第6章钻柱摩阻计算.ppt

钻柱的摩阻摩扭计算 韩志勇 石油大学（华东） 2002年元月 本章内容 1．二维轨道摩阻摩扭简易计算； 2. 三维轨道摩阻摩扭计算； 2．钻柱受钻井液摩阻的计算； 3．下部钻具组合的摩阻计算； 研究摩阻摩扭问题的意义 设计及施工前： 优化井眼轨道； 计算钻柱受力，进行钻柱强度校核； 进行钻柱优化设计： 倒装钻柱的设计； 失稳弯曲的可能性； 轨道的最大水平段长、最大位移的限制； 计算大钩受力，选择钻机； 在钻进过程中： 监测井下复杂情况； 计算动力钻具反扭角； 计算套管可能的磨损，防止套管磨损； 计算钻头上可能的钻压； 尾管固井时，监测最大扭矩； 二维摩阻模型的简易计算 石油大学（华东） 韩志勇 使用二维摩阻模型的必要性和轨道曲线形状 二维摩阻模型，只能用于二维设计轨道： 在二维轨道设计时，通过摩阻计算，对比各种轨道方案， 选择最有方案； 在二维轨道设计之后，通过摩阻计算，预计该井在钻进过程中的钻柱摩组合摩扭； 二维设计轨道的曲线形状： 直线段，包括：垂直段，斜直段，水平段； 增斜段； 降斜段； 特殊曲线，例如悬链线等； 推导公式只考虑前三种曲线： 给定每种曲线的始点、终点的方向和长度。 摩阻计算的总设想 给定钻头上的轴向力Tb 和钻头扭矩Mb ； 从下而上，一段一段地进行计算轴向力： 下段的上端轴向力，就等于上段的下端轴向力，不过力的方向正好相反； 如此一直可以计算到井口； 摩阻力的计算，分段计算。全井摩阻力等于各段摩阻力之和； 摩扭的计算，也是分段计算。全井摩扭等于钻头扭矩再加上各段摩扭之和； 直线井段的摩阻摩扭计算 已知条件： 钻柱在泥浆中每米重力，qm ； 钻柱与井壁摩阻系数，f ； 钻柱直径do ； 钻柱长度ΔL ； 该段下端轴向力To ； 钻柱重力： W在轴向的分量： W在径向的分量： 摩阻力： Fm是有方向的， 起钻时，Fm与TW同向； 下钻时，Fm与TW反向； 直线井段的摩阻摩扭计算 求上端点轴向力和直线段的摩扭矩 降斜段摩阻计算 微元dL的重力dW可分解为： 和 。前者构成轴向力的一部分；后者构成正压力的一部分。 轴向力T引起的正压力 与重力引起的正压力方向一致。 微元摩阻力： 微元轴向力增量dT的计算，见下页。 降斜段摩阻计算 微分方程的建立 起钻：由 得： 下钻：由 得： 求解微分方程，得： 降斜段起下钻摩阻计算 两个公式合为一个： 上式中，起钻f取正值，下钻f取负值。这样一个公式可以当两个应用。 起下钻摩阻力的计算： 此时需要先计算T1，然后才能计算F 。如果将T1计算时代入此式中，可得到直接计算F 的公式。 降斜段钻进摩扭计算 钻进过程中，降斜段的轴向力计算： 增斜井段的摩阻 三种接触可能： 全段内与上井壁接触； 全段内与下井壁接触； 上部分与上井壁接触，下部分与下井壁接触；此种接触情况下，中间有一个与井壁不接触的点c(一个小的段） 接触情况不同，则计算公式就不同。 增斜井段的摩阻 左： 全段内与上井壁接触； 右： 全段内与下井壁接触； 分别推导两种接触条件下的计算公式。 增斜井段的摩阻 取微元dL，对应的弯曲角dα；则可得如下微分方程： 起钻过程： 下钻过程： 用一个公式表示： 增斜井段的摩阻 取微元dL，对应的弯曲角dα；则可得如下微分方程： 起钻过程： 下钻过程： 用一个公式表示： 增斜井段的摩阻 前面推导的四个微分方程，实际上只有两个表达形式： 增斜井段的摩阻 （求解过程从略） 增斜井段的摩阻 增斜井段的摩阻 增斜井段的摩阻 增斜井段内有三种接触状态，怎样知道是哪种接触状态呢？需要判断！ 钻柱在增斜井段内的接触状态，是重力引起的正压力（离心方向）与轴向拉力引起的正压力（向心方向）相互矛盾的结果。关键是T2的大小。 T2增大，钻柱趋向于与上井壁接触； T2大到并超过临界值T2s，将出现全段与上井壁接触。 T2减小，钻柱趋向于与下井壁接触；T2小到并小于临界值T2x，将出现全段与下井壁接触。 增斜井段的摩阻 增斜井段内有三种接触状态，怎样知道是哪种接触状态呢？需要判断！ 先假定全段为“与下井壁接触”状态，计算两个判别标准值T2x和T2s 。 当 时，钻柱与下井壁接触； 当 时，钻柱与上井壁接触； 当 时，乃是第三种接触状态，此时必然存在一个C点。 增斜井段的摩阻 由