水平井钻柱稳态拉力—扭矩模型及其应用

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1、维普资讯http://www.cqvip.com(『，。)I第2O卷第4期石油钻探技术Vo1．20，No．41992年l2月PETRClLEUMDRILLLN'GTECHNIQUF．SDec．，1992●水平井钻井技术专题●缩者按：水平井钻井，它同三维地震一道，被誉为八十年代石油行业具有革帝性的两大技术，近几年来，国外正在飞速发展，并不断完善提高。这项技术广泛用于提高钻探效益厦原油采收翠，见到了显著的牡台经济效益。我国的水平井技术，尚处于起步阶段。水平井钻井技术已列为国家八五重点科技攻差项目，有差油田、科研单位及院校正在进行联台攻羌为配台和推动这项技术的发展，本期刊出四篇具有代表性的水平井钻井

2、技术专题论文。但水早井技术难题很多，发展很快，四篇论戈远不能满足读者的需要。以后本刊将陆续报道各类油藏水平井井位及井眼轨道设计、轨迹测量与控制、取芯、钻井液与完井寝、套管柱设计与固井施工、工是仪器及计算机软件应庠等方面的羁研成果及现场经验望广大钻井工作者踊跃投稿，相互交流，共同提高，推动我国水平井技术的不断发展。水平井钻柱稳态拉力一扭矩模型及其应用＼／6一rI三卜李子丰到益圣撮要综合考虑钻柱、井眼环境、作业过程的影响后，建立了钻柱糖态拉力一扭矩模型．主要包括钻柱糖态扛力一扭矩擞分方程蛆和善作生垃程的边界难件。在NMH—I水平井中，应用谖模型确定了钻柱与井壁的摩擦未敷}分析了钻柱的受力状态峭定了

3、井下动力钻进的实际钻压I选择了井身剖面-确定了水平井段i大可钻长度。主题调水平井一钻柱扛力扭矩模型应用一——一和结构力的影响。本文在硬钻柱拉力一扭矩引言模型的研究基础上，综合考虑钻柱、井眼轨水平井钻柱拉力和扭矩的研究有助于改迹和井眼状况，特别是考虑了钻柱的运动状进水平井剖面设计、减少阻力和扭矩、合理态和钻井液的结构力和粘滞力的影响后，建选用钻机和设计钻柱。通过比较实测和预测立了钻柱稳态拉力一扭矩模型，并在扭矩及阻力，有助于识别井下存在的同题。NMH—l水平井中进行了验证，给出了应用1983年，c．A．Johansick考虑了定向井中钻实例。柱的拉力、重力和井眼轨迹等参数，首先建一、模型的建立立

4、了钻柱拉力一扭矩模型，浃模型的特点是简单，不考虑钻柱的刚度[1]。1987年何华山(一)影响钻撞拉力和扭矩的因素提出了硬钻柱拉力一扭矩模型[2]，使该项研影响钻柱拉力和扭矩的因素可分为钻柱究有了新的突破。但模型仍存在一些问题：构成、井眼环境、作业过程及参数三类。(1)未考虑钻柱的运动状态，模型在某些情钻柱构成包括各钻桂段的尺寸、形状、安况下出现谬误}(2)未考虑钻井液的粘滞力放位置和材质。·车文系八五国家重点科技攻关项甘“术平钻井技术”的部分内窖-参加此项研究工作的还有大港石油管理局钻井公司王锅普橱健乐、剂步亭等同志．维普资讯http://www.cqvip.com石油钻探技术井眼环境包括井眼

5、几何尺寸(井径、井深、井斜角、方位角、曲率、挠率等)、钻柱-4-△与井壁的接触状态、接触力、摩擦系数、钻村-r井液的密度、粘度、切力。作业过程可分为起钻、下钻、井下动力钻进、旋转钻进和特殊作业五种。其工程参数为起下钻速度、钻压、转速等。(二)钻柱稳态拉力一扭矩微分方程为了建模方便，特做如下假设；图2微单元钻柱受力图①井壁呈刚性；百dM=FXf+(2)②钻柱与井壁均匀接触，钻柱中心与井和费雷内公式[3]眼中心一致；③泥浆为宾汉液体，密度为常数；’’dt=月，④摩擦系数在某一口井或某一井段为常dn数l面=一KbI+K(3)⑤钻柱内动载不大，略去。一一K．n为了表达方便，建立直角大地坐标系ONED、

6、空间曲线坐标系OPO、直角伴随三棱及滑动摩擦定律等，可以导出钻柱稳态拉力形随动坐标系Ptnb，见图1在0NED中，一扭矩微分方程组：0为井口，N轴向北，E轴向东，D轴向下}~flrnq-m。在OPO中，O为钻头处，P为井眼轴线的任意一点}在Ptnb中，I为钻桂的切线方向的+EIKhN—CV—B单位向量，^为钻柱的主法线方向的单位向+尸k·I0量，b为钻柱的副法线方向的单位向量。傲单元钻柱受力见图2。一E1T+ElK~．Kb++_Ⅳ+flNb+Pk·^=0dl(EIK．Kb+KbM)一ElKdKb一+Nb-fl+Pk·b=O，rd、其中．F=n+F^+FbDgK)M一一M+M曲一一M+EIK圈1

7、三个坐标系H兰尸通过钻柱的力平衡方程，一一，2M+(Ⅳ+，】Ⅳb)+(NbdF⋯H，一，Ⅳ)6力矩平衡方程一一flrN+mo维普资讯http://www.cqvip.com第20卷第4期李子丰刘希圣：水平井钻柱穗态拉力一扭矩模型及其应用·3·～=．害F萧，在此计算过程中，钻柱组合、井眼轨迹、摩擦系数等都是已知参数，边界条件如下：=耳i，①起下钻钻柱下端的拉力和扭矩为零，即N：to1fTM((0)=