石油钻井管柱摩阻扭矩计算课件

1、石油钻井管柱的摩阻扭矩计算随着水平井、大位移井等大斜度定向井的出现，摩阻扭矩问题逐渐被人们认识和重视。大斜度井的突出特点是水平位移较大，且大部分井段井斜超过60，这使得在钻进、起下钻和下套管等作业过程中摩阻扭矩问题非常突出。摩阻扭矩过大，轻则会增加施工难度，延长作业时间，重则使作业无法进行，导致井眼提前完钻或报废。5.1 摩阻扭矩计算概述钻柱起钻负荷很大，下钻阻力很大；滑动钻进时加不上钻压，钻速很低；旋转钻进时扭矩很大，导致钻柱强度破坏；钻柱与套管摩擦，套管磨损严重，甚至被磨穿；套管下入困难，甚至下不到底。5.1.1 摩阻扭矩的主要危害计算模型主要有三种：软模型、硬模型、有限元模型； 不管哪种

2、计算模型其核心都是通过合理地假设以便求出管柱与井壁的接触正压力，从而求出摩阻扭矩。软模型和硬模型都假设管柱与井眼轴线形状一致，且与井壁连续接触。尽管硬模型考虑了管柱的刚性对摩阻扭矩的影响，但其计算精度有时还不如软模型，因为管柱刚性与“管柱与井眼轴线形状一致”是不符合实际情况的。有限元模型假设与实际很接近，精度高，但计算困难。5.1.2 摩阻扭矩计算的主要模型5.2.1. 软模型的基本假设管柱类似于软绳，其刚性很小，可以忽略；管柱与井眼轴线形状完全一致，且与井壁连续接触；井壁为近似刚性的；忽略管柱和井眼局部形状如钻杆接头、扶正器、井径扩大等对摩阻扭矩的影响；忽略钻柱动态因素的影响。5.2 摩阻扭

3、矩计算的软模型根据测斜数据或分点数据将管柱分为相应的计算单元(微元)；对于每个微元来说，单位长度的浮重是已知的，只要知道微元的下端轴向力就可以计算出该微元的接触正压力、摩阻摩扭和上端轴向力；最下面一个微元的下端轴向力就是钻压或为零，自下而上逐个微元计算就可以计算出整个管柱的摩阻扭矩和大钩载荷。5.2.2 软模型的计算思路右图所示，1平面为管柱微元所在的斜平面，2平面为过微元中点切线方向的铅垂面以微元中点为原点，分别以中点的切线、主法线和副法线方向为三个坐标轴的方向建立微元随动坐标系(et ,en ,eb)；5.2.3 管柱微元受力分析将重力向随动坐标系三个坐标轴方向上分解，则有：根据管柱微元的

4、合力在三个坐标方向上均为零列平衡方程，则有：三个独立的未知数(T1，Nn, Nb，)，三个方程，故可以求解。5.2.3 管柱微元受力分析解上述方程组并化简，则有：5.2.4 管柱微元正压力计算按下式递推算出各段摩阻扭矩：5.2.5 摩阻扭矩计算递推公式F ：微元摩阻力，N ；M ：微元摩扭矩，N-m ；N ：微元接触正压力，N ； ：摩擦系数；a ：微元轴向摩阻系数分量；c ：微元切向摩阻系数分量；T1 ：微元上端轴向力，N ；T2 ：微元下端轴向力，N；Do ：管柱外径，m；n：微元转速，rpmVa：微元轴向速度，m/s起钻“+”下钻“-”不同工况下 摩阻扭矩计算递推公式（1）起下钻工况管柱

5、在井眼中仅有轴向运动，所受扭矩和摩扭矩均为0。起钻“+”；下钻“-”最下面的单元管柱下端的轴向力T2=0（2）划眼工况管柱在井眼中有轴向运动和转动，需要将摩擦系数分解。不同工况下 摩阻扭矩计算递推公式（3）滑动钻进工况管柱在井眼中仅有轴向运动，可以按下钻工况处理。最下面的单元管柱下端的轴向力T2=WOB（4）旋转钻进工况管柱在井眼中有轴向运动和转动，可以按正划眼工况处理。收集数据，包括：井眼轨迹测斜数据（设计轨道为分点计算数据）、管柱组合数据（各段长度、外径、内径、接头外径、扶正器外径、每米重量等）、泥浆密度、钻压、转速、套管下深、摩阻系数、井眼直径等；将管柱组合划分为若干个微元或单元。对于软模型（或硬模型），可以将一个测段划成一个微元；若一个测段内管柱参数不一样，则需要将不同