定向井钻压传导计算方法.docx

文章编号：1005-8907（2011）03-403-03定向井钻压传导计算方法郑双进 1，2，黄志强 1，2，陈彬 3，周吉祥 4（1.中国石油钻井工程重点实验室长江大学研究室，湖北 荆州 434023；2.长江大学石油工程学院，湖北 荆州 434023）3.中海石油（中国）有限公司深圳分公司，广东 深圳 518000；4.胜利石油管理局渤海钻井公司，山东 东营 257000）摘 要 在 定 向 井 、水平井钻井过程中 ，钻柱摩阻的存在直接影响了钻压传导 ，井底钻压往往低于预定施加钻压 ，严 重 影 响了 钻 井 效 率 。因 此 ，科学地进行钻压传导分析 ，准确地计算井底实际钻压是保证定向井快速钻井的关键 。考虑钻井液对钻柱 轴 向 力 的 影 响 ，并结合定向井钻柱结构特点 ，分别对上部钻柱和底部钻具组合进行受力分析 ，建立了上部钻柱和底部钻具 组合轴向力的计算方法 。该方法可根据井口大钩载荷计算井底实际钻压 ，对于分析定向井钻压传导 ，指导定向井钻井施工 ， 提高钻井效率具有重要的实际意义 。关键词 定 向 井 ；摩 阻 ；钻 压 传 导 ；大 钩 载 荷中图分类号：te21文献标志码：acalculating method for wob conducting of directional wellzheng shuangjin1，2, huang zhiqiang1，2, chen bin3, zhou jixiang4(1.research department of key laboratory for drilling engineering, yangtze university, jingzhou 434023, china; 2.college ofpetroleum engineering, yangtze university, jingzhou 434023, china; 3.shenzhen company of cnooc, shenzhen 518000, china;4.bohai drilling company of shengli petroleum administration bureau, sinopec, dongying 257000, china)abstract: in the course of drilling directional well and horizontal well, the presence of friction affects the wob (weight on bit ) conducting directly and the wob at bottom hole is often lower than that of predetermined wob， which affects the drilling efficiency seriously. therefore, scientifically analyzing the wob conducting and correctly calculating the actual wob at bottom hole are the keys for ensuring the fast drilling of directional well. in this paper, the influence of drilling fluid on the axial force in drill string was considered. combined with the structural features of drilling string in directional well, the force of upper drill string and bha wasanalyzed respectively and the calculation method of axial force of upper drill string and bha was established. this method can calculate the actual wob at bottom hole according to the hook load. it has important practical significance to analyze wob conducting, guiding the drilling operation and improving drilling efficiency.key words: directional well; friction; wob conducting; hook load近年来，定向井、水平井在国内外应用日益广泛，但由于其特殊井眼轨迹的影响， 在非垂直段钻进过程 中，钻柱摩阻阻碍了钻压传导，直接影响了钻井施工效 率。因此，研究定向井钻压传导分析计算方法具有重要 的现实意义。 1983年，johansick首次提出了预测钻柱拉 力和扭矩的软杆模型1。 1988年，何华山以大变形理论上部钻柱和底部钻具组合轴向力的计算方法， 为定向井钻压传导分析奠定了基础。 通过计算井底获得的实 际钻压，可以合理配置和调整施工参数，为定向井钻井 施工提供技术指导，以提高钻井效率。钻井液对钻柱轴向力的影响定向井钻井过程中， 钻柱轴向力除受到井壁或套 管约束产生的摩阻力外， 由于存在钻井液流体与钻柱 的相对运动，钻柱轴向力还受到钻井液黏滞力的影响。 此外，若钻井液液柱压力与地层压力之间存在正压差， 钻柱与井壁或套管接触后， 该正压差也会形成一定的 摩阻力而影响钻柱轴向力4。1为基础，考虑钻柱刚度作用，提出了混合模型2。1996年，马善洲、韩志勇等人针对水平井的特点，提出了分段计算钻柱摩阻的方法， 对底部钻具组合（bha）和上 部钻柱分别采用纵横弯曲梁理论和微单元力平衡分析 法计算钻柱受力， 并探讨了钻井液黏滞力和钻柱刚性 效应的影响3。 笔者通过基本假设与受力分析，建立了引用格式：郑双进，黄志强，陈彬，等.定向井钻压传导计算方法j.断块油气田，2011，18（3）：403405.zheng shuangjin，huang zhiqiang，chen bin，et al. calculating method for wob conducting of directional wellj. fault-block oil & gas field，2011，18（3）：403405.图 1 上部钻柱微元段受力分析404断块油气田2011 年 5 月1.1钻井液黏滞力钻井液黏滞力主要受钻井液性能的影响，2.2上部钻柱受力分析与轴向力计算结合三维定向井上部钻柱受力特点， 建立曲线自 然坐标系，t、n、b分别代表井眼轴线切线方向、 主法线 方向和副法线方向。 取上部钻柱微元段进行受力分析， 钻柱微元段受重力、井壁支撑力、摩阻力、剪力、弯矩、 钻井液黏滞力及压差产生的轴向力等共同作用， 如图1 所示。钻柱内钻井液黏滞力方向沿轴向向下， 环空钻井液黏滞力方向沿轴向向上，具体计算公式如下：钻柱内钻井液黏滞力为fui= dipih（1）106n9.6vm3n+10.02khpi=（2）d4dii环空钻井液黏滞力为fuo= dppoh（3）106n14.4vm2n+10.02khpo=（4）d -d3ndh-dphp式中：fui为钻柱内钻井液黏滞力，n；di为钻柱内径，m；pi为钻柱内压力，mpa；h为计算点测深，m；vm为钻井液 最大流速，ms1；n为钻井液流性指数；k为钻井液稠度 系数，pasn；fuo为钻柱外环空钻井液黏滞力，n；dp为钻 柱外径，m；po为钻柱外环空压力，mpa；dh为井径，m。1.2 压差产生的轴向力压差产生的轴向力方向沿轴向向上， 其大小受到 钻井液密度、地层孔隙压力、井壁或套管摩擦系数、接 触面积、井斜角等因素的影响。上部钻柱在上述 3 个方向上受力平衡，钻进工况下上部钻柱受力的数学模型为可得正常 dmt = rnt dsmnhi2i fy=l（m-p j）（cos a i+cos b i）tan 2（5）dtdm+kb nfuofuifyqkfcos 0ij = 1i = 1 ds ds式中：fy为钻井液液柱压力与地层孔隙压力产生压差引起的轴向摩阻力，n； 为轴向滑动摩阻系数；l为钻 柱 圆周被滤饼包围的长度 ，cm；m 为 钻 井 液 密 度 ，g cm3；p j 为第j段地层的地层孔隙压力当量密度，gcm3；hi为第i钻柱微元段长度，m；i为第i钻柱微元段所对 应 的 狗 腿 角 ，rad；a i 为 第 i 钻柱微元段顶部井 斜 角 ， rad；b i为第 i 钻柱微元段底部井斜角，rad；m为根据地 层孔隙压力当量密度确定的井眼段数；n为计算钻柱微元段的段数。- d2mb +kt-（km m ）n -qk k sin =0（6） btnf kds2- d（kmbmt） + dmb +n -qk k准 sin2=0 bfdsdskn =nn22+n 2b其中mb（s）=eik（s）k= 姨k +k准 sin 222式中：mt为钻柱微元段所受的扭矩，nm；s为微元段长度，m；t 为周向旋转运动摩阻系数；r 为钻柱半径，m；n 为支撑力，n；t为微元段上的轴向力，n；k为井眼曲上部钻柱轴向力计算2率，radm1；m 为钻柱微元段所受的弯矩，nm；f 为钻by2.1基本假设为了能够准确地计算实钻井眼中钻柱摩阻及轴向 力分布，在钻压传导分析中作如下基本假设：1）井壁为刚性；2）钻柱与井壁连续接触，钻柱轴线 与井眼轴线一致；3）计算钻柱单元体为空间斜平面上 的一段等曲率圆弧；4）钻柱单元体所受重力、正压力、 摩阻力、钻井液黏滞力和压差均匀分布；5）不考虑起下 钻时动载荷的影响。柱微元段所受压差产生的轴向力，n；q 为钻柱单位长度重量，nm1；kf为浮力系数； 为井斜角，rad； 为钻 柱微元段井眼挠率；k 为井斜变化率，radm1；k准 为方 位变化率，radm1；nn为主法线方向的支撑力，n；nb为 副法线方向的支撑力 ，n；e 为钻柱钢材弹性模量 ， gpa；i 为惯性矩，m4。式（6）为非线性的常微分方程组，对其进行有限差 分后采用拟牛顿法求解， 根据已知大钩载荷即可得到第 18 卷第 3 期郑双进，等.定向井钻压传导计算方法405任意井深处钻柱轴向力t（s）的数值解。式中：mi，p为第i跨梁在p 平面内的弯矩，nm；mi，q为第i跨梁在q 平面内的弯矩，nm；li为第i跨梁的长度，m。根据式（11）和式（12）可分别计算出不考虑和考虑 钻井液对底部钻具组合影响时钻头处的轴向力为t0， 即井底实际钻压t0。底部钻具组合轴向力计算定向井钻井过程中， 底部钻具组合除了受到自身 重力外，还受到弯矩和摩阻力的共同作用。假设钻具组 合位于空间斜平面的井眼内，该平面为井身平面 r。 把 在井身平面r 内的受力问题分解为在井斜平面 p 和方 位平面 q 内的受力问题，即把三维问题转化为双二维 问题。根据上部钻柱力学分析， 可以求解出上切点处的3结论1）通过对上部钻柱的力学分析，并考虑钻井液黏 滞力和压差产生的轴向力， 建立了上部钻柱轴向力计 算模型。2）通过对底部钻具组合的力学分析，并考虑钻井 液黏滞力和压差产生的轴向力， 建立了底部钻具组合 轴向力计算模型。3 ）通过对定向井钻柱和底部钻具组合的受力分 析，提出了一种钻压传导分析计算方法，可计算给定大 钩载荷条件下的井底实际钻压， 有助于指导定向井钻 井施工，提高钻井效率。4轴向力ts=s ，则pn+1=-ts=s + 1 qn+1kfln+1cos n+1；若pn+10，则轴向力为压力。 考虑摩阻力对轴向力的修正，采用轴向力修正公式5：pi=pi+1+ 1 qi+1kfli+1cos i+1+ 1 i f i i2 q k l cos +2 1 2pi+1准sin i+i-12222pi+1+qikflisin i+i-122参 考 文 献（i1，2，3，n）（7）1johancsik c a，friesen d b，dawson rapier，et al. torque and drag indirectional well -prediction and measurment j . jpt ，1984 ，36 （6 ） ：987992.ho h s. an improved modeling program for computing the torque and将根据式（7）所求的pi 代入到井斜平面 p 和方位平面 q 三弯矩方程组， 可求出第i个扶正器的内弯矩。根据支座处力矩平衡方程，可得支反力公式为2ri，p= mi-1，p-mi，p + qi，pli + mi+1，p-mi，p + qi+1，pli+1drag in directional and deep wells a . spe 18047 1987. ，（8）li2li+123马善洲，韩志勇.水平井钻柱摩阻力和摩阻力矩的计算j.石油大学学报：自然科学版，1996，20（6）：24-28.ma shanzhou，han zhiyong. calculation of friction force and torque for drill string in horizontal wellj. journal of the university of petroleum， china：natural science edition，1996，20（6）：24-28.刘清友，孟庆华，庞东晓.钻井系统仿真研究及应用m.北京：科学 出版社，2009：97-98.liu qingyou，meng qinghua，pang dongxiao. research and application of drilling simulation systemm. beijing：science press，2009：97-98. 白家祉，苏义脑.井斜控制理论