方向。当发生钻柱刺漏事故时，相当于在图中加入由虚线表示的故障模型，意味着泥浆直接由钻杆内部刺漏到钻柱和套管的环空屮。当水眼处刺漏时也可用相同的模型这里不

4、再赘述。现将该拓扑结构应用在电路模型中，如下图三：电学元电学元•件网络1>1件网络电能元件电学元件网络<丿电动机模块电学元0*电学元件网络件网络图三对应网络屮模块分别由电学模块替换，箭头所指方向为电流方向，虚线所示为刺漏支路。二、参数替换本小节中对流体模型中主要的三个参数：立管压力、出口流量和转盘扭矩进行电学参数类比。出口流量是通过出口流量计测得单位时间内流过管道截面的泥浆体积来得出的，它主要受泥浆流速影响。在立管上接有压力表，可读出立管压力值。立管压力主要曲环空压耗，钻头压降，另外使用螺杆和仪器的压降

5、等组成。转盘扭矩由转盘扭矩传感器测得，可以用来反映井下工况和钻头使用情况。立管压力大小会影响流速，进而改变出口流量大小。他们之间的比例关系受到管道和流体间阻力的影响，11管道越长阻力越大。这种阻力冇两种形式，一为沿程损失，一为局部损失，这两种情况将在下面做详细介绍。电学模型中电流的定义为指定单位时间内通过导线某一截而的电荷量，因此可用电流来类比流量；同样由动力元件产生的压力可有电源提供的电压来类比；它们之间的比例关系由电阻来类比；转盘扭矩直接反映钻头处的扭矩情况，如果用电动机类比钻头，则口J用电动机的转

6、矩类比扭矩。这样每一段管道的压降就可看成由电阻产生的电压降，电阻的大小由管道形状、长度、粗糙度等和流体密度、粘稠度、表而应力等因素决定。当确定某一钻井平台后，其流体参数基本不变，管道确定，因此每一段的电阻大小可认为仅受管道长度和截面直径影响，而其他参数可合并为一个参数,在此类比为比例系数Ko这种压降在流体力学中被称作沿程损失，即缓变流在流动过程中由于各流体微团或流体层Z间以及流体与管壁Z间的摩擦引起的能量损失。它可用达四-维斯巴赫公式表示，BIJ：hf（2.1）d2ghf称为沿程摩擦损失，简称为沿程损失

7、。hf表示管道流动中单位重力物体引沿程摩擦而损失的能量。入为沿程损失系数，由试验确定；1为管道长度；d为管道直径；g为重力加速度；v为流休流速。因此电阻的表达式可类比为比例系数K、长度1和截面直径d关系:R=K-d（2.2）由于钻井平台的泥浆泵、泥浆池、地上管道，检测仪表等都会产生压降，因此还需对这一部分引入电源内阻，但其产生机理和地下部分不同。其大小需要通过实际平台数据归纳得到对应比例系数。对应参数的测量可用电压表类比立管压力传感器，通过电流表类比出I」流量计，用电机转矩测量仪类比扭矩传感器。三.元件

8、类比动力元件：用电能元件类比流体力学中的动力元件，这里用带内阻的电源，其内阻可视为地上部分的压降（包括泥浆泵、泥浆池、管道、动力机中的压降）和检测仪表的压降的和。当泵冲一定时，采用恒压源类比。中间网络：用固定电阻类比管道、以便产生对应长度的压降。这里需要说明的是由于流体下行过程（钻柱屮）和上行过程（环空屮）的管道材质、形状、截面积不同，类比中所用比例系数K和截面直径d的取值可能不同。刺漏支路：1）引入电阻：当刺漏发生时，相当于在干路屮出现一