钻柱摩阻计算与分析(12)

来源：网络收集时间：2026-08-31

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在进行动态分析时，分析步长不宜过小。因为，过小的步长，意味着较多的静态分析过程，会大大增加计算量。事实上，步长较小时，静态分析计算出的井口载荷变化并不大，因此对于分析井口载荷的动态变化意义不大。实际计算时，动态分析步长可取50m，即大约两根立柱的长度，就足以满足实际需要。 3）分析结果

在静态摩阻分析中，摩阻分析结果是钻柱上不同单元点的拉力、扭矩与正压力，如果进行强度校核和考虑稳定性，还有安全系数，失稳情况。静态分析结果主要用于设计和选用钻柱串。

在动态摩阻分析中，分析结果是井口拉力和扭矩随钻柱在井内长度（或钻头深）的变化情况，主要用于考察设备的负荷容量是否满足需要以及设计钻压是否加得上等问题。

3.3.6 摩擦系数反演

如前文所述，根据实际测量的大钩载荷和转盘扭矩，求解实际摩擦系数的过程，称之为摩擦系数反演。相对而言，计算钻柱摩阻的过程叫摩阻分析的正演过程。由于钻柱摩阻的计算，是求借一系列递推非线性方程组，因此无法用解析的方法反求摩擦系数，只能用试算和迭代法来逼近所求的摩擦系数。

在反演摩擦系数时应注意，摩擦系数的理论有效区间为（0，1），实际有效区间可能更笮，如果反演出的摩擦系数不在该区间内，则说明输入数据不合理，不合理的原因可能是数据有误，也可能存在模型中没有考虑的附加阻力，如粘卡力，因此，摩擦系数反演的意义，不仅仅在于可以修正摩阻预测的精度，还在于可以用来监测井下复杂情况，例如，如果反演摩擦系数接近或大于1，在排除数据错误的情况下，说明可能存在卡钻趋势。

3.3.7 摩阻影响因素分析

钻柱摩阻的存在不仅浪费了设备的功率、造成设备的损坏，还限制了钻达井深，因此减小摩阻是钻井工程设计，尤其是大位移井、大位移水平井设计中必须考虑的问题。本节重点分析影响钻柱摩阻因素及其影响规律，为钻柱减摩提供依

据，而有关具体的钻柱减摩措施和途径的详细讨论已超出本报告讨论范围，因此，此处不予讨论。

影响钻柱摩阻的主要因素有：

（1）井斜：在大井斜井眼中，由于钻柱重力的作用，造成较大的法向正压力，因而导致了较大的摩阻力和摩擦扭矩。

（2）井眼轨迹水平位移：在大位移井中，通常井斜也较大。大位移井中较大的水平位移或水平井中较长的水平段意味着有较长的钻柱存在较大的法向正压力，造成钻柱整体存在较大的摩阻，这也是为什么在大位移井和大位移水平井中摩阻问题比较突出的原因。

（3）狗腿度：即井眼曲率。由于钻柱刚性因素的作用，在大曲率（狗腿度严重）井眼中，钻柱的刚性变形造成了较大的侧向正压力。尽管可能只有局部井段存在较大狗腿度，但有时这种力相当大，足以使钻柱发生自锁，使钻柱无法顺利通过，例如刚性钻具组合无法通过较大狗腿度井段问题，这不仅对钻井作业造成了严重影响，也严重影响后续的完井作业。

（4）钻柱密度：钻柱的密度影响钻柱重量，从而影响影响其法向分量和摩擦阻力，一般情况下，使用轻质钻杆对于减小摩擦阻力是有益的，这在存在大段大斜度井段的井眼中尤其显著。

（5）泥浆密度：泥浆密度影响钻柱摩阻最直接的原因在于其对钻柱浮重的影响，大一些的泥浆密度，减小了钻柱的浮重，因而也减小了大斜度井中钻柱的法向力，例如漂浮下套管就是通过减小套管浮重来实现减阻的；泥浆密度影响钻柱摩阻的另一个重要原因恐怕就是压差卡钻阻力了，由于泥浆液柱压力和地层压力的差别，当前者大于后者时，会增加靠在井壁一侧的钻柱上的法向压力，导致钻柱更紧地靠在井壁上，增大钻柱的摩阻。因此泥浆密度对钻柱摩阻的影响，还要综合考虑，并非泥浆密度越大越好，一方面是因为压差阻力随泥浆密度增大而增大，另一方面，具体泥浆密度还受钻井工程因素的制约，通常在欠平衡钻井中，大一些的泥浆密度有利于见小钻柱摩阻。

（6）泥浆润滑性能：与前面几个因素通过对钻柱法向力的影响而影响钻柱摩阻不同，泥浆润滑性能通过影响钻柱与井壁间的摩擦系数来影响钻柱的摩阻。通常油基泥浆要比水基泥浆具有更好的泥浆性能，因此在油基泥浆中，钻柱的摩

阻往往相对较小。

（7）钻柱非旋转护箍：尽管使用钻柱非旋转护箍的初衷可能并不仅仅是为了见小钻柱的旋转摩擦扭矩，而是很大程度为了保护套管不受磨损，但是钻柱非旋转护箍的使用客观上确实是减小了钻柱的旋转摩擦扭矩，降低了转盘扭矩的损失。

（8）井眼清洁情况：岩屑床的存在，将显著增加钻柱的摩擦阻力，因此，保证井眼清洁也是减小钻柱摩擦阻力的重要手段之一。

（9）泥浆粘滞力：严格的说，泥浆粘滞力对钻柱拉力和扭矩的影响不属于经典库仑定律所限定的摩擦阻力范畴，但是当泥浆粘度和切力较大时，其对钻柱拉力和扭矩的影响，尤其是井口拉力和扭矩的影响还是比较显著的，如果此时不予考虑，可能会在反演摩擦系数时造成较大误差。

除第（9）项外，这里主要就影响钻柱法向力和摩擦系数两方面的主要因素进行了讨论，而对于键槽等其他非常因素对钻柱摩阻的影响未予讨论，因为从严格意义上，这些因素即不属于摩擦力的范畴，也不属于正常现象，同时也难于建模，只能作为例外对待。例如通过对实测数据和理论计算数据的对比，可以对这些现象做出预告和诊断。

3.3.8 计算结果验证与分析

这里用实例计算分析来验证前面章节中所建立的摩阻分析模型和方法的准确性。基于前面所介绍的摩阻分析模型，开发了DragIT摩阻分析软件，在验证过程中使用了著名钻柱摩阻分析软件——Maul公司的DDrag8。为了对比，两套软件使用同一套数据进行分析。

对比分析表明：

1）对于小曲率井眼（井眼曲率<5?/30m），DragIT与DDrag8的摩阻分析结果比较接近，其平均相对误差不超过3%，而最大误差也不到6%。

2）对于中、高曲率井眼（井眼曲率>10?/30m，最高到30?/30m），不论是二维井眼还是三维井眼，DragIT与DDrag8的摩阻分析结果类似，拉力平均相对误差不超过6%，扭矩平均相对误差约1%左右，最大也不超过9%。

3）实际测量数据表明，DragIT用于工程计算具有足够的精度，其误差不超过6%，可用于指导工程设计与施工。

3.4 钻柱的屈曲

在钻井作业中，钻柱、套管柱在井筒中工作时在某些井段经常处于压扭状态,对它们的受力和变形状态进行较精确的分析有助于进行优化设计。

1962年, Lubinski首先用能量法分析了无重油管柱螺旋屈曲,求得了螺距与轴向压缩力的数学关系。1964年, Paslay 用能量法分析了斜直圆柱约束下圆杆的稳定问题。1984年Dawson将Paslay 的结果进行了一些技术处理得到了斜直井杆管柱失稳载荷的较简单的计算公式。R.F.Mitchell分别于是1982、1986、1988年发表文章, 利用力学基本方程分析螺旋屈曲的轴向载荷、接触压力和内力等。1990年, Yu-Che Chen 推导了正弦屈曲和螺旋屈曲的临界屈曲压力的公式, 并用实验进行了验证。

本章建立了斜直井中受压扭细长杆管柱几何非线性屈曲的微分方程,建立了斜井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型,分析了无重受压扭圆杆管柱的螺旋屈曲。

3.4.1 斜直井中杆管柱屈曲的微分方程

1）补充假设

本节在第3.2节基本假设的基础上，做如下补充假设: (1)杆管柱被压扭缩成螺旋状或正弦状, …… 此处隐藏：1591字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……

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