第3章5大位移井管柱摩阻扭矩分析概述

1大位移井管柱摩阻扭矩计算软件2主要内容•问题的提出•力学模型•计算软件的功能•应用实例•结论3摩阻/扭矩分析在大位移井工程中的地位•摩阻和扭矩是在大位移井设计和现场施工中备受重视的两个关键因素。•钻前的扭矩和摩阻分析是大位移井可行性研究的出发点之一，是钻机设备选择或升级改造的基础，是优化井眼轨迹剖面设计的重要依据。•钻后的摩阻和扭矩分析是优选下套管作业方案的依据。•对比预测的扭矩/摩阻和实测的扭矩/摩阻，可以监测井筒清洗程度。45直角坐标系和曲线坐标系6二维井眼中管柱轴向载荷的解析解111cossincossin1iiiiiiBAeBATTii7三维井眼中的管柱单元T为轴向力为井斜角为方位角为管柱单元的全角变化Ls为管柱单元的长度q为单位长度管柱的有效重量为切向量n为法向量m为副法向量下标0、1和2分别表示管柱单元的中点、上端点和下端点8管柱轴向载荷计算模型nEasFFqLTTcos2cos21sndpqLnTTF3212sinssnpqLmmqLF3snpndpnLFFF22a为平均井斜角为摩阻系数Fndp为法线方向的正压力Fnp为副法线方向的正压力Fn为单位长度总正压力FE为和管柱弯曲变形有关的正压力n3为法向量的第三分量m3为副法向量的第三分量9管柱旋转钻进时的摩阻系数22tmttVVV22tmmaVVV2602ttDnVμa轴向的摩阻系数μt周向摩阻系数μ滑动摩阻系数n转速，min-1Dt管柱外径Vm轴向运动速度Vt周向最大运动速度10管柱的扭矩计算221tjsnTTDLFMMMT1单元上端的扭矩MT2单元下端的扭矩Dtj管柱接箍外径μ滑动摩阻系数Fn单位长度总正压力Ls管柱单元的长度11管柱单元的划分12已知的下端轴向力初始假设的上端轴向力计算正压力计算上端轴向力计算结果是否满足精度要求满足不满足上一单元下一单元即为上一单元的上端轴向力即为下一单元的下端轴向力由下端轴向力计算管柱单元上端轴向力的流程13是否轴向压力计算屈曲产生的正压力是否屈曲计算正常情况的正压力否否是是任一管柱单元中正压力和计算14管柱的螺旋屈曲临界载荷E材料杨氏弹性模量I截面的惯性矩q轴向分布力r管柱和井眼之间的间隙井斜角rEIqFhelsin2215EIrTFnhel42管柱发生螺旋屈曲时的侧向力Ｔ轴向载荷r钻柱接箍外壁和井壁之间的距离E弹性模量I截面惯性矩1617不同下套管方式的内部状态InsideStateofDifferentCasingRunning常规常规掏空全掏空漂浮接箍钻井液空气套管井眼181920XJ24-3-A22大位移井：大钩载荷计算值与实测数据的对比（R1WT1In；摩阻系数取0.27）21XJ24-3-A22大位移井：大钩载荷计算值与实测数据的对比（R1WT1Out；摩阻系数取0.29）22XJ24-3-A22大位移井：钻215.9mm井眼的转盘扭矩的计算值与实测值对比（摩阻系数取0.20）23XJ24-3-A22井不同方法下套管时大钩载荷与测深的关系（阻系数取0.50）24北堡西3X1井套管柱轴向力沿井深方向分布（实钻测斜数据，摩阻系数0.484）25L30－1井26L30－1井27L30－1井管径mm接头直径mm线密度kg/m壁厚mm段长m158.8158.8134.750.830127.0165.173.525.470127.0165.129.09.19630127.0165.173.525.4180127.0165.129.09.192590Φ216PDC及牙轮钻头＋Φ214双母稳定器＋Φ159短钻铤2m＋Φ214稳定器＋Φ159非磁钻铤1根＋Φ127无磁承压钻杆1根＋Φ127加重钻杆6根+Φ127钻杆63柱＋Φ127加重钻杆18根＋Φ127钻杆＋133方钻杆28L30－1井上提时大钩载荷为1324.43kN（摩阻为552.09kN，实测600kN）；下放时大钩载荷为461.93kN（摩阻为310.41kN）；摩阻系数为零时大钩载荷为772.34kN。摩阻系数取0.329L30－1井摩阻系数取0.3下钻30L30－1井摩阻系数取0.331L30－1井摩阻系数取0.232L30－1井摩阻系数为0.233钻具处于悬挂状态时，钻具上作用了静摩阻力。当钻具悬重为882.9kN（90吨），算得摩阻系数为0.076；当钻具悬重为981.0kN（100吨），算得摩阻系数为0.135。正常情况下，上提钻柱时大钩载荷为931.95kN（95*9.81+50），算得摩阻系数为0.105；最高摩阻的情况下，上提钻柱时大钩载荷为1531.95kN（95*9.81+600），算得摩阻系数为0.379。L30－1井34Z104/Z104H井35Z104/Z104H井36管径mm接头直径mm线密度kg/m壁厚mm段长m127.0165.173.525.433.00127.0165.129.09.19925.63127.0165.173.525.4221.25127.0165.129.09.193849.12最后一趟钻具组合简化为下表所示φ215.9mm+φ172mm1.25°单弯6.92m+431×410+LWD5.29m+φ127mm无磁加重DP9.20m+MWD1.51m+411×410+φ127mm无磁加重DP9.19m+φ127mmDP925.63m+φ127mm加重DP221.25m+DP37上提时大钩载荷为1322.36kN（摩阻141.17kN，实测180～200kN）；下放时大钩载荷为1050.51kN（摩阻130.68kN）；摩阻为零时大钩载荷为1181.19kN。按摩阻为180～200kN反算的摩阻系数为：0.362~0.390。摩阻系数表明，摩阻稍大。Z104/Z104H井摩阻系数0.338Z104/Z104H井滑动钻进时大钩载荷与下深的关系摩阻系数0.339总结•通过管柱单元分析，建立了摩阻/扭矩分析的力学模型。•开发了摩阻/扭矩分析软件，实现管柱轴向力、大钩载荷、转盘扭矩及摩阻系数等计算功能。•应用实例表明，该软件采用的力学模型正确，软件操作简便，可以推广应用。