定向井、水平井钻柱力学分析与应用探讨

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翻新时间：2022-10-31

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定向井、水平井钻柱力学分析与应用探讨

1钻柱力学分析

为建立定向井和水平井的力学模型体系，了解钻柱在水平井和定向井在井眼的实际状况，以理论研究为基础，从而假定了以下条件，钻柱为变截面的空心圆杆，钻柱为小的变形弹性体，定向井和水平井井眼的横截面的初始状况为圆形。钻头所受到的弯矩系数为零。钻柱以及定向井井壁接触看做弹性接触。同时不考虑摩擦力的接触面形状的影响。钻柱在进入了弯曲阶段接触井壁下侧时，弯曲段的井率与井眼具有同样的曲率，通过建立三位坐标体系明确定向井和水平井井眼轨迹以及钻柱变形。定向井中钻柱与井壁产生接触时，在理论上可认为是弹性的，首先可按照赫兹问题计算井壁接触面上的正反力，而后将所得的数值乘上摩擦系数值，由此得出了摩擦反力。根据实际的理论可得出，QN和QT也就是正压力和摩擦反力的计算公式：

QN=%dG%] QT=fG%dG%]g3

上述公式中，%]是井壁接触面中心处与井壁初始位置相对应的法向沉陷量，fG是井壁摩擦系数，QN与%]具有相反的方向，而与QT则相互垂直，%dG的数值可通过下列计算公式得出：

%dG=・K

公式中E1和%e1这两个数值分别代表了杨氏模量和泊松比，K则为井壁接触地方的井壁以及杆柱表面在主曲率以及主曲率方向的系数。井壁中的摩擦力在杆的表面上发生作用，在将摩擦力的效果点转移到杆的轴线上之后，相应油气井的井壁对钻杆发生的作用还具有一定的摩擦扭矩。通过将相应的控制方程分析中可得知，为解开两个耦合的非线性常微分方程，可采用复变函数理论进行求解，同时还应结合逐次迭代法。根据摩擦节点处的位移以及相应井段的转角条件、上下断电的边界条件以及力与力矩的平衡条件以及接触条件可求得相应控制方程的解。进而求出钻柱不同层面上截面的内力。通过公式分析可了解到定向井和水平井中的钻压为P3沿着横截面的发展方向的有效的体积作用力。在通过控制方程求解得出微元段不同截面上的内力之后可求的各种内力的应力分量，而后可对钻柱的强度进行校准和核查。

2钻柱强度分析

定向井和水平井的钻井施工过程中，钻柱不仅受到管内外流体压差的影响作用力，同时也受到了轴向层面上的拉伸、弯曲、扭转和剪裁等综合方面的作用，在相应的荷载联合作用下，钻杆内部的某点应力单元体处于三向应力的发展情形下。轴向方向上的正应力，从理论研究而言在横截面上分布均匀，实际的计算公式为：

%lt（i）=

其中，A（i）为第i截面的横截面积，DN（i）为第i截面的轴向力，第i截面的合弯矩引起的弯曲正应力数值，在该层次上的横截面呈现线性的分布模式，而在中性轴上数值为零，且在坐标轴上表示出的曲线为外边缘数值最大，具体的计算公式如下：

%lb（i，r）=

计算公式中，DMx（i）为第i截面沿着钻柱的轴线主要的法线方向弯矩，DMy（i）为第i截面沿着钻柱轴线副法线方向弯矩，Iz（i）为第i横截面惯性矩;H（r）则为作用应力点到中性轴之间的距离。由Lame公式可计算出钻柱所受到的内液和外液引发压力造成的环向的正应力。通过等效应力以及钻柱许用应力的比较，从而明确了作用点的强度，井壁截面上沿着井壁厚方向对不同作用力点的Mises等效应力都不同，程序中通过将钻柱均分十等，并计算出各分点的等效应力，并将最大值作为截面的最大Mises等效应力。

3水平井摩阻和钻压

水平多分支井的钻柱设计优化的关键在于底部钻具组合（BHA）的组成构成以及造斜能力，在能有效控制井眼轨迹的基础上，降低水平井的摩阻和扭矩，尽可能减少水平井下钻柱将导致的疲劳失效等。随着具体的钻压施工中水平段的持续延长，同时由于地质导向的作用，水平井井眼的全角变化率将由于人为作用变大，致使钻压过程中的摩阻和扭矩不稳定，具有较大的变化，从而在很大程度上增加了钻具失效的风险。尤其是侧钻水平井的分支体系中，高曲率井段的存在导致了钻柱与水平井井壁之间接触正压力与摩擦阻力都在很大范围内增大。为有效降低水平井侧钻过程中摩擦阻力对钻井的影响，避免产生岩屑床，保证安全稳定的钻进，对水平井眼钻井中准确分析和计算摩阻数值十分必要，可通过建立阻力微分方程，计算得出水平井以及其分支井起钻和下钻过程中钻柱的总摩阻数值。

4结论