第3章5：大位移井管柱摩阻扭矩分析

1、1大位移井管柱摩阻扭矩計算軟件大位移井管柱摩阻扭矩計算軟件2主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容 問題的提出 力學(xué)模型 計算軟件的功能 應(yīng)用實(shí)例 結(jié)論3摩阻摩阻/扭矩分析在大位移井工程中的地位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設(shè)計和現(xiàn)場施工中備受重視的兩個關(guān)鍵因素。 鉆前的扭矩和摩阻分析是大位移井可行性研究的出發(fā)點(diǎn)之一，是鉆機(jī)設(shè)備選擇或升級改造的基礎(chǔ)，是優(yōu)化井眼軌跡剖面設(shè)計的重要依據(jù)。 鉆后的摩阻和扭矩分析是優(yōu)選下套管作業(yè)方案的依據(jù)。 對比預(yù)測的扭矩/摩阻和實(shí)測的扭矩/摩阻，可以監(jiān)測井筒清洗程度。45直角坐標(biāo)系和曲線坐標(biāo)系直角坐標(biāo)系和曲線坐標(biāo)系 6二維井眼中管柱軸向載荷的解析解二維井眼中

2、管柱軸向載荷的解析解 111cossincossin1iiiiiiBAeBATTii7三三 維維 井井 眼眼 中中 的的 管管 柱柱 單單 元元T 為軸向力為軸向力 為為井斜角井斜角 為方位角為方位角 為管柱單元的全角變化為管柱單元的全角變化Ls 為管柱單元的長度為管柱單元的長度q 為單位長度管柱的有效重量為單位長度管柱的有效重量 為為切向量切向量n 為法向量為法向量m 為副法向量為副法向量下標(biāo)下標(biāo)0、1和和2分別表示管柱單元分別表示管柱單元的中點(diǎn)、的中點(diǎn)、上端點(diǎn)和下端點(diǎn)上端點(diǎn)和下端點(diǎn)8管管 柱柱 軸軸 向向 載載 荷荷 計計 算算 模模 型型nEasFFqLTTcos2cos21sndpqL

3、nTTF3212sinssnpqLmmqLF3snpndpnLFFF22 a為平均井斜角為平均井斜角 為摩阻系數(shù)為摩阻系數(shù)Fndp為法線方向的正壓力為法線方向的正壓力 Fnp為副法線方向的正壓力為副法線方向的正壓力Fn為單位長度總正壓力為單位長度總正壓力 FE為和管為和管柱柱彎曲變形有關(guān)的正壓力彎曲變形有關(guān)的正壓力n3為法向量的第三分量為法向量的第三分量 m3為副法向量的第三分量為副法向量的第三分量9管柱旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時的摩阻系數(shù)22tmttVVV22tmmaVVV2602ttDnVa軸向的摩阻系數(shù)軸向的摩阻系數(shù)t周向摩阻系數(shù)周向摩阻系數(shù)滑動摩阻系數(shù)滑動摩阻系數(shù)n轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速，min-1Dt管柱外徑管

4、柱外徑V Vm m軸向運(yùn)動速度軸向運(yùn)動速度V Vt t周向最大運(yùn)動速度周向最大運(yùn)動速度 10管管 柱柱 的的 扭扭 矩矩 計計 算算 221tjsnTTDLFMMMT1單元上端的扭矩單元上端的扭矩MT2單元下端的扭矩單元下端的扭矩Dtj管柱接箍外徑管柱接箍外徑滑動摩阻系數(shù)滑動摩阻系數(shù)Fn單位長度總正壓力單位長度總正壓力Ls 管柱單元的長度管柱單元的長度11管柱單元的劃分 12已知的已知的下端軸向力下端軸向力初始假設(shè)的初始假設(shè)的上端軸向力上端軸向力計算正壓力計算正壓力計算上端軸向力計算上端軸向力計算結(jié)果是否計算結(jié)果是否滿足精度要求滿足精度要求滿足滿足不滿足不滿足上一單元上一單元下一單元下一單元即

5、為上一單元即為上一單元的上端軸向力的上端軸向力即為下一單元即為下一單元的下端軸向力的下端軸向力由下端軸向力計算管柱單元上端軸向力的流程由下端軸向力計算管柱單元上端軸向力的流程13是否軸向壓力是否軸向壓力計算屈曲產(chǎn)計算屈曲產(chǎn)生的正壓力生的正壓力是否屈曲是否屈曲計算正常情計算正常情況的正壓力況的正壓力否否否否是是是是任一管柱單元中正壓力和計算任一管柱單元中正壓力和計算14管柱的螺旋屈曲臨界載荷管柱的螺旋屈曲臨界載荷E材料楊氏彈性模量材料楊氏彈性模量 I 截面的慣性矩截面的慣性矩 q 軸向分布力軸向分布力r r 管柱和井眼之間的間隙管柱和井眼之間的間隙 井斜角井斜角rEIqFhelsin2215EI

6、rTFnhel42管柱發(fā)生螺旋屈曲時的側(cè)向力管柱發(fā)生螺旋屈曲時的側(cè)向力軸向載荷軸向載荷r r鉆柱接箍外壁和井壁之間的距離鉆柱接箍外壁和井壁之間的距離 E彈性模量彈性模量 I截面慣性矩截面慣性矩1617不同下套管方式的內(nèi)部狀態(tài)不同下套管方式的內(nèi)部狀態(tài)Inside State of Different Casing Running常規(guī)常規(guī)常規(guī)掏空常規(guī)掏空全掏空全掏空漂浮接箍漂浮接箍鉆井液鉆井液空氣空氣套管套管井眼井眼181920XJ24-3-A22大位移井：大鉤載荷計算值與實(shí)測數(shù)大位移井：大鉤載荷計算值與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比（據(jù)的對比（R1 WT1 In；摩阻系數(shù)?。荒ψ柘禂?shù)取0.27）21XJ24-3

7、-A22大位移井：大鉤載荷計算值與實(shí)測數(shù)大位移井：大鉤載荷計算值與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比（據(jù)的對比（R1 WT1 Out；摩阻系數(shù)??；摩阻系數(shù)取0.29）22XJ24-3-A22大位移井：鉆大位移井：鉆215.9 mm井眼的轉(zhuǎn)盤扭井眼的轉(zhuǎn)盤扭矩的計算值與實(shí)測值對比（摩阻系數(shù)取矩的計算值與實(shí)測值對比（摩阻系數(shù)取0.20）23XJ24-3-A22XJ24-3-A22井不同方法下套管時大鉤載荷與測深的關(guān)系井不同方法下套管時大鉤載荷與測深的關(guān)系（阻系數(shù)取（阻系數(shù)取0.500.50）24北堡西北堡西3X1井套管柱軸向力沿井深方向分布井套管柱軸向力沿井深方向分布（實(shí)鉆測斜數(shù)據(jù)，摩阻系數(shù)（實(shí)鉆測斜數(shù)據(jù)，摩阻系數(shù)0.

8、484）25L30L301 1井井 26L30L301 1井井 27L30L301 1井井 管徑mm接頭直徑mm線密度kg/m壁厚mm段長m158.8158.8134.750.830127.0165.173.525.470127.0165.129.09.19630127.0165.173.525.4180127.0165.129.09.192590216PDC216PDC及牙輪鉆頭及牙輪鉆頭214214雙母穩(wěn)定器雙母穩(wěn)定器159159短鉆鋌短鉆鋌2m2m214214穩(wěn)定器穩(wěn)定器159159非磁鉆鋌非磁鉆鋌1 1根根127127無磁承壓無磁承壓鉆桿鉆桿1 1根根127127加重鉆桿加重鉆桿6 6

9、根根+127+127鉆桿鉆桿6363柱柱127127加加重鉆桿重鉆桿1818根根127127鉆桿鉆桿133133方鉆桿方鉆桿 28L30L301 1井井 上提時大鉤載荷為上提時大鉤載荷為1324.43kN1324.43kN（摩阻為（摩阻為552.09kN552.09kN，實(shí)測，實(shí)測600kN600kN）；下放時大鉤載荷為）；下放時大鉤載荷為461.93kN461.93kN（摩阻為（摩阻為310.41kN310.41kN）；摩阻系數(shù)為零時大鉤載荷為）；摩阻系數(shù)為零時大鉤載荷為772.34kN772.34kN。 摩阻系數(shù)取0.3 29L30L301 1井井 摩阻系數(shù)取0.3 下鉆 30L30L30

10、1 1井井 摩阻系數(shù)取0.3 31L30L301 1井井 摩阻系數(shù)取0.2 32L30L301 1井井 摩阻系數(shù)為0.2 33鉆具處于懸掛狀態(tài)時，鉆具上作用了靜摩阻力。當(dāng)鉆具懸重為882.9kN（90噸），算得摩阻系數(shù)為0.076；當(dāng)鉆具懸重為981.0kN（100噸），算得摩阻系數(shù)為0.135。正常情況下，上提鉆柱時大鉤載荷為931.95kN（95*9.81+50），算得摩阻系數(shù)為0.105；最高摩阻的情況下，上提鉆柱時大鉤載荷為1531.95kN（95*9.81+600），算得摩阻系數(shù)為0.379。 L30L301 1井井 34Z104/Z104HZ104/Z104H井井 35Z104/Z

11、104HZ104/Z104H井井 36管徑mm接頭直徑mm線密度kg/m壁厚mm段長m127.0165.173.525.433.00127.0165.129.09.19925.63127.0165.173.525.4221.25127.0165.129.09.193849.12最后一趟鉆具組合簡化為下表所示 215.9mm+172mm1.25215.9mm+172mm1.25單彎單彎6.92m+4316.92m+431410+LWD5.29m 410+LWD5.29m +127mm+127mm無磁加重?zé)o磁加重DP9.20m+MWD1.51m+411DP9.20m+MWD1.51m+411410

12、 + 127mm410 + 127mm無無磁加重磁加重DP9.19m+127mmDP925.63m+127mmDP9.19m+127mmDP925.63m+127mm加重加重DP221.25m+DP DP221.25m+DP 37 上提時大鉤載荷為上提時大鉤載荷為1322.36kN1322.36kN（摩阻（摩阻141.17kN141.17kN，實(shí)測，實(shí)測180180200kN200kN）；下放時大鉤載荷為）；下放時大鉤載荷為1050.51kN1050.51kN（摩阻（摩阻130.68kN130.68kN）；摩阻為零）；摩阻為零時大鉤載荷為時大鉤載荷為1181.19kN1181.19kN。 按摩阻為按摩阻為180180200kN200kN反算的摩阻系數(shù)為：反算的摩阻系數(shù)為：0.3620.3620.390。摩阻系數(shù)。摩阻系數(shù)表明，摩阻稍大。表明，摩阻稍大。Z104/Z104HZ104/Z104H井井 摩阻系數(shù)摩阻系數(shù)0.3 0.3 38Z104/Z104