钻具的受力分析

1、五、水平井钻具的受力分析水平井钻具的受力分析是一个比较复杂的力学问题，在水平井摩阻与扭矩分析和计算的 基础上，我们可以定性的分析在一定井眼条件和一定钻井参数情况下，不同钻具组合对井眼 轨迹控制的能力。钻柱与井壁产生的摩阻和扭矩，用滑动摩擦理论计算如下：F =p XNTr = p XNXR式中：F 一摩擦力M 一摩擦系数N 一钻柱和井壁间的正压力R 一钻柱的半径Tr 一摩擦扭矩从上式可以看出，p和N是未知数，通过大量现场数据的回归计算求出：p =0.21 （钻柱与套管）p =0.280.3 （钻柱与裸眼）同时我们对正压力也进行了分析和计算。1、正压力大小的计算（1）弯曲井眼内钻具重量和井眼曲率引

2、起的正压力N1现有的摩阻和扭矩计算模式是根据软绳假设建立起来的，即钻具的刚度相对于井眼曲 率可忽略不计.设一弯曲井眼上钻柱单位长度的重量为W，两端的平均井斜角为I，两端的 平均方位角为A。如果假定Y轴在垂直平面内，X轴在侧向平面内，把N1沿X和Y轴分解，则：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）钻柱弯曲产生的弯曲正压力N2钻柱通过弯曲井段时,由于钻柱的刚性和钻柱的弯曲，便产生了一种附加的正压力n2。如图所示：R=18000/K/pi(m)L=RX2

3、X0=2XL/RL1=2XRX sin0(m)根据力学原理:M=EXImXK/18000*piM=N2X (L1/2)-TXL1Xsin0则有：N2=2XTX sin0+2XEXImXK/1719XL1这里：K井眼曲率( /100 米)L一井段长度（米）L1一L的直线长度（米）N2一附加正压力(KN)E一弹性模量(KN/m)I m一截面惯性矩(m4)2、摩擦系数的确定在设计一口水平井时，我们可以利用邻井摩擦系数来预算摩阻和扭矩。在实钻过程也可 以实求摩擦系数的大小,其方法如下：用转盘钻至某一井深时，均匀反复上提下放活动钻具，记录上提悬重Q上和下放悬 重Q下。在同一井深，转动钻具，记录此时的悬重

4、Q转。上提摩擦力 F=Q-Q转，下放摩擦力 FT=QT-Q转。计算出相应井深的上提正压力N上和下放正压力N下。求上提/.下放摩阻系数|J上和|J下：p上=F/N上=(Q上-Q转)/ N上M T=FT/NT=(QT-Q转)/ N下水平井摩阻和扭矩的计算：在确定了正压力的大小和摩擦系数的大小以后，就可对水平井的摩阻和扭矩进行计算。拉力增量T=WXcosI 土p XN扭矩增量Tr = p XNXR起钻时：T2 = T1+WXcosI + p XN下钻时：T2 = T1+WXcosI - p XN钻具只转动时：T2 = T1+WXcosITr2=Tr1+ p XNXR使用上面的计算模式，我们编制了摩阻

5、扭矩的计算机程序。该程序主要有两种工作方式， 即摩阻扭矩计算方式和确定摩阻系数计算方式。在确知摩擦系数的前提下，可对摩阻扭矩进 行钻前预测和实钻校正，在这一过程中，可对各种水平井不同井段工作情况的钻具组合进行 受力分析，由此可进行钻柱设计。在实钻过程中，也可根据实测的摩阻值反推摩擦系数。力学分析模式建立起来后，我们对其正确性进行了验证。在现场施工过程中，我们将理 论悬重等计算值与现场实测值进行比较，其结果比较接近，误差仅为12%左右，说明这 一模式能够较准确地反映出长、中半径水平井的钻具受力的情况。3、水平井钻具的力学分析使用该计算模式和计算机程序可对长、中半径水平井的各种钻具组合及各种工作状

6、态进 行力学分析。这一工作可以作为组合下井钻具的理论依据，也可以在实际井眼轨迹控制过程 中进行现场分析，具体讲来，可分为下面几种情况。A、起下钻工作状态：可以对给定井深、给定钻具结构在起下钻过程进行力学分析，包括起下钻过程中钻柱在 各处所受的轴向载荷、正压力、摩阻。这些分析可以用绘图或列表的形式表示出来。B、转盘钻进工作状态：在转盘旋转钻进时，可以对给定井深、钻具结构、钻井参数条件下的钻柱进行力学分析， 其中包括钻柱在各处所受的张力、正压力、扭矩。分析结果可以用绘图或列表的形式表示出 来。C、动力钻具钻进工作状态：在动力钻具滑动定向钻进时，可以对给定井深、钻具结构、钻井参数条件下的钻柱进行 力

7、学分析，其中包括钻柱在各处所受的张力、正压力、扭矩。分析结果可用绘图或列表的形 式表示出来。利用这些分析方法，对水平井的钻具组合进行钻前设计、钻进过程及钻后分析，总结出 一套适应水平井井眼轨迹控制的钻具结构。它一般有六部分组成。其中第一部分为井底钻具组合，主要由钻头、稳定器、动力钻具及无磁钻铤等组成，其 主要作用是控制井眼轨迹，使之满足轨道设计的要求。该部分钻具单位重量相对较大，且一 般处于大斜度井段或水平段，对产生钻压所起的作用很小甚至不起作用，因此在满足井眼轨 迹控制要求的前提下，应尽可能地缩短该部分的长度，这对于我们减小摩阻和扭矩来说是非 常必要的。第二部分是钻压传递段，其作用是将钻压和

8、旋转运动传递给井底钻具组合，对它的要求 是在负荷传递过程中不受破坏，加钻压后不产生弯曲，且能使产生的摩阻和扭矩最小。第三 部分为增斜段下部，通常井斜角在6090度的井段，该部分钻柱主要承受剪切负荷、轴向 负荷及由于井眼曲率而产生的弯曲负荷，因为该井段井斜大，钻柱的重量不仅不能产生多大 的钻压，反而会产生较大的正压力，为减小摩阻和扭矩，在满足剪切负荷、轴向负荷及弯曲 负荷的前提下，在该井段井使用较轻的钻具。第四部分为增斜段上部，井斜角一般小于60度，对该段要求主要是在加压时不发生失 稳弯曲。第五部分是重量累积段，要求该井段钻具能产生第四部分以外的钻压。通常在增斜段上 方下入钻铤或加重钻杆来产生要

9、求的钻压。第六部分为直井段，该段钻具通常处于受拉状态，所承受的拉伸负荷及剪切负荷相对较 大，要能够满足其强度要求。概括地讲就是抗拉、抗剪、抗弯与钻具重量间的平衡。对于长半径水平井来说，在井斜角a / ATN(1/p )时，其钻柱设计与普通定向井一样， 只在井斜角a N ATN(1/p )或水平段时，主要要简化井底钻具组合使之满足井眼轨迹控制 的要求即可，这在减小摩阻扭矩的同时，还减小了粘附卡钻的可能性。通常我们在井斜角大 于60度以后采用G105斜台肩钻杆，其强度高、重量轻，能满足传递负荷减小摩阻的要求。 在此上面的钻具为钻压产生段，经理论分析得知，继续使用G105钻杆就能满足加压的要求， 钻具不需要倒置(即不需要在上部井段下入钻铤或加重钻杆以推动井底钻具组合)。但在钻 进过程中，有时使用倒置钻具，不是为了产生钻压，而是在中和点附近使用强度较高的钻铤， 使钻杆免遭交变载荷的作用，这对保护钻杆来说是有益的。具体作法是在中和点附近加约80 m的钻铤，上下两端用加重钻杆进行过渡，在整个钻进过程中确保