doi：10.3969/j.issn.1004-275X.2019.05.045大位移井钻柱扭矩摩阻及轴向强度分析张燊(西安石油大学,陕西西安710065)摘要：井眼轨迹优化技术,井眼清洁技术,减小摩阻扭矩技术等都属于大位移井钻井技术。

钻井时效直接受到来自于大位移井钻井的扭矩影响,分析扭矩对把控井眼轨迹的变化大有帮助,也能减少和预防井下事故。

关键词：大位移井;钻柱;扭矩摩阻;轴向强度;中图分类号：TE243.1文献标志码：A文章编号：1004-275X（2019）05-111-03A n a l y s is o f T o rq u e F ric t io n a n d A x ia l S t re n g t h o f D rill S t ri n g i n L a rg e D is p l a c e m e n t W e llZhang Shen（Xi’an Petroleum University,Xi’an710065China）Abstract:Well trajectory optimization technology,wellbore cleaning technology,and friction reducing torque technology are all large-displacement well drilling technologies.According to the research,the drilling aging effect will be directly affected by the torque from the large displacement well drilling.The analysis of the torque will greatly help to control the change of the wellbore trajectory and also reduce and prevent downhole accidents.Key words:large displacement well;drill string;torque friction;axial strength1扭矩摩阻产生的原因及危害1.1井眼净化和泥浆不适产生的摩阻1)地层特性,由于地层的化学成分和颗粒大小等因素,不同的地层岩性具有不同的润滑特征;2)流体的黏性力会对井眼摩阻产生影响;3)下钻时由于泥浆填充钻杆产生的流体密度差;4)井眼净化不佳,由于形成的岩屑床给井眼带来了机械障碍问题,这可能会导致岩屑压实; 5)井眼稳定性差,页岩吸水后膨胀、井眼直径缩小、井壁脱落或垮塌;6)压差卡钻,这种情况是由于井内压力高于地层的孔隙压力,导致钻杆被推进井壁的泥饼;7)循环漏失可能会导致泥浆润滑性能下降。

1.2井眼轨迹造成的摩阻1)钻杆和刚硬的井底钻具组合,井底钻具组合是坚硬而不易弯曲的钻柱,扶正器会与地层相互作用或碰撞,这会产生较高的井眼摩阻,特别是当井底钻具组合处于一个高狗腿井段时; 2)钻柱的重量,使用低重量钻杆可以在超长位移井的钻井作业中发挥良好的效果;3)钻柱和套管表面的粗糙度,以及钻杆接头的影响;4)狗腿度。

1.3摩阻扭矩的危害1)起钻时钻柱承受了大量的负荷,下钻时钻头受到了较大的阻力;2)滑动钻进时钻压很小,加压受阻,钻头速度过低;3)钻柱旋转钻进时由于扭矩过大,造成强度被损坏;4)套管和钻柱之间发生摩擦作用,造成套管的磨擦损伤,严重时会被磨透;5)套管下入困难,甚至下不到底。

2钻柱软杆模型油田钻井是大风险、高投资、技术要求较高的一项工程。

根据经验分析,认为通过建立软模型实现对现场实际大位移井摩阻扭矩的计算是比较好的。

软杆模型有以下几条假设前提:1)钻柱是一条柔软的绳子,轻微的刚性,基本可忽略不计;2)钻柱的部分形态可以被忽略,比如钻杆的接头等会直接影响到摩阻扭矩;3)每当受力均衡,钻柱横截面的剪力会产生影响;4)忽略钻柱动态因素的影响。

计算简易,方法可行是软杆模型的突出特点,缺点是使用范围受到限制。

计算思路如下: 1)由井眼轨迹来测量分点的数据为对应的计算单元;111--（下转第115页）2)每个微元已知单元长度的浮重,结合轴向力可得出接触正压力和摩阻扭矩;3)最底端的微元下方轴向力即钻压,从下到上计算每个微元即可得到管柱的摩阻扭矩。

单位钻杆的受力分析如图1。

由图1可知,①管柱微元体现在斜平面上;②该平面是经过管柱微元的中点切线方向的垂直面。

管柱微元的中点是原点,以管柱微元中点的切线,主、副法线方向为坐标轴建立成微元随动坐标系。

1)分解重力,则有:W t =W cos α2+cos α12cos(γ/2)W n =W cos α2-cos α12cos(γ/2)(1)W b =W sin α1sin α2sin Δφsin γ狗腿角的计算可用鲁宾斯基公式计算:cos γ=cos α1cos α2+sin α1sin α2sin Δα(2)2)由于管柱微元的合力是零,则有:T 1cos(γ/2)=T 2cos γ/2+F +W t N n =T 1sin γ/2=T 2sin γ/2+W n (3)N n =W b上述方程中有三个独立未知数T 1,N n ,W b ,可求解。

3)求解以上方程式,管柱微元正压力可得:N n =N n 2+n b 2√=[(2T 2+W t )sin γ/2+W n ]2+W b 2√(4)在稳斜段,井眼轨迹是直线,所以此时的管柱与实际一样也是直的,狗腿角为0,管柱微元正压力是本身浮重沿着垂直接触面方向的分力。

N =W sin α(5)4)摩阻扭矩计算递推公式对于一段单元管柱来说,已知的力有T 2和W b ,当根据式(4)或者(5)求出管柱与井壁的正压力之后,就可以计算出摩阻F 和扭矩M 。

由于求得的本段T 1正是其上一段单元管柱的T 2,从最下端的单元管柱对每段求解,累计隔断摩阻力和扭矩M ,即整个摩阻扭矩。

可以看出,首先需知最下端单元管柱的T 2,不同工程的边界条件可以决定值的大小。

①起下钻工况起下钻,井眼中管柱轴向运动,此时管柱没有扭矩,摩阻为:F =N ×f T 1=T 2+W t ±F (6)式中的±,起钻的时候取正,当下钻时取负。

起下钻时,单元管柱下方的轴向力为零。

②划眼工况分解综合摩擦系数:θ=tan -1(πnD 0/60V a )f a =f cos θ(7)f c =f sin θ式中:θ为过渡参数;V a 为轴向的运动时速,m/s ;n 为转动时速,r/min ;D 0为外部直径,m ;f a 为综合摩擦系数的分量。

划眼摩阻扭矩:F =Nf aT 1=T 2+W t ±F (8)M=12Nf c D 0式中:倒划眼取正,正划眼取负,最下端的单元管柱下方的轴向力为零。

③旋转钻进工况管柱轴向运动的同时也转动,可按照正划眼分析,最下端=-WOB 。

④滑动钻进工况此时管柱只是轴向往下运动,按照下钻工况分析即可。

3修正软杆模型如果发现井眼曲率变化大,应该引起重视,由于井眼的约束产生了附加接触正压力:N g =96EI [1-cos(K ΔL )K -(D-D 0)]ΔL -3(9)式中:E 为弹性模量;I 为惯性矩;K 为井眼曲率;D 为井眼直径;D 0为钻柱的外部直径;ΔL 为附加刚性正压力的管柱长度,ΔL =[24(D-D 0)/K ]1/2。

4屈曲对钻柱摩阻扭矩的影响计算钻柱摩阻扭矩是以钻柱未发生屈曲为前提的,下部钻柱往往由于压力影响,当轴向力超出临界压力,钻柱屈曲,与此同时钻柱和井壁的凝聚力增加,钻柱摩阻扭矩也增大了。

图1单元钻柱受力分析图112--（上接第112页）4.1钻柱的屈曲临界载荷正弦屈曲和螺旋屈曲都是钻柱的屈曲变形的两种主要表现形式。

当刚开始超出临界值,首要表现为正弦屈曲;压力增加,达到另一临界值,则表现为螺旋屈曲。

4.2钻柱屈曲引起的附加接触阻力附加压力的计算,当钻柱正弦屈曲,如下:ΔN=rT28EI(10)附加压力的计算,当钻柱螺旋屈曲,如下:ΔN=rT24EI(11)式中:ΔN为附加接触压力;T为轴向力;I为惯性矩;r为井眼与钻柱直径差值的一半。

I=仔(D4-d4)32(12)得出钻柱惯性矩。

式中D4为外部直径,mm, d4为内部直径,mm。

5结论摩阻扭矩是大位移井钻井技术的核心技术。

笔者认为,在不影响工程质量和要求的情况下可以近似的运用较为简单的软杆模型来分析摩阻扭矩,刚杆模型和有限元模型不适合现场的运用,只适合在实验室中研究,而且对工作者的计算要求,数学水平有很严格的要求。

本文所总结的软杆模型适用于狗腿角变化较小,井眼轨迹较为光滑的井眼,狗腿度严重的井计算结果误差比较大。

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3植物油脂肪酸分析实验的结论通过对基于气相色谱方法的植物油脂肪酸分析实验进行研究得知,利用气相色谱方法,植物油的脂肪酸进行甲酯化处理,可以准确的判断植物油的脂肪酸种类,通过确定植物油的脂肪酸种类,计算植物油含有的脂肪酸的百分比含量,通过这次研究,加深实验人员对植物油的脂肪酸种类和植物油含有的脂肪酸的百分比含量的认识和理解。

4结语综上所述,随着我国对基于气相色谱方法的植物油脂肪酸分析工作的不断关注和重视,基于气相色谱方法的植物油脂肪酸分析实验取得了圆满的成功。

对基于气相色谱方法的植物油脂肪酸分析过程,有了更加深刻的认识和理解。

同时,对通过运用定性和定量分析、色谱柱的选择、甲酯化体系的选择、反应温度影响、精密度和稳定性实验、实际样品测定及植物油脂肪酸组成特点、聚类分析等分析方法,对基于气相色谱方法的植物油脂肪酸分析实验结果进行全面合理的分析。

除此之外,为了推广气相色谱方法的使用,越来越多的学者投入到关于“基于气相色谱方法的植物油脂肪酸分析探究”的研究中,不断提升自身的专业素养,为最大限度的发挥气相色谱方法的应用价值奠定了一定理论基础。