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1、钻井工程天然气工业2007年1月3钻柱拉力扭矩模型在侧钻水平井中的应用1,2123张宝增王瑞和张春玲李子丰(1.中国石油大学2.中国石油大港油田集团有限公司3.燕山大学)张宝增等.钻柱拉力扭矩模型在侧钻水平井中的应用.天然气工业,2007,27(1):68271.摘要在油气井作业中,由于钻柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻井和修井作业均有很大的影响,甚至成为作业成败的关键。钻柱的拉力和扭矩分析是水平井和大位移井设计和施工的重要内容。为此,介绍了钻柱拉力扭矩分析的数学模型、钻柱稳定性判别方法和屈曲后的附加压力和附加应力的钻柱强度校核方法。对钻进过程中的G10425CP12侧钻
2、水平井钻柱的各种运动状态进行了力学分析。计算表明,在正常施工过程中钻柱一直处于稳定状态,具有比较大的安全系数。主题词钻井钻柱拉力扭矩大港油田水平井钻柱拉力—扭矩模型有两类:软钻柱模型和硬其中et、en和eb分别为钻柱变形线的切线方向、主法钻柱模型。软钻柱模型应用较早,简单且有一定精线方向和副法线方向的单位向量。度,硬钻柱模型应用稍晚、复杂、精度高。1983年C.(3)钻柱拉力扭矩微分方程。钻柱拉力扭矩微A.Johansick考虑了定向井钻柱拉力、重力和井眼轨分方程组为:迹,首先建立了定向井钻柱拉力—扭矩模型(软钻柱dMt=f1RoN+m0模型)。1987年,美国NL公司何华山博士提
3、出了硬dl钻柱拉力—扭矩模型,克服了软钻柱模型的缺点,使dFt+EIKdkBb-f2N-Cv-B+qket=0dldl该研究有了新的进展。1992年,李子丰建立了定向2dkb2水平井钻柱稳态拉力—扭矩模型,并获得了成功的-EI2+kbFt+EIknkb+knkbMt(1)dl应用。+Nn+f1Nb+qken=0一、钻柱拉力扭矩模型-d(EIknkb+kbMt)-EIkdkbn+Nbdldl(1)基本假设。①钻柱处于线弹性变形状态;②-f1Nn+qkeb=0钻柱横截面为圆形或圆环形;③井壁呈刚性;④钻柱τ02μ3+其中:m0=2πRoω;与井壁连续接触;⑤井内流体密度为常数,宾厄姆流
4、v2+(R2Dw-2Rooω)体;⑥摩擦系数在某一口井或某一井段为常数;⑦钻2πRoτ0v2πμB=;C=柱中动载不大,略去;⑧略去钻柱的温度变化;⑨略v2+(Roω)2Dwln2Ro去剪力对作业管柱弯曲变形的影响;⑩把一切引起轴向阻力和旋转扭矩增加的因素都等价于钻柱与井f1=Roωf;f2=vf;2222v+(Roω)v+(Roω)壁摩擦系数的变化。22(2)坐标系。采用如下两个坐标系:①直角笛卡N=Nb+Nn尔大地坐标系ONED,原点O取在井口处,N轴向式中:Mt为钻柱内的扭矩,N·cm;l为从井口开始北,单位矢量为i;E轴向东,单位矢量为j;D轴向的井眼轴线的弧长,cm;Ro
5、为钻柱的外半径,cm;N下,单位矢量为k。②自然曲线坐标系(et,en,eb),为钻柱与井壁的线接触压力,N;Ft为钻柱的轴向拉3本文系中国石油天然气集团公司科技攻关项目。作者简介:张宝增,1964年生,博士研究生,教授级高级工程师;1986年毕业于大庆石油学院钻井工程专业;2005年于南开大学工商管理硕士研究生毕业,现任中国石油大港油田集团有限公司副总经理。地址:(300283)天津市大港区大港油田。电话:(022)25966116。E2mail:zhangbz@tjdgoil.com·68·第27卷第1期天然气工业钻井工程2力,N;E为钻柱材料的弹性模量,N/cm;I为钻柱式中
6、:α为井斜角,(°);rb为井筒半径与钻柱外半径4截面惯矩,N/cm;Kb为井筒曲率,(°)/30m;v为钻之差,cm。柱起出速度,m/s;q为单位长度钻柱的浮重,N/cm;2.正弦屈曲状态K为直角笛卡尔大地坐标系ONED的单位矢量,垂2EIqsinαEIqsinα若-2≤Ft<-2直向下;Kn为井筒挠率;Nn为N在en方向上的分rbrb量,N;Nb为N在eb方向上的分量,N;ω为钻柱的(7)角速度,rad/s;τ0为钻井液的动切力,Pa·s;Dw为则杆管柱处于正弦屈曲状态。发生正弦屈曲后,会井筒直径,cm;f为钻柱与井壁的摩擦系数。有附加的钻柱与井壁的正压力产生,但数值不大,且(
7、4)边界条件。难以计算,故略去。附加弯曲应力为:0.921)监测钻柱与井眼的摩擦系数、钻柱受力状态σ2yrb0.08EIqsinαbc≈0.3151(-Ft)-Ft-2和钻柱与井壁的接触压力。Irb通过作业过程中测得的大钩负荷和转盘扭矩,(8)可以监测钻柱与井眼的摩擦系数、钻柱受力状态和式中:y为计算点到钻柱弯曲中性面的距离,cm。钻柱与井壁的接触压力。3.螺旋屈曲状态Ft(L)=02EIqsinα若Ft≤-2(9)rbMt(L)=0①起下钻过程(2)则杆管柱处于螺旋
