定向井、水平井鉆柱力學(xué)分析與應(yīng)用探討

單巍 李和清

摘要：定向井和水平井都擁有著它們各自工程項(xiàng)目施工時(shí)的突出特征，如果要建立在定向井和水平井的受力問(wèn)題做研究，也就是它們的幾何受力和各自的受力特征，并且不能以二維彎曲井眼作為鉆柱的受力分析基礎(chǔ)模型，應(yīng)當(dāng)以三維為基礎(chǔ)，以此來(lái)建立兩者工程項(xiàng)目的應(yīng)用具體算法。之后再通過(guò)具體環(huán)境和實(shí)際狀況等綜合因素來(lái)考慮到傳統(tǒng)的鉆柱設(shè)計(jì)內(nèi)容、鉆柱強(qiáng)度進(jìn)行核實(shí)的具體方式，來(lái)完成對(duì)鉆柱摩擦阻力和摩擦強(qiáng)度的主要來(lái)分析軟件的開(kāi)發(fā)和具體研究。通過(guò)相關(guān)研究人員的研究實(shí)踐表明了他們所建立的計(jì)算力學(xué)模型只有在充分考慮各個(gè)重要影響因素之后才具備高準(zhǔn)確度。并且研究的過(guò)程中應(yīng)當(dāng)貼近于鉆柱力學(xué)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，所計(jì)算出來(lái)的結(jié)果才能夠?qū)︺@柱的受力模型有著實(shí)際的意義。

關(guān)鍵詞：鉆柱；力學(xué)分析；探討

一、鉆柱的力學(xué)分析

1.1 研究并分析鉆柱與井壁的接觸

鉆柱相關(guān)工作人員應(yīng)當(dāng)充分了解鉆柱在定向井、水平井在各個(gè)井的井眼內(nèi)的實(shí)際情況，能夠充分的建立好定向井和水平井的鉆柱相關(guān)力的實(shí)際分析，通過(guò)學(xué)習(xí)有關(guān)力學(xué)分析的理論，以力學(xué)的理論研究為相關(guān)基礎(chǔ)，可以假定一些條件。例如各個(gè)鉆井的鉆柱是能夠改變形狀的非實(shí)心圓形桿狀截面體，但是各個(gè)井的鉆柱又是比較小巧的彈性體，因此可以將兩種井體的井眼橫截面最初的狀態(tài)想象并設(shè)計(jì)為圓形的物體。這時(shí)鉆頭受到的彎曲程度是幾乎為零的。各個(gè)鉆的鉆柱與定向井的內(nèi)壁連接在一起，在沒(méi)有想到摩擦力會(huì)對(duì)兩個(gè)物體之間產(chǎn)生接觸面的形狀影響力時(shí)，兩者之間的接觸是可以當(dāng)成有彈性的。

1.2 計(jì)算相關(guān)的摩擦反力

并且鉆柱在開(kāi)始進(jìn)入有彎曲的位置時(shí)，會(huì)與定向井的井壁下側(cè)所接觸到，此時(shí)彎曲位置的井率和井眼的曲率是相同的，相關(guān)工作人員再通過(guò)實(shí)際情況來(lái)制作三維坐標(biāo)體系能夠更好的了解到定向井和水平井兩者的井眼實(shí)際軌跡和鉆柱的變形情況。在定向井的井壁和井中的鉆柱進(jìn)行充分接觸時(shí)，通過(guò)查閱相關(guān)力學(xué)資料發(fā)現(xiàn)在理論上接觸可以認(rèn)為是彈性的。相關(guān)工作人員可以通過(guò)回憶赫茲問(wèn)題來(lái)類比計(jì)算出定向井井壁接觸面的正反力，將最終的結(jié)果再與摩擦系數(shù)的數(shù)值進(jìn)行相乘，計(jì)算出摩擦反力。

1.3 研究有關(guān)鉆柱的強(qiáng)度

定向井自身的井壁上存在著空間上的摩擦力作用，這些摩擦阻力會(huì)對(duì)定向井自身的井桿產(chǎn)生表面上的作用，如果摩擦阻力表面的作用力移動(dòng)到了井桿的中心軸線處，就會(huì)使得盛放油氣井的井壁在面對(duì)鉆井過(guò)程時(shí)產(chǎn)生摩擦的扭矩效果。要想獲得的耦合的鉆井微積分方程，可以根據(jù)有關(guān)鉆井的復(fù)變函數(shù)方程式和一次一次迭代的方法所結(jié)合，再將鉆井時(shí)摩擦的節(jié)點(diǎn)發(fā)生的實(shí)際位移同每個(gè)特定定向井的特定條件來(lái)得出最終定向井鉆井時(shí)的控制方程表達(dá)方程式。

通過(guò)將實(shí)際測(cè)量的有關(guān)定向井的相關(guān)數(shù)據(jù)代入表達(dá)式中，就可以求得鉆柱在不同層面上截面的內(nèi)部力，還能夠通過(guò)控制方程求出在微元段的不同相關(guān)截面上的內(nèi)力，以此為前提可以求出不同內(nèi)力的分量，這樣能夠更好的校準(zhǔn)鉆柱的有關(guān)強(qiáng)度。

二、鉆柱強(qiáng)度的分析

2.1 總結(jié)出正應(yīng)力的分布

在定向井和水平井鉆井的施工過(guò)程中，井管內(nèi)的外部液體的壓力差會(huì)給鉆柱一個(gè)作用力，并且軸向?qū)用娴睦?、扭轉(zhuǎn)和彎曲等各個(gè)方面都會(huì)給鉆柱影響，在各個(gè)方面的荷載作用和鉆桿內(nèi)部處于三向應(yīng)力的受理部位的聯(lián)合作用力下，軸向方向上的正應(yīng)力應(yīng)當(dāng)實(shí)在橫截面上均勻分布的。

2.2 獲得Lame公式

通過(guò)各個(gè)截面的橫截面積以及截面所受到合彎矩導(dǎo)致彎曲的正應(yīng)力數(shù)值，相關(guān)工作人員總結(jié)出在合彎矩相關(guān)層次上橫截面所呈現(xiàn)出的線性分布形式，還應(yīng)當(dāng)在了解到中心軸的數(shù)值沒(méi)有的情況下，線性分布形式中的坐標(biāo)軸上所呈現(xiàn)出的曲線意義為外邊緣的數(shù)值最大，了解以上相關(guān)信息后就能夠總結(jié)出Lame公式并進(jìn)行下一項(xiàng)的計(jì)算模式。

2.3 得到最大等效應(yīng)力

通過(guò)總結(jié)出有關(guān)鉆井時(shí)循環(huán)方向上正應(yīng)力的計(jì)算公式，即Lame公式，可以計(jì)算出鉆柱時(shí)所受到的內(nèi)、外液體所引發(fā)的壓力造成的循環(huán)方向上的正應(yīng)力，再通過(guò)鉆柱允許使用應(yīng)力與等效應(yīng)力之間的比較來(lái)明確好鉆井時(shí)作用力的強(qiáng)度。定向井和水平井的井壁截面中要沿著井壁較厚的方向進(jìn)行研究，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)在不同作用點(diǎn)的井壁厚的方向上，等效應(yīng)力也是不同的。相關(guān)工作人員可以通過(guò)程序?qū)@柱平均分為十份，分別計(jì)算出各個(gè)作用點(diǎn)的等效應(yīng)力，選出最大值作為該截面的最大等效應(yīng)力。

三、水平井的摩阻和鉆研分析

3.1分析鉆具失效的風(fēng)險(xiǎn)

水平井底部的鉆具組合有其特殊的組成構(gòu)成模式，還有其特殊的造斜能力，這些都是水平多分支井鉆柱設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵之處。在相關(guān)工作人員能夠有效的控制好水平井的井眼軌跡的情況下，最大力度的去降低水平井的摩擦阻力和扭矩，只有降低了這些才能夠使得水平井下的鉆柱保持一個(gè)持續(xù)“輸出”的狀態(tài)，不會(huì)因?yàn)殂@柱的疲勞而變得不能夠使用。并且隨著鉆壓施工過(guò)程中的具體實(shí)施方案的產(chǎn)生，工作人員會(huì)發(fā)現(xiàn)水平段會(huì)持續(xù)的延長(zhǎng)，同時(shí)還會(huì)受到當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)的導(dǎo)向影響，就會(huì)導(dǎo)致水平井的井眼全角的變化程度變大，最終就會(huì)導(dǎo)致在人為鉆研時(shí)摩阻和扭矩呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)，提高了鉆具不受控制、失效的風(fēng)險(xiǎn)程度。

3.2 計(jì)算出水平井的摩阻數(shù)值

在側(cè)鉆類別的水平井的分支體系中，彎曲率較高的水平井井段就會(huì)影響到水平井井壁與鉆柱之間的正接觸壓力以及接觸時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力大大提升。相關(guān)工作人員為了能夠降低水平井在側(cè)鉆時(shí)出現(xiàn)的摩擦阻力對(duì)鉆井的影響，也是為了減少巖屑床的產(chǎn)生，保障好鉆進(jìn)工作的安全進(jìn)行，可以通過(guò)分析和研究水平井眼鉆井，并且計(jì)算出相關(guān)的摩擦阻力數(shù)值，最終得出鉆井時(shí)摩擦阻力的微分方程。通過(guò)實(shí)際的勘測(cè)和測(cè)量數(shù)據(jù)代入到微分方程中，最終計(jì)算出水平井和它分支井在起鉆和下鉆過(guò)程中的鉆柱總體摩阻數(shù)值。

四、定向井、水平井的結(jié)論分析

水平井的分支井有著較高彎曲井段的存在，這是根據(jù)對(duì)分支井綜合體系的綜合具體分析出來(lái)的。這些較高彎曲井段就會(huì)讓水平井鉆柱與其井壁兩者之間所相互接觸的接觸面產(chǎn)生的正壓力與摩擦阻力變大。如果對(duì)鉆柱進(jìn)行微小位置的平衡分析，就能夠總結(jié)出在水平井和其分井之間開(kāi)始打鉆和下鉆時(shí)產(chǎn)生的鉆柱的總體摩擦阻力數(shù)值。

通過(guò)這些實(shí)際操作，我們可以了解到水平井及其分支井井眼的鉆井，如果能夠計(jì)算出較為具體且準(zhǔn)確的摩擦阻力數(shù)值，就能夠充分保障水平井鉆井的安全性。并且不管是定向井還是水平井，在工作人員進(jìn)行鉆壓的過(guò)程中摩擦阻力的數(shù)值都會(huì)存在一個(gè)重要的地位。

五、結(jié)束語(yǔ)：

隨著鉆井新技術(shù)和我國(guó)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，水平井和分支井等鉆井技術(shù)都已經(jīng)得到了我國(guó)社會(huì)的高度重視，如今我國(guó)科技人員應(yīng)當(dāng)研究好鉆柱的力學(xué)來(lái)進(jìn)行對(duì)鉆井力學(xué)的合理分析。

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