水平井钻柱和底部钻具组合受力计算与分析

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摘 要：在水平井钻井过程中，钻柱摩阻的存在直接影响了钻压传导，境地钻压往往低于预定施加钻压，严重影响了钻井效率。因此，科学地进行钻压传导分析，准确地计算井底实际钻压是保证水平井快速钻井的关键。考虑钻井液对钻柱轴向力的计算方法。该方法可根据井口大钩载荷计算井底实际钻压，对于分析水平井钻压传导，指导水平井钻井施工，提高钻井效率具有重要的实际意义。

关键词：水平井；受力分析；钻柱摩阻；钻压传导

中图分类号：V231.1+3

近年来，水平井在国内外应用日益广泛，但由于特殊井眼轨迹的影响，在非垂直段钻进过程中，钻柱摩阻阻碍了钻压传导，直接影响了钻井施工效率。因此，开展水平井钻柱和底部钻具组合受力分析具有重要的现实意义。1983年，Johansick首次提出了预测钻柱拉力和扭矩的软杆模型。1988年，何华山以大变形理论为基础，开率钻柱刚度作用，提出了混合模型。1996年，马善洲、韩志勇等人针对定向井的特点，提出了分段计算钻柱摩阻的方法，对底部钻具组合（BHA）和上部钻柱分别采用纵横弯曲梁理论和微单元力平衡分析法计算钻柱受力，并探讨了钻井液黏滞力和钻柱刚性效应的影响。笔者通过

基本假设与受力分析，建立了上部钻柱和底部钻具组合轴向力的计算方法，为水平井钻井施工提供技术指导，以提高钻井效率。

1钻井液对钻柱轴向力的影响

水平井钻井过程中，钻柱轴向力除受到井壁或套管约束产生的摩阻力外，由于存在钻井液流体与钻柱的相对运动，钻柱轴向力还受到钻井液黏滞力的影响。此外，若钻井液液柱压力与地层压力之间存在正压差，钻柱与井壁或套管接触后，该正压差也会形成一定的摩阻力而影响钻柱轴向力。

1.1钻井液黏滞力

钻井液黏滞力主要受钻井液性能的影响，钻柱内钻井液黏滞力方向沿轴向向下，环空钻井液黏滞力方向沿轴向向上，具体计算公式如下：

钻柱内钻井液黏滞力为：

环空钻井液黏滞力为：

式中：Fui为钻柱内钻井液黏滞力，N；Di为钻柱内径，m；Pi为钻柱内压力，MPa；H为计算点测深，m；vm为钻井液最大流速，m×s-1；n为钻井液流性指数；

k为钻井液稠度系数，Pa×sn；Fuo为钻柱外环空钻井液黏滞力，N；Dp为钻柱外径，m；P0为钻柱外环空压力，MPa；Dh为井径，m。

1.2压差产生的轴向力

压差产生的轴向力方向沿轴向向上，其大小受到钻井液密度、地层空隙压力、井壁或套管摩擦系数、接触面积、井斜角等因素的影响。

2 上部钻柱轴向力计算

2.1基本假设

为了能够准确地计算实钻井眼中钻柱摩阻及轴向力分布，在钻压传导分析中作如下基本假设：①井壁为刚性；②钻柱与井壁连续接触，钻柱轴线与井眼轴线一致；③计算钻柱单元体为空间斜平面上的一段等曲率圆弧；④钻柱单元体所受重力、正压力、摩阻力、钻井液黏滞力和压差均匀分布；⑤不考虑起下钻时动载荷的影响。

2.2上部钻柱受力分析与轴向力计算

上部钻柱受力分析与轴向力计算结合三维水平井上部钻柱受力特点，建立曲线自然坐标系，t、n、b分别代表井眼轴线切线方向、主法线方向和副法线方向。取上部钻柱微元段进行受力分析，钻柱微元段受重力、井壁支撑力、摩阻力、剪力、弯矩、钻柱微元段受重力、井壁支撑力、摩阻力、剪力、弯矩、钻井液黏滞力及压差产生的轴向力等共同作用，

3底部钻具组合轴向力计算

水平井钻井过程中，底部钻具组合除了受到自身重力外，还受到弯矩和摩阻力的共同作用。假设钻具组合位于空间斜平面的井眼内，该平面为井身平面R。把在井身平面R内的受力问题分解为在井斜平面P和方位平面Q内的受力问题，即把三维问题转化为双二维问题。根据上部钻柱力学分析，可以求解出上切点的轴向力T|S=ST，则pn+1 = -T|S=ST+1/2qn+1KfLn+1cosan+1；若pn+1

式中：Mi，p为第i跨梁在p平面内的弯矩，N.m；Mi，Q为第i跨梁在Q平面内的弯矩，N.m；Li为第i跨梁的长度，m。根据式可计算出不考虑和考虑钻井液对底部钻具组合影响时钻头处的轴向力为T0，即井底实际钻压T。

4 结束语

通过对上部钻柱的力学分析，并考虑钻井液黏滞力和压差产生的轴向力，建立了上部钻柱轴向力计算模型。通过对底部钻具组合的力学分析，并考虑钻井液黏滞力和压差产生的轴向力，建立了底部钻具组合轴向力计算模型。通过对水平井钻柱和底部钻具组合的受力分析，提出了一种钻压传导分析计算方法，可以计算给定大钩载荷条件下的井底实际钻压，有助于指导水平井钻井施工，提高钻井效率。

参考文献：

1刘清友，孟庆华，庞东晓.钻井系统仿真研究与应用[M}.北京；科学出版社. 2009 ： 97--- 95