定向井、水平井钻柱力学分析与应用探讨

单巍 李和清

摘要：定向井和水平井都拥有着它们各自工程项目施工时的突出特征，如果要建立在定向井和水平井的受力问题做研究，也就是它们的几何受力和各自的受力特征，并且不能以二维弯曲井眼作为钻柱的受力分析基础模型，应当以三维为基础，以此来建立两者工程项目的应用具体算法。之后再通过具体环境和实际状况等综合因素来考虑到传统的钻柱设计内容、钻柱强度进行核实的具体方式，来完成对钻柱摩擦阻力和摩擦强度的主要来分析软件的开发和具体研究。通过相关研究人员的研究实践表明了他们所建立的计算力学模型只有在充分考虑各个重要影响因素之后才具备高准确度。并且研究的过程中应当贴近于钻柱力学现场的实际情况，所计算出来的结果才能够对钻柱的受力模型有着实际的意义。

关键词：钻柱；力学分析；探讨

一、钻柱的力学分析

1.1 研究并分析钻柱与井壁的接触

钻柱相关工作人员应当充分了解钻柱在定向井、水平井在各个井的井眼内的实际情况，能够充分的建立好定向井和水平井的钻柱相关力的实际分析，通过学习有关力学分析的理论，以力学的理论研究为相关基础，可以假定一些条件。例如各个钻井的钻柱是能够改变形状的非实心圆形杆状截面体，但是各个井的钻柱又是比较小巧的弹性体，因此可以将两种井体的井眼横截面最初的状态想象并设计为圆形的物体。这时钻头受到的弯曲程度是几乎为零的。各个钻的钻柱与定向井的内壁连接在一起，在没有想到摩擦力会对两个物体之间产生接触面的形状影响力时，两者之间的接触是可以当成有弹性的。

1.2 计算相关的摩擦反力

并且钻柱在开始进入有弯曲的位置时，会与定向井的井壁下侧所接触到，此时弯曲位置的井率和井眼的曲率是相同的，相关工作人员再通过实际情况来制作三维坐标体系能够更好的了解到定向井和水平井两者的井眼实际轨迹和钻柱的变形情况。在定向井的井壁和井中的钻柱进行充分接触时，通过查阅相关力学资料发现在理论上接触可以认为是弹性的。相关工作人员可以通过回忆赫兹问题来类比计算出定向井井壁接触面的正反力，将最终的结果再与摩擦系数的数值进行相乘，计算出摩擦反力。

1.3 研究有关钻柱的强度

定向井自身的井壁上存在着空间上的摩擦力作用，这些摩擦阻力会对定向井自身的井杆产生表面上的作用，如果摩擦阻力表面的作用力移动到了井杆的中心轴线处，就会使得盛放油气井的井壁在面对钻井过程时产生摩擦的扭矩效果。要想获得的耦合的钻井微积分方程，可以根据有关钻井的复变函数方程式和一次一次迭代的方法所结合，再将钻井时摩擦的节点发生的实际位移同每个特定定向井的特定条件来得出最终定向井钻井时的控制方程表达方程式。

通过将实际测量的有关定向井的相关数据代入表达式中，就可以求得钻柱在不同层面上截面的内部力，还能够通过控制方程求出在微元段的不同相关截面上的内力，以此为前提可以求出不同内力的分量，这样能够更好的校准钻柱的有关强度。

二、钻柱强度的分析

2.1 总结出正应力的分布

在定向井和水平井钻井的施工过程中，井管内的外部液体的压力差会给钻柱一个作用力，并且轴向层面的拉伸、扭转和弯曲等各个方面都会给钻柱影响，在各个方面的荷载作用和钻杆内部处于三向应力的受理部位的联合作用力下，轴向方向上的正应力应当实在横截面上均匀分布的。

2.2 获得Lame公式

通过各个截面的横截面积以及截面所受到合弯矩导致弯曲的正应力数值，相关工作人员总结出在合弯矩相关层次上横截面所呈现出的线性分布形式，还应当在了解到中心轴的数值没有的情况下，线性分布形式中的坐标轴上所呈现出的曲线意义为外边缘的数值最大，了解以上相关信息后就能够总结出Lame公式并进行下一项的计算模式。

2.3 得到最大等效应力

通过总结出有关钻井时循环方向上正应力的计算公式，即Lame公式，可以计算出钻柱时所受到的内、外液体所引发的压力造成的循环方向上的正应力，再通过钻柱允许使用应力与等效应力之间的比较来明确好钻井时作用力的强度。定向井和水平井的井壁截面中要沿着井壁较厚的方向进行研究，经研究发现在不同作用点的井壁厚的方向上，等效应力也是不同的。相关工作人员可以通过程序将钻柱平均分为十份，分别计算出各个作用点的等效应力，选出最大值作为该截面的最大等效应力。

三、水平井的摩阻和钻研分析

3.1分析钻具失效的风险

水平井底部的钻具组合有其特殊的组成构成模式，还有其特殊的造斜能力，这些都是水平多分支井钻柱设计优化的关键之处。在相关工作人员能够有效的控制好水平井的井眼轨迹的情况下，最大力度的去降低水平井的摩擦阻力和扭矩，只有降低了这些才能够使得水平井下的钻柱保持一个持续“输出”的状态，不会因为钻柱的疲劳而变得不能够使用。并且随着钻压施工过程中的具体实施方案的产生，工作人员会发现水平段会持续的延长，同时还会受到当地地质的导向影响，就会导致水平井的井眼全角的变化程度变大，最终就会导致在人为钻研时摩阻和扭矩呈现不稳定状态，提高了钻具不受控制、失效的风险程度。

3.2 计算出水平井的摩阻数值

在侧钻类别的水平井的分支体系中，弯曲率较高的水平井井段就会影响到水平井井壁與钻柱之间的正接触压力以及接触时产生的摩擦阻力大大提升。相关工作人员为了能够降低水平井在侧钻时出现的摩擦阻力对钻井的影响，也是为了减少岩屑床的产生，保障好钻进工作的安全进行，可以通过分析和研究水平井眼钻井，并且计算出相关的摩擦阻力数值，最终得出钻井时摩擦阻力的微分方程。通过实际的勘测和测量数据代入到微分方程中，最终计算出水平井和它分支井在起钻和下钻过程中的钻柱总体摩阻数值。

四、定向井、水平井的结论分析

水平井的分支井有着较高弯曲井段的存在，这是根据对分支井综合体系的综合具体分析出来的。这些较高弯曲井段就会让水平井钻柱与其井壁两者之间所相互接触的接触面产生的正压力与摩擦阻力变大。如果对钻柱进行微小位置的平衡分析，就能够总结出在水平井和其分井之间开始打钻和下钻时产生的钻柱的总体摩擦阻力数值。

通过这些实际操作，我们可以了解到水平井及其分支井井眼的钻井，如果能够计算出较为具体且准确的摩擦阻力数值，就能够充分保障水平井钻井的安全性。并且不管是定向井还是水平井，在工作人员进行钻压的过程中摩擦阻力的数值都会存在一个重要的地位。

五、结束语：

随着钻井新技术和我国科学技术的不断发展，水平井和分支井等钻井技术都已经得到了我国社会的高度重视，如今我国科技人员应当研究好钻柱的力学来进行对钻井力学的合理分析。

参考文献：

[1]唐煊赫.基于水力振荡器力学特性的全井钻柱动力学研究[D].西南石油大学，2016.

[2]邵冬冬.水平井眼中钻柱动力学特性分析[D].中国石油大学（华东），2013.

[3]张振华.戴东油田6”井眼水平井钻具力学性能研究[D].东北石油大学，2013.