側(cè)鉆水平井作業(yè)管柱的穩(wěn)態(tài)拉力_扭矩模型和應(yīng)用_李子豐

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1、7114石油鉆末工藝99年第9卷第期側(cè)鉆水平井作業(yè)管柱的穩(wěn)’態(tài)拉力一扭矩模型及應(yīng)用李子豐于洪江朱振銳韓淑鵑大慶石油學(xué)院石油工程系大慶石油管理局禾油工藝研充所,考慮井、、、摘要根據(jù)側(cè)鉆水平井的作業(yè)過程眼執(zhí)進(jìn)作業(yè)管柱的重力液體的浮力作業(yè)管柱,,與井壁的摩徐力等因素的影響建立了側(cè)鉆水平升作業(yè)管柱的德態(tài)拉力和扭矩模型結(jié)合大慶油田,。第一口側(cè)鉆水平井的設(shè)計(jì)過程給出了該模型的應(yīng)用實(shí)例主題詞側(cè)鉆水平井管柱力學(xué)分析方程,。,作者簡介李子豐1962年生1983年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院鉆井專業(yè)1986年于該院石油機(jī)械;992田開發(fā).1992工程專業(yè)獲工學(xué)碩士學(xué)位J年于石油大學(xué)獲油氣工程專業(yè)工學(xué)博士學(xué)

2、位一1994年為哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天工程與力學(xué)系博士后。現(xiàn)任石油工程力學(xué)研究室主任、副研究員、叉,。龍江省振動工程學(xué)會常務(wù)理辛兼副秘書長SPE會員,在油井作業(yè)中由作業(yè)管柱和井壁接觸所產(chǎn)生的軸向阻力和扭矩?fù)p失對作業(yè)有很大的影,,,。響甚至成為作業(yè)成敗的關(guān)鍵為此必須對油氣井作業(yè)管柱的拉力和扭矩進(jìn)行深入的研究,、、先進(jìn)的拉力和扭矩模型尤其在與先進(jìn)的地面扭矩大鉤載荷井底扭矩和鉆壓的測量儀器結(jié),可:合使用時(shí)達(dá)到,;(1)優(yōu)選井眼軌跡使整個作業(yè)管柱的摩擦阻力和扭矩?fù)p失最小,;(2)選擇和校核地面設(shè)備優(yōu)化作業(yè)管柱設(shè)計(jì);(3)監(jiān)測井下問題;(4)指導(dǎo)下管柱作業(yè)(5。)確定作業(yè)管柱與井壁的接觸壓

3、力,垂直油氣井作業(yè)管柱的拉力和扭矩研究已有較長的歷史而定向井作業(yè)管柱拉力一扭矩,、。的研究僅有10年的歷史但是理論發(fā)展迅速推廣快定:。,向井鉆柱拉力一扭矩模型有兩類軟鉆柱模型和硬鉆柱模型軟鉆柱模型應(yīng)用較早;,、。,..簡單且有一定精度硬鉆柱模型應(yīng)用稍晚復(fù)雜精度高1983年CAoJhansick考慮了定向井鉆柱拉力、重力和井眼軌跡,首先建立了定向井鉆柱拉力一扭矩模型(軟鉆柱模型)。此后,....。,MCeard和EEMa記lahSP對該模型進(jìn)行了改進(jìn)該類模型雖可以滿足工程需要但有。198,一個缺點(diǎn)未考慮鉆柱的剛度7年美國NL公司何華山博士提出了硬鉆柱拉力一扭—“”“..”國家九

4、五科技攻關(guān)課題側(cè)鉆水平井作業(yè)苦柱力學(xué)分析的階段成果李子豐等側(cè)鉆水平井作業(yè)管柱的德態(tài)拉力一扭矩模型及應(yīng)用,,。,矩模型克服了軟鉆柱模型的缺點(diǎn)使該研究有了新的突破1992年李子豐建立了定向水平,。井鉆柱穩(wěn)態(tài)拉力一扭矩模型并獲得了成功的應(yīng)用,,本文在穩(wěn)態(tài)拉力一扭矩模型的基礎(chǔ)上考慮側(cè)鉆水平井作業(yè)管柱的特點(diǎn)建立了較為完,。善的側(cè)鉆水平井作業(yè)管柱穩(wěn)態(tài)拉力一扭矩模型并結(jié)合第一口側(cè)鉆水平井的設(shè)計(jì)進(jìn)行了應(yīng)用一、基本假設(shè)(”作業(yè)管柱處于線彈性變形狀態(tài);(2)作業(yè)管柱橫截面為圓形或圓環(huán)形;(3)井壁呈剛性;,,(4)在研究作業(yè)管柱的幾何參數(shù)時(shí)認(rèn)為作業(yè)管柱中心可以用井眼中心代替并與井壁連續(xù)接,;(5

5、)井內(nèi)流體為賓漢流體密度為常數(shù);(6)口井或某一井段為常數(shù);(7)作觸摩擦系數(shù)在某一,;;業(yè)管柱中動載不大可略去(8)作業(yè)管柱的溫度變化對本文研究的作業(yè)管柱的受力影響不大(9)略去剪力對作業(yè)管柱彎曲變形的影響。二、坐標(biāo)系,,。為了表達(dá)方便采用如下兩個坐標(biāo)系見圖1,,(l)直角笛卡爾大地坐標(biāo)系ONED原點(diǎn)O取在井口處N,,,;;軸向北單位矢量為字E軸向東單位矢量為了D軸向下單位矢量為龍。:,。,,:、。eee、eee、(2)自然曲線坐標(biāo)系為()其中和分別為作業(yè)管柱變形線的切線方向、主法線方向和副法線方向的單位向量。三、幾何方程,根據(jù)假設(shè)(4)作業(yè)管柱中心線的幾何參數(shù)可用井眼軸線

6、的圖1坐標(biāo)系幾何參數(shù)表示。設(shè)井眼軸線任意一點(diǎn)矢徑為汽一汽l(),其中l(wèi)為井眼軸線的弧長。由微分幾何可知d汽et一麗det一den一dl一k、en(1)ne、bet=k一kdeb二于寧-一kdl1.Z之了1.lwe、1I1

7、dZ

8、,`七n汽d汽ó.,之虎.~刁2了雨了`叢__、(2)、’些’些尸Z3dldldl一*乏四、運(yùn)動平衡方程取作業(yè)管柱微元受力如圖2所示,其中戶表示作業(yè)管柱的內(nèi)力,萬表示單位長度作業(yè)管,,柱上的外力耐表示作業(yè)管柱的內(nèi)力矩碗表示單位長度作業(yè)管柱上的外力對作業(yè)管柱中心石油鉆采工藝年第卷第期的力矩。通過受力分析,建立如下運(yùn)動平衡方程M+△MF+△Fd戶了`、`、

9、月戶、尹.,一片任八jdl一d耐書_一一二;-一et廠一mOl1.作用在作業(yè)管柱上的外力作用在作業(yè)管柱上的,,;外力有(l)浮重垂直向下(2)井內(nèi)液體的粘滯力與運(yùn),;動方向相反(3)作業(yè)管柱與井壁的正壓力在接觸點(diǎn)垂,;直于作業(yè)管柱表面(4)作業(yè)管柱與井壁的滑動摩擦力與運(yùn)動方向相反;(5)摩擦力所產(chǎn)生的扭矩。為此萬一己+舜+了+戶(5)圖2作業(yè)管柱徽元受力分析圖(l)浮重矢量云一杯(6)nenbeb(2)正壓力矢量可一N+N(7)(3)滑動摩擦力矢量。作業(yè)管柱在工作時(shí),既有軸向運(yùn)動,又有繞自身軸線的轉(zhuǎn)動Z