基于全井钻柱系统动力学的摩阻扭矩分析研究.pdf

第29卷专辑 固体力学学报 V01．29s．Issue OFSOLIDMECHANICSDecember2008 2008年12月 CHlNESEJOURNAL 基于全井钻柱系统动力学的摩阻扭矩分析 李田军石奎 (中国地质大学。武汉，430074) 摘要在嘲顾钻柱力学发展进程的基础上，总结了摩阻扭矩的研究现状，探讨了基于全井钻柱非线性系统 动力学的摩阻扭矩计算方法，获得了一些有价值的结论性认识，并针对大位移水平井给出了解析式。 关键词钻柱力学，系统动力学，摩阻扭矩 0 引言 1988年，Whiten以大变形为基础，并考虑了钻 随着钻井环境的愈发恶劣，钻井难度不断加大， 柱刚度的影响，提出了改进的摩阻扭矩模型，该模 新的钻井技术和钻井工艺(复杂结构井、特殊工艺 型考虑钻柱的刚性对摩阻、扭矩的影响，这种模型 井、深井超深井、小井眼井等)也不断出现并被广泛 一般被称为刚杆模型。 采用。但随之也带来了更多的一些技术难题，如钻 软绳模型和刚杆模型各有自己的优点和适用范 柱失效、摩阻计算、井眼轨迹难以精确预测和控制 围。软绳模型忽略了钻柱刚度及稳定器的影响，在 等，这些问题严重制约了我国当前的勘探开发进程。 曲率不大的光滑井眼条件下，用来计算由刚度较小 日益严峻的勘探开发局面对全井钻柱动力学基础理 的常规钻杆组成的钻柱段的摩阻扭矩能够给出足够 论的需求是迫切的，需要深入研究全井钻柱系统动 的精度。刚杆模型在曲率较大的井眼或由刚度较大 力学特性以帮助弄清井下钻具的运动规律及异常失 的加霞钻杆组成的钻柱条件下，其计算结果具有更 效的原因，帮助更好地计算及分析特殊工艺井中杆 高的精度。 柱的受载、稳定性、可下入性等，以推进其顺利实 1988年，Child应用连续梁研究了摩阻扭矩的计 施。 算。何华山以大变形为基础，并考虑了钻柱刚度的 I 摩阻扭矩问题的回顾 影响，提出了改进的拉力、扭矩模型。1992年，杨 摩阻扭矩计算是定向井、水平井、大位移井中 株提出的修正模犁综合考虑了井眼轨迹和井眼状 一个重要的研究课题。大位移井钻井过程中的摩阻 况，特别是考虑了钻柱的运动状态、钻井液黏力和 扭矩的预测和控制是成功实施大位移井的关键和难 Yan博士开 结构力的影响。美国德克萨斯大学Cheng 点所在。摩阻扭矩分析是大位移井轨道优化设计的 发了圆管弯曲模型，该模型考虑了三维实际井眼及 基础，是选择合理的钻井和下套管工具的前提。国 钻柱的刚性影响。 内外学者进行了大量的研究工作，建立了各种力学 秦永和等人在文献中提出：在钻柱底部的钻具 模型【1．8】。 组合部分，采用三维梁柱力学分析模型，经过有限 1983年，Johansick首先提出了在定向井中预测差分后，应用加权余量法进行数值求解；在大位移 钻柱拉力和扭矩的软绳模型，为改进井眼轨道设计、 井的造斜段、狗腿度比较大的井段以及刚度较大的 钻柱设计、现场事故诊断和预测提供了理论依据， 加重钻杆段，采用刚杆模型分析求解；在曲率变化 他的研究工作开创了全井钻柱力学分析的先河。 小并且刚度较小的常规钻杆段，采用软绳模型分析 求解。 Lesage在Johan