（石油与天然气工程专业论文）冀东油田定向井扭矩预测及其应用研究.pdf

r e s a r c ho nt h et o r q u ep r e d i t i o ni nd i r e c t i o n a lw e l l i nj i d o n go i l f i e l da n di t sa p p l i c a t i o n at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo f e n g i n e e r i n gm a s t e r c a n d i d a t e ：y iy a n g s u p e r v i s o r ：h u a n gg e n i u ( a s s o c i a t ep r o f e s s o r ) p e iz o n g - x i a n ( s e n i o re n g i n e e r ) c o l l e g eo f p e t r o l e u m e n g i n e e r i n g c h i n au n i v e r s i t yo f p e t r o l e u m ( e a s t c h i n a ) 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所 取得的成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以 标注和致谢外，本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人 或他人为获得中国石油大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对研究所做的任何贡献均己在论文中作出了明确的 说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 日期：加l 年歹月矿日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限 于其印刷版和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向 国家有关部f - j ( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论 文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名：岛蜘 指导教师签名： 日期：加l f 年岁月斗日 日期：厶i f 年歹月二驷 捅晏 井口扭矩是钻机最重要的载荷之一，井口扭矩过大可能会导致钻机无法正常工作； 过大的扭矩还可能导致钻柱受扭严重，出现钻柱事故，因此，尽可能准确地预测井口扭 矩对定向钻井至关重要。目前，各种扭矩预测方法只是分裸眼段和套管段分别采用两种 不同的摩阻系数，没有考虑裸眼段不同岩性的影响，使得井口扭矩预测误差较大。 论文针对冀东油田工程参数录井数据的现状和特点，总结了适合该油田的数据整理 和筛选原则，给出了各种工况的数据标识，形成了一套适合冀东油田井口扭矩预测的工 程录井参数分析处理方法；同时，结合扭矩基数计算模型，通过多元线性回归分析得到 了适合冀东油田某区块使用的各类常见岩性岩石及套管的摩阻系数取值区间。在此基础 上，形成了以摩阻扭矩软模型为基础的、按岩性确定摩阻系数的井口扭矩预测方法。在 方法研究的基础上，编制了一套适合冀东油田的工程录井参数分析处理程序和井口扭矩 预测程序。实测扭矩和预测扭矩对比分析结果表明，上述方法预测精确度相对传统方法 有较大的提高，可以为钻井设计和现场施工提供重要参考依据。 关键词：扭矩，预测，摩阻系数，工程录井，多元线性回归 r e s a r c ho nt h et o r q u ep r e d i t i o ni nd i r e c t i o n a lw e l l i nj i d o n go i l f i e l da n di t sa p p l i c a t i o n y iy a n g ( p e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a se n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yh u a n gg e n l u ( a s s o c i a t ep r o f e s s o r ) p e iz o n g - x i a n ( s e n i o re n g i n e e r ) a b s t r a c t t o pt o r q u ei so n e o ft h em o s ti m p o r t a n tl o a d i n gf o rt h er i g b i g g e rt o pt o r q u em a yc a u s e i td o e sn o tw o r k ，a n da l s om a yc a u s et h ed r i l ls t r i n gd a m a g e ds e r i o u s l y s ot op r e d i c tt o p t o r q u ea sa c c u r a t e l ya sp o s s i b l ei se s s e n t i a lt od i r e c t i o n a ld r i l l i n g n o w d a y s ，v a r i o u sm e t h o d s o ft o r q u ep r e d i c t i o nu s et w od i f f e r e n tf r i c t i o nc o e f f i c i e n t so n l yf o rb a r e h o l es e c t i o na n dc a s i n g h o l es e c t i o nw i t h o u tt a k i n gc o n s i d e r a t i o no ft h ed i f f e r e n tl i t h o l o g yo fb a r e h o l es e c t i o n ，w h i c h c a u s eb i g g e rd i f f e r e n c eo nt h ep r e d i c t i o no ft o pt o r q u e a c c o r d i n gt ot h e f e a t u r e so fe n g i n e e r i n gl o g g i n gd a t ao fj i d o n go i l f i e l d ，t h ep a p e r s u m m a r i z e dt h ep r i n c i p l e sf o rd a t ap r o c e s s i n ga n ds c r e e n i n g ，o u t l i n e dt h ed a t ai d e n t i t i e sf o r d i f f e r e n tc a s i n g ，e a t a b l i s h e das e to fe n g i n e e r i n gl o g g i n gd a t ap r o c e s s i n gm e t h o d sf o rt h e p r e d i c t i o no ft o pt o r q u eo fj i d o n go i l f i e l d ；m e a n w h i l e w i t ht h ec a l c u l a t i o nm o d e lo ft o r q u e c a r d i n a ln u m b e r , t h ef r i c t i o nc o e f f i c i e n tr a n g eo fc o m m o nt y p e so fl i t h o l o g yr o c ka n dc a s i n g i sg o t t e nb ym u l t i p l el i n e a rr e g r e s s i o n a c c o r d i n gt ot h i s ，ap r e d i c t i o nm e t h o do ft o pt o r q u ei s e a t a b l i s h e db a s e do nt h es o f t m o d e la n df r i c t i o nc o e f f i c i e n td e t e r m i n e db yl i t h o l o g y o nt h e b a s i so ft h em e t h o d ，ap r o g r a mo fe n g i n e e r i n gl o g g i n gd a t ap r o c e s s i n ga n dt h ep r e d i c t i o no f t o pt o r q u eo fj i d o n go i l f i e l di sd e v e l o p e d t h ec o m p a r i s o no f m e a s u r e dt o r q u ea n dp r e d i c t e d t o r q u es h o w st h a tt h ea c c u r a c y o fn e wm e t h o dh a sg r e a t l yi m p r o v e dc o m p a r e dt ot h e t r a d i t i o n a lm e t h o d i tc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n do p e r a t i o no fd r i l l i n g k e yw o r d s ：t o r q u e ；p r e d i c t ；f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ；e n g i n e e r i n gl o g g i n g ；m u l t i p l e l i n e a r r e g r e s s i o n 目录 第1 章绪言。l 1 1 选题依据及目的意义1 1 2 国内外研究现状分析1 1 2 1 摩阻扭矩力学模型的发展2 1 2 2 钻柱摩阻扭矩的分析方法简述5 1 2 3 摩阻系数的求取方法6 1 3 论文的主要研究内容7 第2 章实测工程录井数据的处理一8 2 1 原始数据的转换及整理8 2 1 1 数据情况及存储方式。8 2 1 2 数据转换及整理lo 2 2 工况划分及离散数据的处理1 3 2 3 相关数据的汇总18 第3 章扭矩基数的计算方法2 0 3 1 正压力的计算2 0 3 2 扭矩基数的计算方法2 3 3 3 扭矩基数的算例2 8 第4 章不同岩性岩石摩阻系数的确定方法。3 3 4 1 不同岩性岩石偏回归系数的计算3 3 4 1 1 应用回归分析求解的可行性分析3 3 4 1 2 偏回归系数的求取3 7 4 2 摩阻系数的确定方法4 5 4 2 1 适合分析井段的筛选4 6 4 2 2 摩阻系数分布区间的确定原则4 8 4 3 冀东油田常见岩性摩阻系数的结果分析4 9 第5 章套管摩阻系数的确定。6 l 5 1 套管摩阻系数的确定方法6 l 5 2 套管摩阻系数取值区间的确定6 2 第6 章应用6 4 6 1 扭矩预测模型及方法的建立6 4 目录 第l 章绪言l 1 1 选题依据及目的意义1 1 2 国内外研究现状分析1 1 2 1 摩阻扭矩力学模型的发展一2 1 2 2 钻柱摩阻扭矩的分析方法简述5 1 2 3 摩阻系数的求取方法6 1 3 论文的主要研究内容7 第2 章实测工程录井数据的处理一8 2 1 原始数据的转换及整理8 2 1 1 数据情况及存储方式8 2 1 2 数据转换及整理10 2 2 工况划分及离散数据的处理1 3 2 3 相关数据的汇总18 第3 章扭矩基数的计算方法2 0 3 1 正压力的计算2 0 3 2 扭矩基数的计算方法2 3 3 3 扭矩基数的算例2 8 第4 章不同岩性岩石摩阻系数的确定方法3 3 4 1 不同岩性岩石偏回归系数的计算3 3 4 1 1 应用回归分析求解的可行性分析3 3 4 1 2 偏回归系数的求取3 7 4 2 摩阻系数的确定方法4 5 4 2 1 适合分析井段的筛选4 6 4 2 2 摩阻系数分布区间的确定原则4 8 4 3 冀东油田常见岩性摩阻系数的结果分析4 9 第5 章套管摩阻系数的确定6 1 5 1 套管摩阻系数的确定方法6 l 5 2 套管摩阻系数取值区间的确定6 2 第6 章应用一6 4 6 1 扭矩预测模型及方法的建立6 4 6 2 预测算例6 6 6 2 1 预测流程6 6 6 2 2 预测结果6 7 6 2 3 其他预测结果6 8 6 3 其他应用7 4 结论及建议一7 5 参考文献7 6 攻读硕士学位期间取得的学术成果一7 9 致 射8 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 1 1 选题依据及目的意义 第l 章绪言 井下扭矩预测对钻井作业的高效、安全有着重要的意义。对扭矩的预测分析，可以 为大位移井以及水平井轨道的优化设计提供重要依据和分析评价手段，是合理选择钻井 和下套管工具的前提。随着各种类型定向井在石油工业中应用的不断增多，扭矩预测的 重要性也愈加凸显；扭矩预测技术的研究对提高我国钻井技术水平有着重要的意义。 在定向井的设计阶段、现场施工阶段，对摩阻扭矩进行分析与预测都是十分重要的。 在设计阶段，可以被用来优化井眼轨道设计，使施工难度降低、设备要求降低；在现场 施工阶段，通过预测数据与实时数据的对比，可以推断井眼的清洁情况、是否存在严重 狗腿并能够及时发现事故苗头。可以说，对摩阻扭矩的分析预测贯穿了定向井设计施工 始终，是衡量定向井技术水平的关键指标之一。 国内外学者在针对摩阻扭矩问题进行研究时，建立了多种力学模型，在求解时也存 在多种不同的方法，但无论哪一种方法，其核心内容都是通过合理的假设条件模拟实际 情况，求出钻柱与井壁( 套管) 接触面的正压力，进而求得摩阻扭矩。而在预测时，摩 阻系数通常是通过经验数据估计或是根据已钻井( 井段) 的实测数据反算得到，往往误 差较大，导致计算结果不够理想。因此，寻找一种获得精确度更高的摩阻系数的方法有 着重要现实的意义。 1 2 国内外研究现状分析 美国人l u b i n s l d 旧1 是钻柱力学的奠基人，1 9 5 0 年他通过研究直井中钻柱屈曲问题， 进而开创了钻柱力学。l u b i n s k i 陆续发表了关于分析直井以及斜直井的底部钻柱变形及 其受力分析的著作，他的这几篇著作让钻井学术界产生了轰动，为钻柱力学随后的发展 创造了必要的条件和坚实的基础。 在早期石油钻井中，摩阻扭矩的问题都不是很突出。直到2 0 世纪8 、9 0 年代，随 着定向井在井场选择、地下绕障、事故救援以及优化油藏开发提高采收率等方面优势的 显露，定向井才开始大规模的采用，随之而来遇到了如何预测并控制定向井钻井过程中 摩擦阻力以及扭矩的问题，直到这时，摩阻扭矩问题才引起学术界的广泛重视i 舢。 第1 章绪言 1 2 1 摩阻扭矩力学模型的发展 国内外学者对各类定向井的摩阻扭矩问题进行了大量的研究，建立了多种模型。目 前学术界预测摩阻扭矩时采用的力学模型归纳起来主要有软模型( 软绳模型) 、硬模型 和有限元模型三这种。 ( 1 ) 软模型 1 9 8 4 年，j o h a n c s i k 【5 】等人就开始了摩阻扭矩模型的研究。他将钻柱假设为一根软绳， 他认为： 摩阻是由钻柱轴向滑动摩擦引起的，而扭矩是由钻柱周向滑动摩擦引起的； 摩阻的大小由钻柱与井壁的接触力决定，而扭矩的大小是由钻柱与井壁的接触力 以及钻柱的半径共同决定的； 在整体钻柱的力的平衡中，弯矩的贡献非常小，忽略弯矩引起的轴向力和摩擦力 的影响是可行的； 考虑到井眼是弯曲的，在钻柱单元内，由于钻柱上下两端轴向力的方向不在一条 作用线上，所以钻柱上下两端的轴向力会使钻柱与井壁之间产生附加的接触力。 j o h a n c s i k 根据以上的观点，提出了软模型的基本假设： 将钻柱假设为一条软绳，只考虑其重力作用而不考虑刚性力的影响； 钻柱的轴线与井眼的轴线是完全重合的； 井壁与钻柱的接触面是连续的，不考虑井壁与钻柱之间的间隙的影响； 不考虑与钻井液有关的其他因素，如流体的粘滞力等，只考虑钻井液对钻柱的浮 力影响； 不考虑钻柱截面中受到的剪切力的影响。 s h e p p a r d 6 等人对j o h a n c s i k 的软模型进行了修正，使用了有效拉力来代替原模型中 的实际拉力。他认为在对钻柱进行力学分析时，需要考虑钻柱内外钻井液的压力差对实 际拉力的影响，并将实际拉力与钻柱内外钻井液的压力差的综合值定义为有效拉力。 s h e p p a r d 根据以上观点，计算分析得到了悬链线轨道相对于传统轨道有着更小的摩阻和 扭矩。他还提议将引起额外摩阻扭矩的原因分为，井眼条件与钻井液的影响和井眼轨迹 的影响这两种类型。 m a i d l a 7 1 等人对钻柱拉力及扭矩进行t - - 维和三维分析，并建立了相应的数学模型。 他的主要贡献有两点：一是在钻柱单元内建立了三维随动坐标系，分别以钻柱单元中点 的切线、主法线、副法线为三个坐标轴，并据此对钻柱受力进行分解；二是在起下钻柱 2 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 的过程中，考虑钻井液的动水压力梯度对钻柱的粘滞作用，并给出了真实的大钩负荷计 算公式。 b r e t t 8 l 等人将j o h a n c s i k 的软模型应用到现场施工中，并提出将j o h a n c s i k 的模型应 用到井眼轨道设计中，然后根据相关资料反算摩擦系数，据此来对井眼环境进行监测。 他利用该模型来分析钻井过程中的状况，通过分析已钻井的实测资料，找到问题所在， 并对井眼轨道设计进行优化，通过调整造斜点的位置、套管下入深度等设计，达到减少 大钩负荷以及钻柱扭矩的目的。 张建群【9 墩授在j o h a n c s i k 的模型基础上作了进一步的细化，并针对修改后的模型的 应用范围做了初步的研究。 韩志勇【i o 1 2 1 教授基于软模型建立了自己的二维和三维的摩阻计算模型。他的二维模 型可以判断与处于增斜段的管柱接触的是与上井壁还是与下井壁，并能够根据不同的情 况分别进行计算；而在三维摩阻计算模型中，他提出井眼在三维空间中的轨迹分为“斜 面圆弧 和“圆柱螺线两种，分别推导了相应的计算公式，并指出了前人在描述三 维轨迹时的谬误。韩志勇教授还与于永南、路永明针对斜直井与弯曲井眼中钻柱的屈曲 问题进行了深入的研究。 m a s o n 1 3 1 等人提出，如果在软模型中能够考虑流体粘滞力、井眼弯曲度和钻柱屈曲 等影响因素，那么模型将会更接近实际情况。因为和钻井液的流动方向和钻柱的运动方 向相反，那么流体粘滞力就应该被考虑到摩阻力之中；尽管设计的井眼轨道是平滑的， 但是在实际施工中弯曲段是不可避免的存在，在弯曲段时，钻柱与井壁之间的接触力相 对于平滑段时会更高，所以钻柱在弯曲段的摩阻扭矩会更大；过大的轴向力会使钻柱处 于受压缩状态，从而导致钻柱屈曲的发生，钻柱屈曲会对摩阻扭矩产生影响。 总结以上学者的研究，可以这样来描述软模型的基本假设： 将钻柱假设为一条软绳，只考虑其重力作用而不考虑刚性力的影响； 井壁是刚性的，钻柱受井壁的限制，且钻柱的轴线与井眼的轴线是完全重合的； 在钻柱受力平衡时，忽略钻柱截面剪切力的影响； 忽略钻柱局部形状的变化，如扶正器、接头等对摩阻扭矩的影响； 忽略钻柱动态的影响； 井壁与钻柱的接触面是连续的，不考虑井壁与钻柱之间的间隙的影响。 软模型的特点是计算方法可靠，计算过程简单。软模型的假设虽然较多，但在井眼 光滑、曲率较小、没有严重狗腿的井中，其假设是比较合理的。 3 第1 章绪言 ( 2 ) 硬模型 1 9 8 8 年，何华山【1 4 1 在钻柱大变形理论的基础上，给出了一个钻柱受力分析模型。 何华山的模型考虑了钻柱的刚性对钻柱与井壁间之间的接触力的影响，从而使接触力的 计算更加准确，但他建立的钻柱的控制微分方程比较复杂，在轴向力、扭矩、弯矩等的 耦合作用下，进行精确求解存在较大难度，所以使用了有限差分法求其数值解。何华山 的模型通常被称为硬模型，其基础假设中除了考虑了钻柱的刚性之外，其余的假设与 j o h a n c s i k 的模型基本相同。 李子丰 1 5 - 1 8 1 在综合分析了j o h a n c s i k 模型与何华山模型的基础上，将流体粘滞力和 钻柱运动状态的影响补充进了何华山的硬模型，并建立了钻柱的控制微分方程。在求取 解析解时其将微分方程进行了简化，将钻柱设置为只承受拉压载荷。这样一来，钻柱的 受力模型就由“硬杆”被简化为“软杆”，即便如此其求解难度依然比何华山的硬模型 更高，通常只用于计算起下钻工况。 总结以上学者的研究，可以这样来描述硬模型的基本假设： 井壁是刚性的，钻柱受井壁的限制，且钻柱的轴线与井眼的轴线完全重合： 忽略钻柱局部形状的变化，如扶正器、接头等对摩阻扭矩的影响； 忽略钻柱动态的影响。 在硬模型中虽然考虑了钻柱刚性对摩阻扭矩的影响，但是其“钻柱刚性”与“钻柱 的轴线与井眼的轴线完全一致”两个假设不符合实际情况，因而计算精度往往不如软模 型。 ( 3 ) 有限元模型 有限元模型的思想是将井眼中的钻柱离散为若干个单元，利用间隙元描述钻柱是否 与井壁接触，然后在局部坐标系下建立单元的刚度矩阵，在整体坐标系下将单元刚度矩 阵组装成整体刚度矩阵，最后进行双重非线性求解，计算出位移场和接触正压力。 m i l l h e i mk k 【1 9 - 2 2 在创建底部钻柱组合空间力学模型的过程中应用了有限元法，他 把钻柱离散为三维直梁单元，并在这个过程中通过间隙元来模拟钻柱、井壁之间接触面 的状态。他从底部钻具中截取了一段作为受力分析对象，假设不存在上切点。他认为， 底部钻具对井眼轨迹的影响是决定性的，而上部钻具的影响可以忽略不计，因此只需要 研究底部钻具的受力情况就足够了。经过研究，他发现钻头侧向力是确定钻柱前进方向 的主要影响因素。 s u t k o a a 【2 3 1 等人借鉴了m i l l h e i m 的研究，他考虑了轴向力以及几何非线性的影响， 4 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 将钻柱假设为一段静态梁，并且静态梁的截面性质是可以改变的。 b r e t tj f 【2 4 1 等人运用有限元法来研究带有弯接头的底部钻具组合，并给出了坐标系 确立方法和理论分析过程。b i r a d e sm 1 2 5 】在b r e t tj f 的基础上通过有限元法对使用了弯外 壳、弯接头的井下动力钻具进行了较为详尽的分析，并根据分析结果对钻具进行分组配 合实验。 白家址、苏义脑2 6 1 等人根据钻柱的工况，在考虑钻柱自重以及由钻压导致的纵向弯 曲的基础上，利用多向接触摩擦模拟钻柱、井壁的边界，并以全部钻柱作为整体，建立 了双重非线性静力学模型。 蔡强康、吕英副2 7 1 等人使用有限元法，分别在二维平面和三维空间对底部钻具组合 进行了静态力学分析，他们认为，作用在钻头上的侧向力是控制井眼轨迹的重要因素， 通过改变扶正器的安放位置，可以使钻具达到增斜、降斜或稳斜的目的。帅健2 8 3 0 1 等人 运用有限元分析模型，对整体钻柱进行了分析，考虑了钻柱的非线性变形，并将计算结 果与线性结果进行了对比。郭永峰，吕英民提出水平井钻柱摩阻力几何非线性分析方 法。刘延强、吕英民旧在分析环空钻柱的边界待定问题和几何非线性受力变形问题时应 用了动坐标迭代法的有限元方法。刘巨保3 3 1 利用有限单元法，考虑钻柱几何及接触的双 重非线性，以全部钻柱作为整体，建立了双重非线性静力学模型，并研究了钻柱振动模 态和疲劳强度的计算。谈梅兰建立了空间曲梁单元，考虑钻柱几何及接触的双重非线 性，利用有限单元法建立了钻柱双重非线性静力学模型。 有限元模型彻底放弃了钻柱与井眼间无间隙的假设，选择了以钻柱在井眼中的接触 变形作为研究基础，并综合考虑井眼和钻柱几何尺寸、形状、接触等多个因素对摩阻扭 矩的影响。虽然有限元模型的计算精度较高，但因为考虑了多种因素的非线性计算，致 使计算方法十分复杂，稳定性不算理想，在现场应用时限制较大。 1 2 2 钻柱摩阻扭矩的分析方法简述 随着钻柱力学的发展，出现过许多种分析钻柱摩阻扭矩的方法，而对于钻柱摩阻的 求解主要有以下三种方法： ( 1 ) 纵横弯曲连续梁法 纵横弯曲连续梁法是一种精确解法。这种方法用互相之间存在联系的纵横弯曲连续 梁来代表钻柱，基于这样的假设，根据材料力学中的三弯矩方程构建了一组非线性方程。 纵横弯曲连续梁法的通过对力学模型进行简化，将三维问题拆分为两个互相独立的二维 5 第1 章绪言 问题并进行求解，所以其模型很容易理解其物理意义，计算过程简单，计算速度较快。 纵横弯曲连续梁法是由自家祉【3 5 1 教授于2 0 世纪7 0 年代提出，为斜井钻具组合设计 和井眼轨道控制提供了可靠的理论依据，在我国应用范围比较广。 ( 2 ) 有限差分法 有限差分法是有效的求取近似解的方法，它是用微分方程来描述钻柱的力学状态， 并将位移控制方程转换为差分方程的形式再进行求解。钻柱的非线性影响可以通过差分 方程中系数变化来考虑，并可以通过差分区间来考虑井眼的约束。 b r a d e l y l 3 6 1 第一次提出在研究钻具的二维受力和变形状态时采用有限差分法，并在求 解过程中将钻柱的横向位移作为未知量。r a f i c 【3 7 1 建立了一个在三维条件下假设底部钻具 只与垂直平面内的上下井壁接触的静力学模型。高德利3 8 1 等人通过简化微分方程式建立 了动力学平衡方程式，并使用加权余量法对该方程进行了求解。 ( 3 ) 有限元法 有限元法同样是求取近似解的方法。有限元法将钻柱划分为若干个离散梁单元，并 采用一定的数学方法将其连接为一个整体。有限元法通过这样的方式来描述钻柱的状 态，并求得一个代数方程组，方程组的未知量是节点位移。有限元法没有限制钻柱的几 何尺寸和形状，且能够考虑其他因素的非线性影响，是钻柱力学分析方法中最有效的一 种。有限元法使用间隙元来描述钻柱的摩阻，物理概念上简单清晰，力学分析准确，能 够考虑到模型内的因素多，是一种很有价值的方法。 1 2 3 摩阻系数的求取方法 上述三种求解方法，其核心内容都是通过合理的假设条件模拟实际情况，并求出钻 柱与井壁( 套管) 接触面的正压力，进而求得摩阻扭矩。 而在摩阻扭矩的预测中，摩阻系数是一个非常关键的参数。确定摩阻系数的方法目 前有两种： ( 1 ) 根据经验估计某口井或某一区块的全井平均摩阻系数。 ( 2 ) 通过对少量实钻井的实测摩阻扭矩进行反算求得测量点与井口之间的平均摩 阻系数，并将其作为全井的平均摩阻系数。 这两种方法虽然简单易用，但都存在以下三个问题： ( 1 ) 获得的都是某一井段的平均摩阻系数，在预测时无法反映局部摩阻扭矩的变 化情况。 6 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 性。 ( 2 ) 忽视了不同岩性岩石之间摩阻特性上的差异。 ( 3 ) 通过少量测量点反算的平均摩阻系数只能反映出被测井段的情况，缺少代表 1 3 论文的主要研究内容 目前扭矩预测的过程中存在的问题是：忽略了各类岩性岩石之间在摩阻特性上的差 异，在预测中使用全井或长井段统一的摩阻系数，与实际情况不相符，降低了预测精度。 针对此问题，本文提出的具体研究内容如下： ( 1 ) 有效数据的获取和筛选 探索从海量数据中方便、高效的选择有效数据的途径； 探索在工程录井数据中准确判别工况、状态的数据标识； ( 2 ) 从实测扭矩中分离出各类岩性岩石对扭矩的贡献，建立计算模型，并确定摩 阻系数取值区间 探索适合的回归方法，回归出各类岩性岩石的偏回归系数； 根据偏回归系数的分布情况，确定摩阻系数的取值区间； ( 3 ) 建立扭矩预测模型并验证 建立预测全井段扭矩预测模型； 验证模型的可靠程度。 7 第2 章实测工程录井数据的处理 第2 章实测工程录井数据的处理 工程参数录井通过安装在井场及钻柱上的传感器，对井场环境和多种钻井参数进行 实时的监测，为分析钻井状态提供了第一手资料，是现代钻井极为重要的辅助服务。通 过工程参数录井数据可以获得井口扭矩、大钩负荷等实时数据，对研究摩阻扭矩有着重 要的意义。 在钻井现场，传感器可以提供各种参数的实时数值，由于测量参数多、测量时间长 导致数据量巨大，所以在数据保存时往往会每隔一段时间保存一个测量点的数据。即便 如此，一个完整的钻井过程所产生的数据量也往往超过一百万条记录，甚至有数百万条 记录的情况出现。 如何从海量的数据中提取到进行分析所需的数据，是通过统计学的方法确定摩阻系 数取值区间及其分布情况的关键之一，只有保证所获取数据的真实有效性，才能使分析 结果最大程度的贴近事实。 2 1 原始数据的转换及整理 由于工程参数录井的数据量巨大，通过人工筛选有效数据的做法显然是不现实的。 考虑到其格式统一，且可以通过采集时间等字段确定顺序，具备了通过编制程序处理的 基本条件，但数据又受多种因素的影响，存在很多很难确定边际条件的情况，故决定采 用程序自动筛选与人工校核相结合的方式获得有效数据。 在选择编程语言时，考虑采用m i c r o s o f tv i s u a lb a s i c6 0 ( 以下简称v b ) 。v b 采用 可视化界面开发、所见即所得的界面设计、程序语言简单实用，虽然已经面市多年，但 功能上依然能够满足大多数程序开发的需求，作为美国微软公司的产品，其通用性也比 较出色。 2 1 1 数据情况及存储方式 冀东油田的工程参数录井数据在井场采集后主要通过远程传输的方式汇总到信息 中心，信息中心的服务器上内建o r a c l e9 id a t a b a s e 存储相关数据。 o r a c l e9 i 是美国甲骨文公司推出的基于互联网的、集合各种应用的智能化软件基础 架构；其中o r a c l e9 id a t a b a s e 是大型数据库软件，以可靠性、稳定性和优秀的海量数据 管理能力著称。通过p l s q ld e v e l o p e r 可以方便的对o r a c l e 数据库进行操作。 8 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 p l s q l 是o r a c l e 公司在标准的s q l ( 结构化查询语言s t r u c t u r e dq u e r yl a n g u a g e ) 上进行扩展而形成的一种数据库语言；而p l s q ld e v e l o p e r 则是一种集成开发环境，它 主要用于开发、调试、优化o r a c l ep l s q l 存储程序单元。 输入用户名和口令，选择要连接的数据库以及连接方式之后即可登录到数据库，如 图2 1 。在数据库中，各井的工程录井数据保存在以“某字符串+ 井号 命名的表中，每 个表中有6 7 个字段，分别存储各个参数。 图2 - 1p l s q ld e v e l o p e r 登录数据库界面 f i 9 2 - 1 t h ei o g i ni n t e r f a c eo fp l s q ld e v e l o p e rd a t a b a s e 考虑到现实条件，本文选择使用e x p 命令将服务器中所需数据备份为本地的d m p 文件，然后在实验室构建一个相同的o r a c l e9 id a t a b a s e 环境，并使用i m p 命令将d m p 文件还原到新构建的数据库中，再通过p l s q ld e v e l o p e r 的导出功能将数据以c s v 格 式导出。 c s v 格式全称为逗号分隔型取值格式( c o m m as e p a r a t e dv a l u e s ，简称c s v ) ，是一 种存储数据的纯文本格式。在c s v 中，数据的字段由双引号将有效内容标记出来，并 用逗号隔开。选择c s v 格式是因为其简单的结构便于编程处理，且通用性较好，作为 两种不同的软件之间数据转换的中间格式十分理想。 之所以选择采用这样的方式获取数据，是因为信息中心的服务器上保存了大量保密 级数据( 工程参数录井数据中的部分参数本身就属于保密数据) ，且数据量巨大，如果 开放外网权限通过互联网传输，则会对服务器的安全构成威胁。通过上述方式，安排专 人用移动存储介质将数据携带回实验室，杜绝了安全隐患。 经统计，获得的工程参数录井数据共1 0 6 口井，约2 7 5 1 万条记录，每条记录记载 9 第2 章实测工程录井数据的处理 了6 7 个参数。 2 1 2 数据转换及整理 根据实际情况，在对c s v 格式文件进行格式转换之前，需要先对数据进行错误检 查以及规范化处理，理由如下： 第一，在原始的o r a c l e 数据库中，发现了在以某一井号命名的表中存在其他井号的 数据的情况，所以在导出的c s v 格式文件中有一部分是不同井的数据混在在同一个文 件中，需要将其他井的数据剔除掉，以免对统计结果造成干扰。 第二，井号的命名存在不统一。例如，对于侧钻井，可能会表示为“n p l 3 斜1 2 5 6 侧或者“南堡1 3 x 1 2 5 6 c ，其他诸如水平井或普通定向井在表示时也存在类似的不 统一之处。所以，在进行格式转换之前应首先把类似的不同命名处理为如下的统一格式。 口口口口口 。 按设计轨道分的钻井类型。 构造代号和人工岛代号。 油田代号，n p 代表南堡油田。 例如，n p l 3 x 1 2 5 6 c 表示南堡油田1 号构造3 号人工岛上编号为1 2 5 6 的斜井( 即 普通定向井) 的侧钻井；n p 2 3 p 2 0 0 1 表示南堡油田2 号构造3 号人工岛上编号为2 0 0 1 的水平井。 出于资料提供方的要求，本文中如果某井涉及其具体参数，则使用替代编号代替其 真正的井号。 第三，原o r a c l e 数据库中的空字段在导出成c s v 格式文件时被处理成连续的两个 双引号，且双引号之间没有内容。这样的空字段在i n p u t 读取数据以及写入a c c e s s 数据 库时会造成错误，同样需要在转换之前进行处理。因为工程参数录井记录的是各个传感 器的读数，如果读数为0 则没有意义，因此可将空字段赋值为o ，既可以避免在转换时 出错，又不会对数据的有效性造成影响。 将上述情况处理完之后，根据文件中数据的行数和字段数，创建一个二维动态数组， 临时存储从c s v 格式文件中用i n p u t 命令读取得到的数据。考虑到文件中存在数字、字 1 0 中国石油大学( 华东) 工程硕士学位论文 符串、时间等多种类型数据，所以二维数组应定义为“s t r i n g 型，在写进入a c c e s s 数 据库时再针对不同的字段分别转换为相应的变量类型。 为完成上述功能，需要在v b 中使用数据访问对象d a t a a c c e s so b j e c t ( 以下简称 d a o ) 。d a o 将所有对数据源的访问和操作，抽象出来并封装到一个公共a p i 中。这种 抽象和封装从程序设计的角度来讲是建立了一个接口，这个接口中定义了v b 访问数据 库时所需用到的所有事件和方法，其中包括微软j e t 数据库引擎m i c r o s o f tj o i n te n g i n e t e c h n o l o g y ( 以下简称j e t ) 。j e t 是m i c r o s o f t a c c e s s 的默认的数据库引擎，较新版本 的a c c e s s 已经开始使用其他更高级的数据库引擎，但本文所涉及的所有数据库的存储 和操作均使用j e t 。 为了能在v b 中使用d a o ，则需要为v b 添加“m i c r o s o f td a o3 6o b j e c tl i b r a r y 的引用，该引用支持m i c r o s o f t a c c e s s2 0 0 3 及以下版本的数据库，适合本文所规划的需 求。 另外，后期资料提供方又提供了部分m d b 格式的数据。虽然原数据和目标数据的 存数格式相同，但其内部的数据结构、字段命名以及字段类型均与目标数据不同，所以 又另行编制了针对m d b 格式数据导入的功能，将数据结构等调整为统一的格式，并压 缩存储空间。 在完成数据转换之后，为了方便后续的处理，需要新建一些字段。例如，“编号 字段、“井底间距字段、“备注 字段等。 转换所得的数据中依然存在很多影响后续处理的错误记录或无效数据。例如，关键 字段无效的记录，主要字段参数不合理，没有按照时间顺序排列的记录、缺少某些井段 的数据等，具体情况分以下几种： 第一，关键字段无效主要是指井号为空，采集时间不合理或为空这两种情况。 根据整理数据时的经验，一般来说如果井号为空，则整条记录全部为空，空记录会 在某些情况下造成程序处理异常，故需要删除；而采集时间作为确定记录先后顺序的关 键依据，如果为空，或者明显不在钻井施工时间段内的，需要剔除该记录，以免影响数 据的准确性。 第二，主要字段参数不合理是指标准井深、大钩负荷、大钩高度、钻头位置等字段 的数值不处于合理范围内。 根据现场经验及设计报告，标准井深和钻头位置应处于0 与最大井深之间且钻头位 置不应大于标准井深( 偶尔会出现钻头位置略大于标准井深0 0 1 0 0 2 m 的情况，这应该 第2 章实测工程录井数据的处理 是由于测量误差导致的，所以不作为错误数据处理) ，大钩负荷不应小于项驱空载自重， 大钩高度一般处于2 至3 6 之间。 第三，正常情况下，在原始o r a c l e 数据库中的记录的存储顺序应该与采集时间的顺 序一致，但经检查，普遍性的存在采集时间乱序存储，导致这种现象的原因不明。因为 采集时间是作为确定记录顺序的关键依据，所以在做进一步处理之前，有必要以采集时 间为顺序重新排列记录，以免对后续处理造成不良影响。 第四，由于工程参数录井所使用的传感器的工作环境往往十分恶劣，不可避免的会 出现故障甚至损坏的情况；由于某种原因，在某些时段传感器无法将数据传输到记录仪 中。这两种情况导致在工程参数录井数据中出现某些井段没有记录的情况。由于进一步 的分析中会以l m 为间隔，补全“标准井深”字段，并对其他字段赋值，以避免空记录 的出现。为避免在后面的处理中将缺失的井段与实测数据为o 的字段相混淆，在补全“标 准井深字段时，建议将其他字段全部赋值为一1 11 1 ，方便区分两种情况。 重新排序使用s q l 中的s e l e c t 子句和o r d e rb