鉆具的受力分析

1、五、水平井鉆具的受力分析水平井鉆具的受力分析是一個(gè)比較復(fù)雜的力學(xué)問題，在水平井摩阻與扭矩分析和計(jì)算的 基礎(chǔ)上，我們可以定性的分析在一定井眼條件和一定鉆井參數(shù)情況下，不同鉆具組合對井眼 軌跡控制的能力。鉆柱與井壁產(chǎn)生的摩阻和扭矩，用滑動摩擦理論計(jì)算如下：F =p XNTr = p XNXR式中：F 一摩擦力M 一摩擦系數(shù)N 一鉆柱和井壁間的正壓力R 一鉆柱的半徑Tr 一摩擦扭矩從上式可以看出，p和N是未知數(shù)，通過大量現(xiàn)場數(shù)據(jù)的回歸計(jì)算求出：p =0.21 （鉆柱與套管）p =0.280.3 （鉆柱與裸眼）同時(shí)我們對正壓力也進(jìn)行了分析和計(jì)算。1、正壓力大小的計(jì)算（1）彎曲井眼內(nèi)鉆具重量和井眼曲率引

2、起的正壓力N1現(xiàn)有的摩阻和扭矩計(jì)算模式是根據(jù)軟繩假設(shè)建立起來的，即鉆具的剛度相對于井眼曲 率可忽略不計(jì).設(shè)一彎曲井眼上鉆柱單位長度的重量為W，兩端的平均井斜角為I，兩端的 平均方位角為A。如果假定Y軸在垂直平面內(nèi)，X軸在側(cè)向平面內(nèi)，把N1沿X和Y軸分解，則：N 1y=TX sin I + WX sin IN 1x=TX sinAX sin INi = （T x sin I + w x SINi） + T x sin A x sin I（2）鉆柱彎曲產(chǎn)生的彎曲正壓力N2鉆柱通過彎曲井段時(shí),由于鉆柱的剛性和鉆柱的彎曲，便產(chǎn)生了一種附加的正壓力n2。如圖所示：R=18000/K/pi(m)L=RX2

3、X0=2XL/RL1=2XRX sin0(m)根據(jù)力學(xué)原理:M=EXImXK/18000*piM=N2X (L1/2)-TXL1Xsin0則有：N2=2XTX sin0+2XEXImXK/1719XL1這里：K井眼曲率( /100 米)L一井段長度（米）L1一L的直線長度（米）N2一附加正壓力(KN)E一彈性模量(KN/m)I m一截面慣性矩(m4)2、摩擦系數(shù)的確定在設(shè)計(jì)一口水平井時(shí)，我們可以利用鄰井摩擦系數(shù)來預(yù)算摩阻和扭矩。在實(shí)鉆過程也可 以實(shí)求摩擦系數(shù)的大小,其方法如下：用轉(zhuǎn)盤鉆至某一井深時(shí)，均勻反復(fù)上提下放活動鉆具，記錄上提懸重Q上和下放懸 重Q下。在同一井深，轉(zhuǎn)動鉆具，記錄此時(shí)的懸重

4、Q轉(zhuǎn)。上提摩擦力 F=Q-Q轉(zhuǎn)，下放摩擦力 FT=QT-Q轉(zhuǎn)。計(jì)算出相應(yīng)井深的上提正壓力N上和下放正壓力N下。求上提/.下放摩阻系數(shù)|J上和|J下：p上=F/N上=(Q上-Q轉(zhuǎn))/ N上M T=FT/NT=(QT-Q轉(zhuǎn))/ N下水平井摩阻和扭矩的計(jì)算：在確定了正壓力的大小和摩擦系數(shù)的大小以后，就可對水平井的摩阻和扭矩進(jìn)行計(jì)算。拉力增量T=WXcosI 土p XN扭矩增量Tr = p XNXR起鉆時(shí)：T2 = T1+WXcosI + p XN下鉆時(shí)：T2 = T1+WXcosI - p XN鉆具只轉(zhuǎn)動時(shí)：T2 = T1+WXcosITr2=Tr1+ p XNXR使用上面的計(jì)算模式，我們編制了摩阻

5、扭矩的計(jì)算機(jī)程序。該程序主要有兩種工作方式， 即摩阻扭矩計(jì)算方式和確定摩阻系數(shù)計(jì)算方式。在確知摩擦系數(shù)的前提下，可對摩阻扭矩進(jìn) 行鉆前預(yù)測和實(shí)鉆校正，在這一過程中，可對各種水平井不同井段工作情況的鉆具組合進(jìn)行 受力分析，由此可進(jìn)行鉆柱設(shè)計(jì)。在實(shí)鉆過程中，也可根據(jù)實(shí)測的摩阻值反推摩擦系數(shù)。力學(xué)分析模式建立起來后，我們對其正確性進(jìn)行了驗(yàn)證。在現(xiàn)場施工過程中，我們將理 論懸重等計(jì)算值與現(xiàn)場實(shí)測值進(jìn)行比較，其結(jié)果比較接近，誤差僅為12%左右，說明這 一模式能夠較準(zhǔn)確地反映出長、中半徑水平井的鉆具受力的情況。3、水平井鉆具的力學(xué)分析使用該計(jì)算模式和計(jì)算機(jī)程序可對長、中半徑水平井的各種鉆具組合及各種工作狀

6、態(tài)進(jìn) 行力學(xué)分析。這一工作可以作為組合下井鉆具的理論依據(jù)，也可以在實(shí)際井眼軌跡控制過程 中進(jìn)行現(xiàn)場分析，具體講來，可分為下面幾種情況。A、起下鉆工作狀態(tài)：可以對給定井深、給定鉆具結(jié)構(gòu)在起下鉆過程進(jìn)行力學(xué)分析，包括起下鉆過程中鉆柱在 各處所受的軸向載荷、正壓力、摩阻。這些分析可以用繪圖或列表的形式表示出來。B、轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)工作狀態(tài)：在轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，可以對給定井深、鉆具結(jié)構(gòu)、鉆井參數(shù)條件下的鉆柱進(jìn)行力學(xué)分析， 其中包括鉆柱在各處所受的張力、正壓力、扭矩。分析結(jié)果可以用繪圖或列表的形式表示出 來。C、動力鉆具鉆進(jìn)工作狀態(tài)：在動力鉆具滑動定向鉆進(jìn)時(shí)，可以對給定井深、鉆具結(jié)構(gòu)、鉆井參數(shù)條件下的鉆柱進(jìn)行 力

7、學(xué)分析，其中包括鉆柱在各處所受的張力、正壓力、扭矩。分析結(jié)果可用繪圖或列表的形 式表示出來。利用這些分析方法，對水平井的鉆具組合進(jìn)行鉆前設(shè)計(jì)、鉆進(jìn)過程及鉆后分析，總結(jié)出 一套適應(yīng)水平井井眼軌跡控制的鉆具結(jié)構(gòu)。它一般有六部分組成。其中第一部分為井底鉆具組合，主要由鉆頭、穩(wěn)定器、動力鉆具及無磁鉆鋌等組成，其 主要作用是控制井眼軌跡，使之滿足軌道設(shè)計(jì)的要求。該部分鉆具單位重量相對較大，且一 般處于大斜度井段或水平段，對產(chǎn)生鉆壓所起的作用很小甚至不起作用，因此在滿足井眼軌 跡控制要求的前提下，應(yīng)盡可能地縮短該部分的長度，這對于我們減小摩阻和扭矩來說是非 常必要的。第二部分是鉆壓傳遞段，其作用是將鉆壓和

8、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動傳遞給井底鉆具組合，對它的要求 是在負(fù)荷傳遞過程中不受破壞，加鉆壓后不產(chǎn)生彎曲，且能使產(chǎn)生的摩阻和扭矩最小。第三 部分為增斜段下部，通常井斜角在6090度的井段，該部分鉆柱主要承受剪切負(fù)荷、軸向 負(fù)荷及由于井眼曲率而產(chǎn)生的彎曲負(fù)荷，因?yàn)樵摼尉贝螅@柱的重量不僅不能產(chǎn)生多大 的鉆壓，反而會產(chǎn)生較大的正壓力，為減小摩阻和扭矩，在滿足剪切負(fù)荷、軸向負(fù)荷及彎曲 負(fù)荷的前提下，在該井段井使用較輕的鉆具。第四部分為增斜段上部，井斜角一般小于60度，對該段要求主要是在加壓時(shí)不發(fā)生失 穩(wěn)彎曲。第五部分是重量累積段，要求該井段鉆具能產(chǎn)生第四部分以外的鉆壓。通常在增斜段上 方下入鉆鋌或加重鉆桿來產(chǎn)生要

9、求的鉆壓。第六部分為直井段，該段鉆具通常處于受拉狀態(tài)，所承受的拉伸負(fù)荷及剪切負(fù)荷相對較 大，要能夠滿足其強(qiáng)度要求。概括地講就是抗拉、抗剪、抗彎與鉆具重量間的平衡。對于長半徑水平井來說，在井斜角a / ATN(1/p )時(shí)，其鉆柱設(shè)計(jì)與普通定向井一樣， 只在井斜角a N ATN(1/p )或水平段時(shí)，主要要簡化井底鉆具組合使之滿足井眼軌跡控制 的要求即可，這在減小摩阻扭矩的同時(shí)，還減小了粘附卡鉆的可能性。通常我們在井斜角大 于60度以后采用G105斜臺肩鉆桿，其強(qiáng)度高、重量輕，能滿足傳遞負(fù)荷減小摩阻的要求。 在此上面的鉆具為鉆壓產(chǎn)生段，經(jīng)理論分析得知，繼續(xù)使用G105鉆桿就能滿足加壓的要求， 鉆具不需要倒置(即不需要在上部井段下入鉆鋌或加重鉆桿以推動井底鉆具組合)。但在鉆 進(jìn)過程中，有時(shí)使用倒置鉆具，不是為了產(chǎn)生鉆壓，而是在中和點(diǎn)附近使用強(qiáng)度較高的鉆鋌， 使鉆桿免遭交變載荷的作用，這對保護(hù)鉆桿來說是有益的。具體作法是在中和點(diǎn)附近加約80 m的鉆鋌，上下兩端用加重鉆桿進(jìn)行過渡，在整個(gè)鉆進(jìn)過程中確保