本科创新基金项目定向井管柱摩阻与扭矩计算申报书.doc

编号： 石油工程学院本科生创新培养基金申请书项目名称： 定向井管柱摩阻与扭矩计算 项目负责人： 申报日期： 类别： 自然科学类学术论文 哲学社会科学类社会调查报告和学术论文 科技发明制作石油工程学院本科生创新培养基金管理委员会制一、基本信息项目摘要：（限400字以内）定向井钻井技术是当今世界最先进的钻井技术之一，由于定向井能够绕过障碍物和提高油气采收率，通常被海上石油钻探或高山，城镇，湖泊等地区钻探广泛采用。但是定向钻井应用的关键障碍是摩阻扭矩的存在，过大的摩擦阻力使钻头加压、套管下入困难，因此摩阻扭矩对定向井的井眼轨迹设计与控制、机械钻速及套管的下入都有很大的影响，从而增大了定向钻井的风险。本课题主要在前人的基础上，建立适合于井下实际的定向井摩阻扭矩计算模型和考虑定向井摩阻扭矩的钻柱屈曲计算模式；在此基础上，探讨摩阻扭矩模型在井眼轨道设计、钻柱优化设计、漂浮下套管分析、摩阻扭矩的实时监测分析、以及井眼环空净化等方面的具体应用。三、经费预算经费用途金 额备注测试/计算/分析费1000主要用于数值模拟的计算工作会议/差旅费300调研、市场采集与学习交流文献/资料费500购买相关书籍，打印复印相关文献资料实验耗料费200软件购买安装仪器设备使用费100计算机的使用其他400注册文件的购买，联系发表研究论文合计2500进行研究的总共费用四、申请报告（一）立项依据与研究内容1 项目的立项依据 1.1 研究定向井摩阻扭矩的意义近年来，随着海上油田的勘探向滩海和深海的发展，定向井由于其成本上的优势越来越多地被油田所采用。然而由于套管与管柱的摩阻和扭矩的问题使得井眼轨迹的偏离和管柱与套管的磨损使得钻井出现了一些困难。尽管国内外专家对摩阻扭矩问题进行了大量的研究，并且建立了不少的数学模型，但这些模型对于解决问题的方案还有所欠缺。对于摩阻和扭矩的计算，有些方程都是以滑动摩擦产生的摩阻和扭矩为假设，取管柱微元段作为增量方程计算，可能存在一定的欠妥，因此以三种弯曲井段导出的微分方程为基础，对假设的井斜角和方位角没有同时变化的理论公式和近似公式一代数方程导出，将其增量方程变为微分方程，从而推导出摩阻扭矩的计算方程的方法有着一定的意义。1.2 定向井摩阻扭矩研究现状1.2.1 定向井研究现状定向井作为较先进的钻井技术之一，已经被各油田广泛采用。在国外，技术发展比较早而且渐趋于成熟。在我国，定向井技术起步较晚，但发展较快。1984年打成了江汉第一口江油陆采的定向井黄36井（红旗码头），目前国内定向钻井技术已为成规技术。和国外相比主要差距在于仪器装备落后，技术人员奇缺。1.2.2 国外摩阻扭矩研究现状约翰西克(Johansick)在1983年首次对全井钻柱受力进行了研究，开始了对管柱摩阻与扭矩研究的起步。 Sheppard等人在1986年将摩阻扭矩理论用于井眼轨道设计，研究了井眼轨道形状对拉力、扭矩的影响，通过分析认为悬链线轨道能减少扭矩和拉力。在轴向力计算时，他们强调应考虑钻井液内外压差对轴向力的修正作用。Maida等人对拉力、扭矩进行了平面和空间的分析，建立了应用于现场的二维和三维的数学模型。他建立的二维模型如下，运动速度对摩擦系数进行分解，用以模拟钻柱周向运动和轴向位移对扭矩和摩阻的影响。1.2.3 国内摩阻扭矩研究状况在国内张建群教授于1989年最先给出了定向井中摩阻力的计算模型，其特点是在约翰两克(Johansick)模型的基础上作了进一步的细化，井对其应用进行了初步的研究。韩志勇教授于1993年对定向井摩阻扭矩计算进行了总结，建立了自己的二维和三维摩阻模型，最大特点是对增斜段，可以判断钻柱是与上井壁还是与下井壁接触。并重新推导了弯曲井眼中钻柱受力微分方程。 2 项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。2.1 研究内容以及拟解决的关键问题结合摩阻扭矩的研究现状，对定向井摩阻扭矩问题从模型建立、影响因素分析以及摩阻扭矩具体应用等方面展开研究，其研究内容主要包括以下几个方面:1) 结合定向井钻井特点，以及钻柱结构和钻柱所处的不同位置，建立适合于定向井摩阻扭矩分析的综合力学模型;2) 分析目前已有的钻柱屈曲计算模式和计算公式，建立适合于定向井摩阻扭矩力学分析的钻柱屈曲计算模式;3) 分析摩阻扭矩的具体应用，探讨摩阻扭矩模型在井眼轨道设计、钻柱优化设计、漂浮下套管分析、摩阻扭矩的实时监测分析、以及井眼环空净化等方面的具体应用 。关键问题在于理解钻柱屈曲影响，于定向井钻井的特殊性，摩阻的作用往往使得钻柱受压产生屈曲，屈曲的钻柱又将进一步的增大摩阻，定向井中钻柱的屈曲不可避免，因此研究钻柱的屈曲问题非常重要。根据屈曲的形态钻柱的屈曲可分为正弦屈曲和螺旋屈曲，诸多文献都给出了钻柱屈曲的计算公式。钻柱的屈曲对摩阻和扭矩有很大的影响，对于，垂直井段和倾斜井段，Wu Jiang博士建立了螺旋弯曲后的轴向载荷的微分方程，根据不同的井眼条件对上微分方程进行了求解，得到轴向载荷计算公式。正弦屈曲很易发生，正弦屈曲对摩阻扭矩的影响不大，而螺旋屈曲将很大程度地增加侧向载荷，从而增大摩阻和扭矩，当井斜较大时，螺旋屈曲不易发生，反而在井斜较小或直井中螺旋屈曲是很容易发生的。2.2 研究的主要方法2.2.1 钻柱单元体摩擦力的计算钻柱单元体摩擦力的计算在钻井作业中，钻柱与井壁的摩擦力分布于整个钻柱上，其影响主要体现在大钩载荷和扭矩载荷的变化上，为了便于分析，将整个钻柱分为若干单元段，通过每一个单元杆件进行受力分析，再叠加，从而求得结果。一般情况下，钻柱表面某点的运动实际就是一种复杂的螺旋运动。在弯曲井段中，取一钻柱单元，如图一所示，V 为钻柱表面某点的绝对速度，Vt 为钻柱表面某点的轴向速度，即钻进速度，Vn 为钻柱表面某点的周向速度，与转速有关。Ff 为钻柱表面的摩擦力，Ft 为钻柱表面沿轴向摩擦力分量，Fn 为钻柱表面沿周向摩擦力分量。其中，f 为摩擦系数，N 为钻柱与井壁间的挤压力。 当是动力钻具钻进时，钻柱不转动，钻柱轴向摩擦力即是总摩擦力F= f N t 。2.2.2 钻柱单元体轴向力和扭矩的计算在弯曲井段中，取一钻柱单元ds 长度，位于空间一斜平面上，如图二所示。其中，N 为钻柱与井壁间的挤压力；单位长度钻柱在钻井液中的重为Wg；T 为钻柱单元一端部的轴向力；M 为钻柱单元一端部的扭矩； 和 分别是井斜角和方位角；r和R 分别是钻柱半径和该微段的曲率半径。根据受力分析，并略去高阶无穷小量进行化简，可得为研究方便，作如下假设：井斜角和方位角没有同时变化；钻柱全长与井壁接触，并接触摩阻系数为常数；钻柱不发生失稳弯曲。因此，钻柱单元在侧弯段处，方位角为常量，即0；在组合弯段处，井斜角为常量，即0；在悬链井段处，方位角和井斜角均为常量，即0。将(3)(5)式分段写成微分形式，则：在侧弯段处(0)在组合弯管处0，化简得：在悬链井段处(0)，化简得根据实际井眼轨迹条件，将由方程(6)(11)组成的微分方程组分段进行有限差分变化，考虑钻柱不同工作状态下的边界条件，即可应用数值方法对所得到的方程组求解。从而可以得到钻柱的轴力及横向支撑力沿钻柱长度的分布规律，进而可以求得地面大钩拉力及转盘扭矩。2.3 技术路线流程图国内定向井管柱摩阻与扭矩场数据收集明确摩阻与扭矩机理分析摩阻与扭矩原因开展井管柱摩阻与扭矩测试井管柱摩阻与扭矩诊断测试曲线解释管柱摩阻与扭矩变化规律预测建立定向井管柱摩阻与扭矩计算模型撰写研究报告理论研究建立定向井管柱数学模型管柱摩阻与扭矩实验测试国外大位移井管柱摩阻与扭矩资料收集修正3 本项目的特色与创新之处。结合摩阻扭矩的研究现状，为提高定向井摩阻扭矩的预测和计算精度，需要在以下几个方面进行改进或创新设计： 1) 基本力学模型的改进。由于钻柱由多段不同的钻具组成，而不同的井眼段的井斜参数和曲率不同，使得单一的模型难以描述钻柱在井眼中的受力状况，需要对定向井中的钻柱受力模型进行改进和创新。2) 建立适合定向井摩阻扭矩分析的管柱屈曲计算模式。目前几乎所有的管柱屈曲计算公式都是基于两端铰支假设条件下推导出来的，而摩阻扭矩分析中，受压计算单元杆柱的两端受有弯矩的作用，因此需要建立两端弹性铰支下的管柱屈曲计算模式。3) 定向井稳斜井段的摩阻扭矩计算。稳斜井段的摩阻扭矩是定向井摩阻扭矩的一个重要组成部分，由于对稳斜井段的摩阻扭矩计算认识不足，过去采用修正摩阻系数的办法，未能从本质上解决，造成摩阻扭矩计算有时准确，有时不准确。为了解决稳斜井段的摩阻扭矩计算问题，需要研究运动状态对摩阻扭矩的影响。这也是需要论文进行创新设计的一个重要方面。4 研究计划及预期研究结果。 4.1 研究计划（1）写申请书（2010.6）。（2）查找学习关于定向钻井摩阻、扭矩相关资料。（2010.7-2010.8）。（3）了解、掌握钻井技术，扭矩技术，摩阻技术的知识(2010.9-2010.10)。（4）练习VB软件，将其充分应用于数值模拟 ( 2010.11-2010.12)。（5）将资料与计算机充分结合，以数值模拟得出此次研究的最终结果(2011.1-2011.3)。（6）撰写论文以及修改 (2010.4-2010.6)。4.2 预期研究结果在核心期刊上发表学术论文一篇。5 参考文献1 三牧敏太郎，申学义，定向井的摩阻与扭矩解析计算分析J，国外油田工程，2010，17（10），18-252 李田军 ，基于全井钻柱系统的力学摩阻扭矩分析J CNKI3 白加址，苏义脑 井斜控制理论4 韩志勇，井眼内钻柱摩阻的二维和两维模型的研究，石油大学学报，1993年第17卷增刊。5 赵洪激，水平井钻柱摩擦力的计算，41汕钻采工艺，1995年第17卷第3期6 王建军，张绍槐，狄勤丰，赵业荣，水平井钻柱接触冷擦阴力解析分析，7 郭峰，吕英民，水平井钻柱摩阻力儿何非线性分析研究，石油钻采工艺，1994年第18卷第2期。8M.L.Payne etc. Advanced Torque-and-Drag Considerations in Extended-Reach Wells,SPE9J.G.Boulet and J.A.Shepherd and J.Batham and L.R.Elliot, Improve10张祖兴主编，国外水平井技术，第1版，北京:中国石汕天然气总公司情报研究所。11董圣昌，大位移井摩阻分析及钻柱强度评价.西南石油学院硕士毕业论文，1997年（二）研究基础与工作条