应用节点法对欠位移水平井管柱受力分析
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义 。 。
＝
（ １ ） 钻杆接头受拉 。第 根钻杆接头末 ，管柱轴 向力 为
，
流 体 压 力 为 ，管柱 轴 线 与 重 力方 向 夹 角 为 ａ … 钻杆 接 对 第 ”根 钻杆 接头进 行 受 力分 析 ，得
Ｑ ＝ （ 叮 ０ 一 吼） ｓ ｉ ｎ ＋ 只 （ １ ） ＋ Ｑ（ ｌ 】 ｃ ｏ （ Ｉ ） （ ２ ）
ｓ 型 剖 面 和 一 种 双 增 剖 面 构成 的二 维 井 眼 轨道 ，图 １ 为胜 利油 田
第一 根钻 杆切 下 ，其 上下 的管 柱拿 开 ，则 在重 力和 流体 压 力的 作 用下 ，其 受 力为 ：直 井段 排开 流体 的 重量 ｑ 。 ，重 力 ｑ ，上 、下 截 面的 静液 压 力合 力分 别为 和 ， ，在垂 直段 ，流 体压 力在 管 柱 周 向对称 分布 ，对 于 任意 微段 ，合 力 为零 。所 以轴 向 力为
南｜ 工 科效 ２ ０ １ ３ 年第３ 期
石 油 地 质
应用节点法对 欠位移水平 井管柱受 力分析
栗 奇
胜利定向井公司 ２ ５ ７ ０ ６ ４ 山 东 东 营 摘 要 水平 井轨 迹设 计 时 ， 因某些 特殊 原 因 ，常造 成 欠位 移轨 迹 。本 文应 用 节点 分析 方 法 ，针 对此 类 型设 计轨 迹进 行
触 ；②钻杆段跨 内井眼曲率为常数 ；③井眼平滑；④不考虑钻杆
接 头过 渡带 壁 厚变 化 。 节 点分 析方 法 。 。 “ ，庞 淑华 在２ ０ ０ ６ 年 中 国石 油大 学 工学 硕 士 论 文 进行 了详 细 描述 ，这 里 不再 详细 推证 。
１ ． １ 垂 直段 钻杆 接 头 受力分 析
了受 力 分析 ，并编 制 了相应 计 算软 件 ，对 比分析 了其 与 常规 轨迹 的接 触 力 的分 布情 况 。从 受力 分析 来看 ，欠 位 移型 轨迹 施
工 是 可行 的并 且有 利 于现 场及 后 续施 工。
关键 词
管柱 力 学 钻 杆接 头
弯 曲井眼
摩擦 力
水平 井施 工 时 ，当靶 前位 移 较小 ，如 仍按 常 规井 身剖 面 ，则 设 计 出来 的 轨 迹 接近 Ｌ 型 ，给 施 工 造 成很 大 困难 。刘修 善 等 将 这种 轨迹 称 为欠 位移 水平 井 。欠 位移 水平 井 设计 轨道 由一 种反 扣
触 。 因此 ，可 以将 钻杆 跨距 的 井眼 简化 为均 匀 曲率 ，而 在相 邻跨 问 考虑 井 眼 曲率的 变化 。
６∞
８ 嘛
Ｉ Ｉ
一
ｌ： Ｏ ～
ｌ ４Ｏ Ｏ
图 １营 ８ 一 １ 垂 直 剖 面 图
基 本 假 设 ：① 钻 杆 （ 接 头 或 本 体 ）与 井 壁 的 接 触 为 点 接
在 垂 直段 ，假 设 流 体 比重 为 ，管 柱 内半 径 为 ａ ，外半 径 为
ｂ ，管 柱截 面 外 圆面积 为
Ｗ —ｙ ｘ Ａ
（ １ ）
可 见 ，垂 直 段 管柱 围压 合 力为 零 ，下 面接 弯 曲管 柱 ，所 以
没有 浮力 ，只需考 虑 管柱 自重 。此 式 可应 用到 垂直 段结 束 。
１ ． ２ 增 斜段 钻 杆接 头 受力 分析
小 ，考虑特殊地层造斜低或者仪器对造斜率的要求 ，需要形成此
类 型轨 迹来 降低 全 井 的 造 斜 率 ，满 足 施 工 现 场 工 具 及仪 器 的要 求 。③ 水平 井前 有 时需 要打 导 眼探 油层 、确 定入 窗 点 ，导眼 后 回 填 ，常 直井 段反 方 位侧 钻打 水 平井 ，从 而形 成欠 位 移轨 迹 。④直 井段 打斜 或 其他 原 因 ，常 形 成欠 位移 轨迹 。 欠 位 移 水 平 井 的 钻 前 井下 摩 阻 分 析 是 该 轨 迹 井 可行 性 研 究 的 出发 点之 一 ，是优 化 井身 剖 面的 主要依 据 。针 对此 种情 况 ，本 文应 用 节点 分析 法对 欠 位移 水平 井 设计轨 迹 进行 管柱 受 力分 析 ， 确 定管 柱在 井 眼 中的荷 载分 布 ，不仅 有 利于 优化 钻 井设 计和 指导 钻 井 施 工 ，而 且 对 后 续 的 测 试 和 采 油 工 程 等 均 具 有 重 要 的 意
头 与井壁 的接 触 力 为 Ⅳ 摩 擦 力为 ，剪切 力 为 。
（ ｑ ｏ 一 ） ｏ 嘴 ％ ＿ ｝ ｛ １ ＋ Ｉ 】 ∞ Ｂ ） 一 只 ＋ 职叫 血 Ｑ 【 删 酬
＝ Ｉ ｌ ｓ ｉ ｎ
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（ ４ ）
式中 （ ） ＝ 一 山 ＿ ｌ ｌ ，
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ｓ ｉ ｎ ） ） ，
Ｐ＝ ２ Ｌ ／ （ ａ 一 口 ｆ Ｉ ＿ Ｊ ， ＝ ｐ ， Ａ ０ － －
（ ２ ）钻杆 接头 受压 。对 第 一 根 钻杆 接头 进行 受 力分 析 Ｑ ＝ （ 叮 ０ 一 ｑ ， ） ｓ ｉ ｒ ￣ ＋ ） ｝ ＋ ｇ ） Ｃ Ｏ 甄 ｝ （ ５ ）
１ 钻 杆全 井 受 力分析
影 响 管 柱 受 力 的 因 素 较 多 ，主 要 包 括 管 柱 结 构 、井 眼 环
境 、及钻井作业方式和操作参数等几类 。由于井斜测量时主要给 出离散 的点 的 井斜 ，所 以精 确 描述 每一 点 的井 斜是 比较 困难 的 。
同时 ， 由于钻 杆接 头 的存在 ，使钻 杆上 大 部分 点不 与井 壁直 接 接
＝
营８ 一平 ｌ 井 现 场 施 工 垂 直 剖 面 图 。这 种 轨 迹 由于 形 成 负位 移 ， Ａ 靶 的水 平位 移 并不 能全 部反 映 井眼轨 迹 的情 况 。 欠 位 移 轨 迹 的 形 成常 有 以下 几 种 ：① 受 地 面 条 件 和地 质 构 造 的 限 制 ，需 要 形 成 欠 位 移轨 迹有 效 开 发 油 气 藏 。② 靶前 位 移
＝
（ １ ） 钻杆接头受拉 。第 根钻杆接头末 ，管柱轴 向力 为
，
流 体 压 力 为 ，管柱 轴 线 与 重 力方 向 夹 角 为 ａ … 钻杆 接 对 第 ”根 钻杆 接头进 行 受 力分 析 ，得
Ｑ ＝ （ 叮 ０ 一 吼） ｓ ｉ ｎ ＋ 只 （ １ ） ＋ Ｑ（ ｌ 】 ｃ ｏ （ Ｉ ） （ ２ ）
ｓ 型 剖 面 和 一 种 双 增 剖 面 构成 的二 维 井 眼 轨道 ，图 １ 为胜 利油 田
第一 根钻 杆切 下 ，其 上下 的管 柱拿 开 ，则 在重 力和 流体 压 力的 作 用下 ，其 受 力为 ：直 井段 排开 流体 的 重量 ｑ 。 ，重 力 ｑ ，上 、下 截 面的 静液 压 力合 力分 别为 和 ， ，在垂 直段 ，流 体压 力在 管 柱 周 向对称 分布 ，对 于 任意 微段 ，合 力 为零 。所 以轴 向 力为
南｜ 工 科效 ２ ０ １ ３ 年第３ 期
石 油 地 质
应用节点法对 欠位移水平 井管柱受 力分析
栗 奇
胜利定向井公司 ２ ５ ７ ０ ６ ４ 山 东 东 营 摘 要 水平 井轨 迹设 计 时 ， 因某些 特殊 原 因 ，常造 成 欠位 移轨 迹 。本 文应 用 节点 分析 方 法 ，针 对此 类 型设 计轨 迹进 行
触 ；②钻杆段跨 内井眼曲率为常数 ；③井眼平滑；④不考虑钻杆
接 头过 渡带 壁 厚变 化 。 节 点分 析方 法 。 。 “ ，庞 淑华 在２ ０ ０ ６ 年 中 国石 油大 学 工学 硕 士 论 文 进行 了详 细 描述 ，这 里 不再 详细 推证 。
１ ． １ 垂 直段 钻杆 接 头 受力分 析
了受 力 分析 ，并编 制 了相应 计 算软 件 ，对 比分析 了其 与 常规 轨迹 的接 触 力 的分 布情 况 。从 受力 分析 来看 ，欠 位 移型 轨迹 施
工 是 可行 的并 且有 利 于现 场及 后 续施 工。
关键 词
管柱 力 学 钻 杆接 头
弯 曲井眼
摩擦 力
水平 井施 工 时 ，当靶 前位 移 较小 ，如 仍按 常 规井 身剖 面 ，则 设 计 出来 的 轨 迹 接近 Ｌ 型 ，给 施 工 造 成很 大 困难 。刘修 善 等 将 这种 轨迹 称 为欠 位移 水平 井 。欠 位移 水平 井 设计 轨道 由一 种反 扣
触 。 因此 ，可 以将 钻杆 跨距 的 井眼 简化 为均 匀 曲率 ，而 在相 邻跨 问 考虑 井 眼 曲率的 变化 。
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８ 嘛
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图 １营 ８ 一 １ 垂 直 剖 面 图
基 本 假 设 ：① 钻 杆 （ 接 头 或 本 体 ）与 井 壁 的 接 触 为 点 接
在 垂 直段 ，假 设 流 体 比重 为 ，管 柱 内半 径 为 ａ ，外半 径 为
ｂ ，管 柱截 面 外 圆面积 为
Ｗ —ｙ ｘ Ａ
（ １ ）
可 见 ，垂 直 段 管柱 围压 合 力为 零 ，下 面接 弯 曲管 柱 ，所 以
没有 浮力 ，只需考 虑 管柱 自重 。此 式 可应 用到 垂直 段结 束 。
１ ． ２ 增 斜段 钻 杆接 头 受力 分析
小 ，考虑特殊地层造斜低或者仪器对造斜率的要求 ，需要形成此
类 型轨 迹来 降低 全 井 的 造 斜 率 ，满 足 施 工 现 场 工 具 及仪 器 的要 求 。③ 水平 井前 有 时需 要打 导 眼探 油层 、确 定入 窗 点 ，导眼 后 回 填 ，常 直井 段反 方 位侧 钻打 水 平井 ，从 而形 成欠 位 移轨 迹 。④直 井段 打斜 或 其他 原 因 ，常 形 成欠 位移 轨迹 。 欠 位 移 水 平 井 的 钻 前 井下 摩 阻 分 析 是 该 轨 迹 井 可行 性 研 究 的 出发 点之 一 ，是优 化 井身 剖 面的 主要依 据 。针 对此 种情 况 ，本 文应 用 节点 分析 法对 欠 位移 水平 井 设计轨 迹 进行 管柱 受 力分 析 ， 确 定管 柱在 井 眼 中的荷 载分 布 ，不仅 有 利于 优化 钻 井设 计和 指导 钻 井 施 工 ，而 且 对 后 续 的 测 试 和 采 油 工 程 等 均 具 有 重 要 的 意
头 与井壁 的接 触 力 为 Ⅳ 摩 擦 力为 ，剪切 力 为 。
（ ｑ ｏ 一 ） ｏ 嘴 ％ ＿ ｝ ｛ １ ＋ Ｉ 】 ∞ Ｂ ） 一 只 ＋ 职叫 血 Ｑ 【 删 酬
＝ Ｉ ｌ ｓ ｉ ｎ
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（ ４ ）
式中 （ ） ＝ 一 山 ＿ ｌ ｌ ，
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（ ２ ）钻杆 接头 受压 。对 第 一 根 钻杆 接头 进行 受 力分 析 Ｑ ＝ （ 叮 ０ 一 ｑ ， ） ｓ ｉ ｒ ￣ ＋ ） ｝ ＋ ｇ ） Ｃ Ｏ 甄 ｝ （ ５ ）
１ 钻 杆全 井 受 力分析
影 响 管 柱 受 力 的 因 素 较 多 ，主 要 包 括 管 柱 结 构 、井 眼 环
境 、及钻井作业方式和操作参数等几类 。由于井斜测量时主要给 出离散 的点 的 井斜 ，所 以精 确 描述 每一 点 的井 斜是 比较 困难 的 。
同时 ， 由于钻 杆接 头 的存在 ，使钻 杆上 大 部分 点不 与井 壁直 接 接
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营８ 一平 ｌ 井 现 场 施 工 垂 直 剖 面 图 。这 种 轨 迹 由于 形 成 负位 移 ， Ａ 靶 的水 平位 移 并不 能全 部反 映 井眼轨 迹 的情 况 。 欠 位 移 轨 迹 的 形 成常 有 以下 几 种 ：① 受 地 面 条 件 和地 质 构 造 的 限 制 ，需 要 形 成 欠 位 移轨 迹有 效 开 发 油 气 藏 。② 靶前 位 移