钻具的受力分析

五、水平井钻具的受力分析
水平井钻具的受力分析是一个比较复杂的力学问题，在水平井摩阻与扭矩分析和计算的基础上，我们可以定性的分析在一定井眼条件和一定钻井参数情况下，不同钻具组合对井眼轨迹控制的能力。

钻柱与井壁产生的摩阻和扭矩, 用滑动摩擦理论计算如下:
Ｆ ＝μ×Ｎ
Ｔr ＝μ×Ｎ×Ｒ
式中:Ｆ 一 摩擦力
μ 一 摩擦系数
Ｎ 一 钻柱和井壁间的正压力
Ｒ 一 钻柱的半径
Ｔr 一 摩擦扭矩
从上式可以看出，μ 和 N 是未知数，通过大量现场数据的回归计算求出：μ＝0.21（钻柱与套管）
μ＝0.28～0.3（钻柱与裸眼）
同时我们对正压力也进行了分析和计算。

1、 正压力大小的计算
(1) 弯曲井眼内钻具重量和井眼曲率引起的正压力Ｎ1
现有的摩阻和扭矩计算模式是根据"软绳"假设建立起来的，即钻具的刚度相对于井眼曲率可忽略不计．设一弯曲井眼上钻柱单位长度的重量为Ｗ，两端的平均井斜角为Ｉ，两端的平均方位角为 A 。

如果假定Ｙ轴在垂直平面内,•Ｘ轴在侧向平面内,把Ｎ1沿Ｘ和Ｙ轴分解,则: Ｎ1y=Ｔ×sin Ｉ + Ｗ×sin Ｉ
Ｎ1x=Ｔ×sin Ａ×sin Ｉ
(2) 钻柱弯曲产生的弯曲正压力Ｎ2
钻柱通过弯曲井段时,由于钻柱的刚性和钻柱的弯曲,便产生了一种附加的正压力Ｎ2。

如图所示:
Ｒ ＝ 18000/Ｋ/pi (m)
Ｌ ＝ Ｒ×2×Φ
Φ ＝ 2×Ｌ/Ｒ
Ｌ1 ＝ 2×Ｒ×sin Φ (m)
根据力学原理:
Ｍ ＝ Ｅ×Ｉm ×Ｋ/18000*pi
Ｍ ＝ Ｎ2×(Ｌ1/2)-Ｔ×Ｌ1×sin Φ
则有:
Ｎ2 ＝ 2×Ｔ×sin Φ +2×Ｅ×Ｉm ×Ｋ/1719×Ｌ1
这里:
Ｋ － 井眼曲率 (°/100米)
Ｌ － 井段长度 (米)
Ｌ1 － Ｌ的直线长度 (米)
I
A T SINi w I T N sin sin )sin (1⨯⨯+⨯+⨯=
Ｎ2 －附加正压力 (KN)
Ｅ－弹性模量 (KN/m)
Ｉm －截面惯性矩 (m^4)
2、摩擦系数的确定
在设计一口水平井时,我们可以利用邻井摩擦系数来预算摩阻和扭矩。

在实钻过程也可以实求摩擦系数的大小,其方法如下:
(1)•用转盘钻至某一井深时,均匀反复上提下放活动钻具,记录上提悬重Ｑ上和下放悬重Ｑ下。

(2) 在同一井深，转动钻具，记录此时的悬重Q转。

(3) 上提摩擦力Ｆ上=Ｑ上-Ｑ转,
下放摩擦力Ｆ下=Ｑ下-Ｑ转。

(4) 计算出相应井深的上提正压力Ｎ上和下放正压力Ｎ下。

(5) 求上提／.下放摩阻系数μ上和μ下:
μ上＝Ｆ上/Ｎ上＝(Ｑ上-Ｑ转)/ Ｎ上
μ下＝Ｆ下/Ｎ下＝(Ｑ下-Ｑ转)/ Ｎ下
水平井摩阻和扭矩的计算:
在确定了正压力的大小和摩擦系数的大小以后,•就可对水平井的摩阻和扭矩进行计算。

拉力增量 T＝W×cosI ±μ×N
扭矩增量 Tr＝μ×N×R
起钻时:
T2＝T1+W×cosI + μ×N
下钻时:
T2＝T1+W×cosI - μ×N
钻具只转动时:
T2＝T1+W×cosI
Tr2＝Tr1+ μ×N×R
使用上面的计算模式，我们编制了摩阻扭矩的计算机程序。

该程序主要有两种工作方式，即摩阻扭矩计算方式和确定摩阻系数计算方式。

在确知摩擦系数的前提下，可对摩阻扭矩进行钻前预测和实钻校正，在这一过程中，可对各种水平井不同井段工作情况的钻具组合进行受力分析，由此可进行钻柱设计。

在实钻过程中，也可根据实测的摩阻值反推摩擦系数。

力学分析模式建立起来后，我们对其正确性进行了验证。

在现场施工过程中，我们将理论悬重等计算值与现场实测值进行比较，其结果比较接近，误差仅为 1～2 % 左右，说明这一模式能够较准确地反映出长、中半径水平井的钻具受力的情况。

3、水平井钻具的力学分析
使用该计算模式和计算机程序可对长、中半径水平井的各种钻具组合及各种工作状态进行力学分析。

这一工作可以作为组合下井钻具的理论依据，也可以在实际井眼轨迹控制过程中进行现场分析，具体讲来，可分为下面几种情况。

A、起下钻工作状态：
可以对给定井深、给定钻具结构在起下钻过程进行力学分析，包括起下钻过程中钻柱在各处所受的轴向载荷、正压力、摩阻。

这些分析可以用绘图或列表的形式表示出来。

B、转盘钻进工作状态：
在转盘旋转钻进时，可以对给定井深、钻具结构、钻井参数条件下的钻柱进行力学分析，其中包括钻柱在各处所受的张力、正压力、扭矩。

分析结果可以用绘图或列表的形式表示出来。

C、动力钻具钻进工作状态：
在动力钻具滑动定向钻进时，可以对给定井深、钻具结构、钻井参数条件下的钻柱进行力学分析，其中包括钻柱在各处所受的张力、正压力、扭矩。

分析结果可用绘图或列表的形式表示出来。

利用这些分析方法，对水平井的钻具组合进行钻前设计、钻进过程及钻后分析，总结出一套适应水平井井眼轨迹控制的钻具结构。

它一般有六部分组成。

其中第一部分为井底钻具组合，主要由钻头、稳定器、动力钻具及无磁钻铤等组成，其主要作用是控制井眼轨迹，使之满足轨道设计的要求。

该部分钻具单位重量相对较大，且一般处于大斜度井段或水平段，对产生钻压所起的作用很小甚至不起作用，因此在满足井眼轨迹控制要求的前提下，应尽可能地缩短该部分的长度，这对于我们减小摩阻和扭矩来说是非常必要的。

第二部分是钻压传递段，其作用是将钻压和旋转运动传递给井底钻具组合，对它的要求是在负荷传递过程中不受破坏，加钻压后不产生弯曲，且能使产生的摩阻和扭矩最小。

第三部分为增斜段下部，通常井斜角在60～90度的井段，该部分钻柱主要承受剪切负荷、轴向负荷及由于井眼曲率而产生的弯曲负荷，因为该井段井斜大，钻柱的重量不仅不能产生多大的钻压，反而会产生较大的正压力，为减小摩阻和扭矩，在满足剪切负荷、轴向负荷及弯曲负荷的前提下，在该井段井使用较轻的钻具。

第四部分为增斜段上部，井斜角一般小于 60 度，对该段要求主要是在加压时不发生失稳弯曲。

第五部分是重量累积段，要求该井段钻具能产生第四部分以外的钻压。

通常在增斜段上方下入钻铤或加重钻杆来产生要求的钻压。

第六部分为直井段，该段钻具通常处于受拉状态，所承受的拉伸负荷及剪切负荷相对较大，要能够满足其强度要求。

概括地讲就是抗拉、抗剪、抗弯与钻具重量间的平衡。

对于长半径水平井来说，在井斜角α∠ ATN（1/μ）时，其钻柱设计与普通定向井一样，只在井斜角α≥ ATN（1/μ）或水平段时，主要要简化井底钻具组合使之满足井眼轨迹控制的要求即可，这在减小摩阻扭矩的同时，还减小了粘附卡钻的可能性。

通常我们在井斜角大于 60 度以后采用 G105 斜台肩钻杆，其强度高、重量轻，能满足传递负荷减小摩阻的要求。

在此上面的钻具为钻压产生段，经理论分析得知，继续使用 G105 钻杆就能满足加压的要求，钻具不需要倒置（即不需要在上部井段下入钻铤或加重钻杆以推动井底钻具组合）。

但在钻进过程中，有时使用倒置钻具，不是为了产生钻压，而是在中和点附近使用强度较高的钻铤，使钻杆免遭交变载荷的作用，这对保护钻杆来说是有益的。

具体作法是在中和点附近加约 80 m 的钻铤，上下两端用加重钻杆进行过渡，在整个钻进过程中确保中和点不落在钻杆上，这样倒置的另一个作用就是增加了钻柱的储备重量。

对于中半径水平井来说，由于其造斜率高，增斜井段短，并且通常利用动力钻具进行滑动定向钻进状态，所受摩阻较大，通常采用该分析方法并且进行倒置是非常必要的，具体钻柱结构如前所述，各段具体长度随井身剖面不同而异，通过该分析是不难确定的。