钻柱摩阻计算与分析(4)

从油气井钻柱动力学基本方程出发，已经分别建立了有杆泵抽油系统井下动态参数诊断和预测的数学模型。其中斜直井有杆泵抽油系统诊断技术已获得了较成功的应用。 （5） 钻柱振动

在钻井过程中，由于钻头牙齿间断地与地层接触或岩石的间歇破碎，导致钻头并带动钻柱振动。钻柱振动按形式分为纵向振动、扭转振动和横向振动三类。产生振动的原因一是钻头间歇破碎岩石所产生的轴向交变力和位移，二是钻柱绕井眼中心的涡动。当钻头振动的频率为钻柱固有频率的整数倍时，钻柱将处于共振状态。钻柱内的交变应力和振幅相当大，导致钻柱断裂或粘扣。研究钻柱的纵向振动对设计钻柱、设计减振器和选择合适的转速有重要的指导意义。 从油气井钻柱动力学基本方程出发，已经建立了垂直井钻柱纵向、扭转振动及其耦合振动的数学模型。 （6） 热采井管柱力学分析

注蒸汽采油是开采稠油时应用最广泛、效益较高的方法之一。影响注蒸汽采油效益至关重要的因素是高温在油井管柱内产生的热应力，此应力可能使套管产生屈服变形或断裂、注汽管柱发生屈曲。为此，从水蒸汽的热力学性质入手，已经建立了井筒地层热学计算的理论数学模型；结合现场实际，建立了井筒地层热学计算的简化数学模型；利用热弹性力学理论，对套管和隔热油管进行了力学分析。

10

3.3 钻柱摩阻预测与分析

由于地层因素、工艺措施等各方面的作用，实际钻出的井眼轨道是一条空间曲线，在钻柱的轴向拉力和自重分力的作用下，钻柱与井壁之间存在正压力和摩擦力。这些力对钻柱的强度和磨损起到关键作用。钻柱的拉力扭矩研究是从定向井中开始的，无论是大斜度井还是小斜度井，三维定向井钻柱拉力扭矩模型都完全适用。

用于钻柱摩阻分析和预测的钻柱拉力-扭矩模型主要有两类：软杆模型和刚杆模型。软杆模型应用较早，简单且有一定精度，刚杆模型应用稍晚、复杂、精度高。

1983年C.A.Johansick考虑了定向井钻柱拉力、重力和井眼轨迹，首先建立了定向井钻柱摩阻模型（软杆模型）。此后，M.C.Sheppard和E.E.Maidla对该模型进行了改进。该类模型虽可以满足工程需要，但有一个缺点——未考虑钻柱的刚度。

1987年，美国NL公司何华山博士提出了刚杆摩阻模型，克服了软杆摩阻模型的缺点，使该研究有了新的突破。

本章首先重点介绍基于刚杆变形的钻柱拉力——扭矩分析摩阻模型，并对三维软杆模型及其修正模型给予简述，然后讨论摩阻的预测和分析以及摩擦系数的反演方法，并对摩阻的影响因素给予讨论和分析，最后通过实例进行验证。

3.3.1 摩阻分析方法与对象

1) 摩阻分析方法

如图3.4所示，完成一口井的钻进任务，通常需要n套钻具组合，每套钻具完成各自的某一井深段。要对一口井进行完整的摩阻分析计算，必须进行静态分析和动态分析。

我们把钻头钻进至某一井深时，分析整个钻柱串上每一点的摩阻和扭矩，称为静态摩阻分析。而把钻头从井口开始钻进到最终井底，分析钻头在每一井深处时井口的摩阻、扭矩和大钩载荷，称为动态摩阻分析。显然，静态分析是钻头钻

11

进至某一井深时刻的摩阻分析“快照”，通过多次静态分析，取其井口拉力和扭矩计算结果才可完成动态分析，因此动态分析的基础仍然是静态分析，只不过动态分析所反映的内容在于井口载荷的变化。井口载荷动态变化对于钻井设计也是非常重要的，它也是设计钻柱组合和设计钻井方案及装备选用的依据，因此静态分析和动态分析是摩阻分析两个重要方面，二者相辅相成，缺一不可。 实际计算时，我们把每套钻具完成的井深段分成若干增量段，钻头每钻进一个增量段进行一次静态计算，分别对n套钻具组合进行这样的分段静态计算，最终完成动态计算。

图3.4摩阻分析分段示意图

进行静态计算，首先把钻头在某井深处的钻柱串划分成有限个单元段，然后从最接近钻头的单元开始计算轴向力F的增量和扭矩M的增量以及摩阻力。自

12

下而上对每个单元段计算，直至井口。特别要注意两点，一是当前的钻柱串结构，二是当前的井身尺寸一定要对应钻头当前的位置。 2) 摩阻分析对象

摩阻分析对象基本上分两类：一类是已知摩擦系数求摩阻和载荷，主要应用于摩阻和载荷预测；另一类是已知载荷反演摩擦系数，主要用于积累摩擦系数的经验数值和事后摩阻分析评估。

3.3.2 三维刚杆摩阻模型

1） 基本假设

摩阻扭矩分析中最基础的理论仍然是库仑摩阻定律，即摩擦力的大小等于正压力乘以摩擦系数，其方向与运动方向相反，因此求取正压力是各种摩阻分析模型所涉及的核心问题，然而精确求取井壁与钻柱间的正压力并非容易的事，这是 因为钻柱与井壁间的接触状态受到诸多因素的影响而且不可确知。所以必须对钻柱接触和变形作出假设，才能进行摩擦阻力或扭矩的分析计算，这里讨论的三维刚杆摩阻模型的基本假设如下：

⑴钻柱处于线弹性变形状态； ⑵钻柱横截面为圆形或圆环形； ⑶井壁呈刚性； ⑷钻柱与井壁连续接触；

⑸井内流体密度为常数，宾汉流体； ⑹摩擦系数在某一口井或某一井段为常数； ⑺钻柱中动载不大，略去； ⑻略去钻柱的温度变化； …… 此处隐藏：429字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……