螺旋屈曲钻柱中诱发扭矩计算方法的研究
廖振武;徐健;鄢标;蒋国彪;孙巧雷
【摘要】早期针对钻柱螺旋屈曲问题的研究一般忽略了由于螺旋屈曲诱发的扭矩,但随着水平井和大位移井的增多,这种诱发扭矩越来越明显,严重影响钻柱的安全性评估.文中建立了螺旋屈曲管柱诱发扭矩的计算模型,并对扭矩计算方法展开了研究.【期刊名称】《机械工程师》
【年(卷),期】2015(000)007
【总页数】2页(P101-102)
【关键词】螺旋屈曲;诱发扭矩;圆柱螺旋线
【作者】廖振武;徐健;鄢标;蒋国彪;孙巧雷
【作者单位】长江大学机械工程学院,湖北荆州434023;长江大学机械工程学院,湖北荆州434023;长江大学机械工程学院,湖北荆州434023;长江大学机械工程学院,湖北荆州434023;长江大学机械工程学院,湖北荆州434023
【正文语种】中文
【中图分类】TH123.4
0 引言
在钻井作业中，钻柱的螺旋屈曲问题一直是石油钻井行业的一个热点问题。螺旋屈曲的概念最早由Lubinski等［1］提出，他们是在忽略管柱自身重量与井壁摩擦的情况下，利用能量法求出螺旋屈曲的解析解，这种研究方法忽略了摩擦和钻柱自
重，且认为钻柱发生螺旋屈曲时处在弹性变形的情况下，所以在钻柱中不会产生扭矩。
但是随着水平井和大位移井的增多，自重和摩擦是无法忽略的，传统的螺旋屈曲钻柱的强度安全性的分析方法明显不足。Mitchell［2］在考虑以上因素的情况下，进行了螺旋屈曲细长梁的水平大位移分析，他的研究显示在没有外加作用扭矩的情况下，螺旋屈曲钻柱中会产生诱发扭矩。并且一旦外加了屈曲力，钻柱中的扭矩平衡就被打破，同时由于钻柱的形状由正弦形变为螺旋形，扭矩会得到大幅度增加。为分析真实工况下螺旋屈曲管柱的强度安全性，必须对螺旋屈曲管柱中的诱发扭矩计算方法展开研究。
1 螺旋屈曲管柱诱发扭矩的计算模型描述
取钻柱中一段微小单元为研究对象，假设钻柱发生弹性形变，各段材料均匀。水平井造斜部分钻柱可能会发生一定角度的偏转，研究对象为微小单元，可以认定微小单元钻柱始终为圆柱［3］。基于以上假设可以把产生螺旋屈曲的钻柱简化成由弹性线形成的圆柱螺旋线，如图1所示。
图 1中为简化成的圆柱螺旋空间曲线的曲率向量，t→为圆柱螺旋空间曲线的切向量，s为圆柱螺旋线中任意一段弧长，p为圆形螺旋线的螺距，n→为空间曲线的法向量，b→为副法线向量空间曲线，u→为空间位置向量，r为径向间隙（螺旋半径）。
图1 螺旋屈曲管柱的力学分析模型
2 诱发扭矩计算方法的推导
在建立的空间坐标系中，圆柱螺旋线中任意一段弧长s可表示为
其中，分别表示X、Y、Z坐标轴的单位矢量。
对于整段弹性管柱，认为其抗弯刚度EI是均匀不变的，用M表示钻柱中的诱发扭
矩，则内外力矩平衡的欧拉-伯努利方程为
式中：为钻柱中的弯矩；κ为空间曲线的曲率；T为管柱中的扭矩。
对于图1中的圆柱螺旋空间曲线有以下关系：
综合式（ 2）、（ 3）、（ 4）可得到
式（5）中圆柱螺旋空间曲线的正切向量是
空间曲线的曲率向量是
在实际钻井中，发生螺旋屈曲的钻柱和图1中的圆柱螺旋线有所不同，钻柱和井眼之间的半径间隙r与由管柱形成的螺旋线螺距相比是很小的［4］，即 p＞＞r。因此弹性线与Z轴的偏差是较小的，可以假设d z≅d s。
在式（6）和式（7）中可以用d z替换d s，可以得到：
把式（8）和式（ 9）代入式（5），可以得到
从式（10）可以得到各轴的扭矩是：
利用式（1）和假设条件d z≅d s，可以得到：
假设在式（13）中没有外部的扭矩被加载到钻柱的Z轴上（Mz=0），然后把式
（ 15）和式（ 14）代入式（ 13），管柱内部的扭矩可由下式表达：
这样就得到了螺旋屈曲钻柱中诱发扭矩T的计算方法。
3 结语
1）该算法能够对螺旋屈曲钻柱中的诱发扭矩进行计算，且适用于目前日益增多的水平井中；
2）该诱发扭矩计算公式能够反映诱发扭矩与轴向力、钻柱抗弯刚度和螺旋半径之间的线性关系，很好地弥补了现有的螺旋屈曲钻柱的强度安全性分析方法的不足；3）这种诱发扭矩的计算方法是基于对钻柱的静力学分析，钻柱在实际工作时工况条件比较复杂，尚未考虑钻柱的振动，在下一步研究中可以把这些因素考虑进去。而Lubinski所推导的螺旋屈曲管柱中轴向力和螺距的关系表达式为
由式（17）和式（16），在没有外加扭矩的情况下，螺旋屈曲诱发的扭矩T可由轴向力F表达，即
［参考文献］
［ 1］ Lubinski A，Althouse W S，Logan JL.Helical buckling of tubing sealed in packers ［ J］.Journal of Petroleum Technology，1962
（ 6）∶655-670.
［ 2］ Mitchell R F.The Twist and Shear of Helically Buckled Pipe［ J］.SPE Drilling&Completion，2004，19（ 1）∶20-28.
［3］徐春铃，王鑫伟.水平井眼中钻柱的螺旋屈曲分析［J］.机械科学与技术，2011（ 11）∶1927-1929，1933.
［4］刘殿福，林元华，甘燕芬，等.斜直井钻柱螺旋屈曲时轴向力钻速和井斜角
间的关系［ J］.石油矿场机械，2007（ 12）∶30-33.
［5］胡华，夏辉，窦益华.定向井造斜段管柱屈曲分析［J］.内蒙古石油化工，2011（17）∶18-20.
水平井钻柱摩阻、摩扭分析 张宗仁 一、文献调研与综述 在水平井中，由于重力的作用，钻具总是靠着井壁（或套管）的，其接触面积就比直井大很多所产生的摩擦力和扭矩将会大大的增加。对管柱的摩擦阻力和轴向拉力研究计算，保证钻井管柱（钻柱或则套管，油管）的顺利上提和下放。如今，国内外已经有很多关于磨阻计算的力学模型，主要分为两大类：一类为柔杆模型，另一类为柔杆加刚性模型。 1．1约翰西克柔杆模型： 约翰西克(Johansick)在1983年首次对全井钻柱受力进行了研究，为了研究的方便，在研究过程中.他作了以下几点假设: (1)钻柱与井眼中心线一致； (2)钻柱与井壁连续接触: (3)假设钻柱为一条只有重量而无刚性的柔索； (4)忽略钻柱中剪力的存在: (5)除考虑钻井液的浮力外忽略其他与钻井液有关的因素。 在此假设条件下，建立了微单元力学模型，根据单元的力学平衡，推导出如下的拉力、扭矩计算公式: 12 22 cos [(sin )(sin )]t T W N M Nr N T T W αμμθααα?=±?==?+?+ 式中： T:钻柱单元下端的轴向拉力，N ； Mt:钻柱扭矩，N.m ； N:钻柱与井壁的接触正压力，N ； W:钻柱在钻井液中的重量，N ； u:钻柱与井壁的摩擦系数； r:钻柱单元半径； a,△a,△θ:平均井斜角，井斜角增量，方位角增量;起钻时取“+”，下钻时取“-”。 1．2二维模型: Maida 等人对拉力、扭矩进行了平面和空间的分析，建立了应用于现场的二维和三维的数学模型。他建立的二维模型和三维模型如下: 111211111 **[(1)(sin sin )2(cos cos )] 1exp[()](exp[()](Ai Ai B i i B i i B B i i B i i i i i qR F A F C a A a C a A a A a a A a a l l a a μμμμμ-------=+--+-+=-=---i 起钻)下钻)R= 式中B μ为摩擦系数，li 计算点井深，FAi 为计算点轴向载荷，C1、C2为符
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/0219484273.html, 钻柱纵向\横向振动分析研究进展 作者：刘磊刘剑辉 来源：《硅谷》2011年第03期 摘要：钻井是石油生产中的重要环节，而钻柱更是重中之重。主要阐述当前钻柱振动研 究的基本方法和基本理论。通过对钻柱纵向、横向振动的分析，找出振动规律。这些研究对于钻柱乃至整个生产过程的安全性有十分重要的作用。 关键词：钻柱；振动；安全性 中图分类号：TE2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0210025－01 0 引言 石油行业中，生产中的各个环节紧密联系。石油钻井是油田生产中最基础的环节，钻井的质量直接影响到后续生产；钻井也是生产各个环节中投入最大、难度最大的。在石油钻井中，钻柱能否安全工作，不仅影响到油田安全；通过降低油田钻柱的失效事故，也能极大程度提高油田的经济效益。在众多导致钻柱失效的原因中，由于钻柱振动产生的危害不容忽视。 对钻柱危害最大的振动主要为钻柱横向和纵向振动。对钻柱振动的研究历来是国内外学者的重要研究方向。上世纪80年代开始众多学者对其进行了深入的分析，近年来随着计算机技术和有限元分析技术的提高，计算机仿真分析也成为了一个重要的研究方法。但是，钻柱的振动是一个极其复杂的过程，许多理论和研究成果还待进一步修改和完善。 1 钻柱振动危害 钻柱振动会对油田生产带来极大危害。首先，由于钻柱的振动，会产生交变载荷，长期工作在交变载荷下容易导致钻柱的疲劳失效，钻柱疲劳破坏是一种典型的钻柱失效形式。在井眼中，套管是井壁唯一的保护层，钻柱在套管中工作，由于钻柱和套管的接触，加大了套管的磨损程度。而且当钻柱的固有频率与激励频率接近时，钻柱会发生共振，此时钻柱受到的影响是最大的。在油田生产中，钻柱失效不胜枚举。 2 钻柱振动基础理论 目前，国内外学者对钻柱进行了一系列的研究分析，主要还是基于一些基本振动理论进行的分析。这其中最主要的方法就是非线性分析方法。基于这些理论和方法完成了对钻柱纵向、横向的振动分析。
1、管柱的摩阻和扭矩 钻大位移井时，由于井斜角和水平位移的增加而扭矩和摩阻增大是非常突出的问题，它可以限制位移的增加。 管柱的摩阻和扭矩是指钻进时钻柱的摩阻和扭矩，下套管时套管的摩阻和扭矩。 （1) 钻柱扭矩和摩阻力的计算 为简化计算，作如下假设： * 在垂直井段，钻柱和井壁无接触； * 钻柱与钻井液之间的摩擦力忽略不计； * 在斜井段，钻柱与井壁的接触点连续，且不发生失稳弯曲。 计算时，将钻柱划分为若干个小单元，从钻柱底部的已知力开始逐步向上计算。若要知道钻柱上某点的扭矩或摩阻力，只要把这点以下各单元的扭矩和摩阻力分别叠加，再分别加上钻柱底部的已知力。 钻柱扭矩的计算 在弯曲的井段中，取一钻柱单元，如图2—1。
该单元的扭矩增量为 F r R M =? （2—1） 式中 △M — 钻柱单元的扭矩增量，N ·m R — 钻柱的半径，m ； Fr — 钻柱单元与井壁间的周向摩擦力，N 。 该单元上端的扭矩为 式中 M j — 从钻头算起，第j 个单元的上端的扭矩，N ·m ； Mo — 钻头扭矩（起下钻时为零），N ?m ， △ M I — 第I 段的扭矩增量，N.m 。 钻柱摩阻力的计算（转盘钻） 转盘钻进时，钻柱既有旋转运动，又有沿井眼轴向运动,因此，钻柱表面某点的运动轨迹实为螺线运动。在斜井段中取一钻柱单元，如图2-2。图2中，V 为钻柱表面C 点的运动速 度V t ，V r 分别为V 沿钻柱轴向和周向的速度分量；F 为C 点处 钻柱 所受井壁的摩擦力，其方向与V 相反；Ft ，Fr 分别为F 沿钻柱轴向和周向的摩擦力的分量，即钻柱的轴向摩擦力和周向摩擦力。
油气井杆管柱是石油钻采作业的脊梁和中枢神经。油气井杆管柱力学主要研究钻柱力学、井眼轨道控制、套管设计、有杆泵抽油系统等内容。对油气井杆管柱进行系统全面、准确的力学分析, 可以实现快速、准确、经济地控制油气井的井眼轨道；准确地校核各种杆管柱的强度, 优化杆管柱设计；优化油气井井眼轨道；及时、准确地诊断、发现和正确处理各类井下问题；优选钻采设备和工作参数。 燕山大学石油工程研究所教授、博士生导师李子丰等在国家“八五”重点科技攻关项目“石油水平井钻井成套技术”、国家“九五”重点科技攻关项目“侧钻水平井钻井采油配套技术”、“863”计划项目“旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究”和“海底大位移井钻井技术”、国家自然科学基金项目“防止热采井套管热破坏的固井新技术”等支持下，在建立油气井杆管柱力学理论体系研究方面取得多项重要创新性科学发现。 一、提出了油气井杆管柱动力学基本方程, 该方程统一了原有的油气井杆管柱力学分析领域的各种微分方程, 为油气井杆管柱的各种动静态力学分析奠定了基本理论基础 应油气田开发的迫切需要, 科学界自20世纪50年代以来针对油气井杆管柱的某些特殊问题已进行了较广泛、较深入的研究, 发表了数以百计的学术论文。特别是“七五”和“八五”期间国家组织的对定向丛式井和水平井的科技攻关, 使我国的油气井杆管柱力学研究水平大大提高。但所有的研究工作都是基于某项特殊需要而进行的。对某些问题，如动力问题和几何非线性问题研究较少。为此，需要对杆管柱动力学问题进行系统的研究, 建立统一的理论。
李子丰教授通过对油气井杆管柱进行力学和运动分析，推导了用于对油气井杆管柱进行各种力学分析的几何方程、运动平衡方程和本构方程。由于油气井杆管柱动力学基本方程统一了现有一切油气井杆管柱力学分析的微分方程，现有的油气井杆管柱力学分析的微分方程都可由该动力学基本方程通过适当简化而得到，所以，该基本方程在石油钻采工程界具有广泛的应用。 二、建立了斜直井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，指出了“虚构力”理论的错误 石油工程中的钻柱、套管柱、油管柱和抽油杆柱在井筒中工作时在某些井段经常处于压扭状态，发生正弦或螺旋屈曲。屈曲后，杆管柱内的应力急剧增加，与井壁的摩擦阻力增加，会发生自锁现象，严重时可发生强度破坏。 李子丰教授从油气井杆管柱动力学基本方程出发，推导了斜直井中受压扭细长杆管柱几何非线性屈曲的微分方程，建立了水平井段杆管柱稳定性力学分析的数学模型，分析了无重受压扭圆杆管柱的螺旋屈曲,给出了螺旋屈曲管柱的力学分析方法。 通过对内外压力对管柱稳定性的影响研究发现，(1)传统的油井管柱稳定拉力或虚构拉力的计算公式是错误的；(2)内外压力对悬挂油井管柱的稳定性没有影响；(3)内外压力本身对两端固定的油井管柱的稳定性没有影响，两端固定后，内外压力的变化对油井管柱的稳定性有影响；封固后管柱的等效轴向力与封固时管柱的轴向力、材料泊松比、内压变化量、外压变化量和内外管截面积有关；(4)对于两端固定的油井管柱，内压增加降低管柱的稳定性，外压增加提高管柱的稳定性。 三、建立了油气井杆管柱的稳态拉力——扭矩模型 在油井作业中, 由杆管柱和井壁接触所产生的轴向阻力和扭矩损失对钻采作业有很大的影响, 甚至成为作业成败的关键。先进的拉力和扭矩模型, 尤其在与先进的地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测量仪器结合使用时可以实现如下目的: (1) 优选井眼轨迹, 使整个杆管柱的摩擦阻力和扭矩损失最小; (2) 选择和校核地面设备, 优化杆管柱设计; (3) 监测井下问题; (4) 指导下套管作业; (5) 确定杆管柱与井壁的接触压力, 估计套管的磨损程度和键槽是否存在; (6) 决定是否改变泥浆性能; (7) 根据地面悬重计算钻头实际钻压。 李子丰教授依据油气井杆管柱动力学基本方程, 建立了定向井、水平井杆管柱稳态拉力—扭矩模型，并在下列领域得到了成功的应用：（1）钻柱强度分析和优选；（2）井下作业管柱力学分析；（3）井下岩屑床和其它复杂情况监测；（4）优选井眼轨道；（5）钻柱和套管减磨设计等。 四、建立了试油管柱力学分析的数学模型
从数据与仿真结果探讨气体钻井中钻柱动力学的特 性 相关才子的毕业论文这样描述：根据气体钻井全井段钻柱动力学模型，以川西某实钻井(该井井深为4693．15m，三开和四开部分井段由气体钻井完成)的钻井参数、钻具组合和实测井眼扩大率为计算参数，研究气体钻井钻柱动力学特性如下： 1 基本数据 钻具组合：声241．3mm钻头+回压阀+声177．8mm无磁钻铤1根+≯177．8mm钻铤20根(7"DC)+JZ—T178机械式随钻震击器+旁通阀+拳127mlTl加重斜坡钻杆(5”HWDP)12根+声127mm斜坡钻杆(5”DP)+方钻杆。 钻井参数：钻压为5X104N，转盘转速为5．24rad／s，井口处注入气体压力为2MPa、气体密度为24kg／m3、气体黏度为2．0×10‘5Pa·S。 2仿真结果分析 根据气体钻井钻柱动力学模型和案例井的实钻参数，开展了气体钻井钻柱系统的动态特性仿真。限于篇幅，在此仅讨论工程界最关注的动态钻压、钻头振动轨迹和井口的动态阻力矩。动态钻压和钻头振动轨迹(幅值)相结合可反映出近钻头处钻具组合的振动剧烈程度。 首先将钻柱动态仿真结果与美国ESSO公司现场所测数据对比，以验证动力学计算结果的可靠性。由于目前尚未有气体钻井钻柱振动的井下测量数据来源，因此采用ESSO公司的泥浆钻井钻柱振动数据来侧面验证。 常规气体钻井实钻钻压围绕静钻压5×104N上下剧烈波动，振幅约为静钻压的20％～60％；最大瞬时钻压达(15～45)×104N，约为静钻压的3～9倍。ES-sO公司现场测量数据：钻压平均波动范围约为静钻压的25％～50％，最大瞬时钻压可达静钻压的3．5倍。 常规气体钻井钻头在仿真历程的大部分时刻内的跳动幅值为0～12mm，峰值为26mm。跳动较为剧烈。ESSO公司现场测量数据为：在正常情况下钻头跳动幅度为1．6mm甚至更小．个别情况下极限峰值可达25．41Tim。另外，钻头转速响应情况可看出常规气体钻井钻头的涡动非常明显，钻头常沿井壁反转。 常规气体钻井钻柱阻力矩波动范围很大，幅值为(一7～5)kH·m，均值为一3kN·m。ESSO 公司测量了泥浆钻井中钻柱的井底扭矩(井底扭矩表征主动扭矩与扭转摩阻之差)，测量表明：井底扭矩的变化幅度大约是井底平均扭矩的20％～40％，最大值达到平均扭矩的2．4倍。
钻柱力学是指应用数学、力学等基础理论和方法,结合实验以及井场资料等数据综合研究受井眼约束的钻柱的力学行为的工程科学。开展钻柱力学研究, 对钻柱进行系统、全面、准确的力学分析,在井眼轨道设计与控制、钻柱强度校核、钻柱结构和钻井参数优化等都具有重要意义。钻柱力学研究已经有五十多年的发展历史, 许多研究成果已经应用 到生产实践并产生了巨大的经济效益, 但由于钻柱在充满流体的狭长井筒内处于十分复的受力、变形和运动状态,直到今天仍然无法做到对钻柱力学特性的准确描述和和精确的定计算。近年来, 着欠平衡井、深井、超深井、水平井、大斜度井和大位移井在油气勘探开发中所占的比重越来越大, 井眼轨道控制、钻具疲劳失效、钻井成本等问题逐年突出,对钻柱力研究提出了更高的要求。与现代钻井技术发展相适应,钻柱力学必然朝着更贴近井眼。 实际工况、控制和计算精度更高的方向快速发展。文中首先介绍钻柱力学问题的提出、研究目标、研究方法、钻柱的运动状态和钻柱动力学基本方程。然后将钻柱力学分为钻柱力学和动力学2个部分;介绍钻柱拉力扭矩、钻柱的弹性稳定性、底部钻具组合受力、钻柱与涡动等几个主要方面,并对未来发展趋势做出初步的预测。 在20世纪20- 30年代, 人们就发现了井斜,同时发现井斜与钻柱的力学问题有Lubinski是钻柱力学的创始人。1950年,他从定量分析直井中钻柱的屈曲问题入手, 开创了钻柱力学研究的新局面,该研究成果得到了公认。 (1)钻柱的运动状态; (2)钻柱的应力、应变和强度; (3)钻柱与井底、井壁和钻井液相互作用及效果。这是钻柱力学研究的3个主要方面, 互相联系、互相影响、不可分开。在钻柱力学长期发展中,经过不断的优化和比较,形成了几种比较典型的研究方法,即经典微分方程法、能量法、有限差分法、纵横弯曲连续梁法、有限元法和加权余量法。 经典微分方程法是钻柱力学中应用最早的研究方法。该方法要求在满足经典材料力学的基本假设的前提下,建立钻柱线弹性的经典微分方程并求解。这种方法在考虑因素较多时,建立分方程很复杂,用经典微分方程法求解比较困难。能量法是一种求解简单的弹性力学问题的方法。它要求势能函数不仅要满足弹性力学的控制方程,而且要满足边界条件, 通过解的形式设及有关参数的确定, 可得到问题的解答。由于满足以上2个条件是一件非常困难的事情。因此, 这一方法的应用受到了限制。有限差分法是一种近似方法。是通过对钻柱进行力学分析得到钻柱微分方程式, 再通过适当的差分转换将位移控制方程转化为差分的形式求解。由于差分方程的系数是可变的,因此可以很容易考虑非线性的影响;同时,由于差分区间可以减小, 可以比较容易考虑井眼的约束。但是要得到精确的解。答, 差分区间必须取得很小, 这样就使矩阵的维数增加, 降低了计算速度。对于钻柱力学来说,有限差分法是一种有效的近似计算方法。纵横弯曲连续梁法是一种精确解法, 这种方法是将钻柱视为相互联系的纵横弯曲的连续梁, 应用材料力学中的三弯矩方程建立一组非线性代数方程, 该方程物理概念清楚, 计简单, 且速度较快。由于这种方法是将三维空间问题分解成2个独立的二维问题求解,力学型简化得太多,忽略了扭矩及可能的力和变形的耦合问题。这种方法在国内得到了推广和应用。有限元法也是一种近似数值计算方法,这种方法是通过将钻柱分解为有限的离散梁单元, 再通过适当的合成方法将这些单元组合成一个整体, 用以代表原来的钻柱状态,并最终得到组以节点位移为未知量的代数方程组。有限元法的物理概念清楚、简单, 实用性强。不限制柱的材料和几何形状, 且对单元尺寸也无严格的要求;又可以较容易地考虑非线性的影响。目前发展的接触有限元法, 考虑了钻柱、稳定器与井壁之间的初始接触摩擦力,力 学模型比较准确,考虑因素较多, 解题的速度虽然是这几种方法中最慢的,但也可满足需要。加权余量法是一个求解微分方程定解问题的强有力的数值方法, 具有简便、准确、工作量小、残差可知等优点,已成功地用于下部钻具组合的大小挠度力学分析中;当然,要进一步提高度就得增加试函数项数,也会增加一些运算量。油气井杆管柱的稳态拉力和扭矩 意义拉力和扭矩模型, 尤其在地面扭矩、大钩载荷、井底扭矩和钻压的测可达到如下目的:
螺杆驱动旋冲钻井工具设计及试验研究 马广军;王甲昌;张海平 【摘要】为提高石油钻井破岩效率，将螺杆高速旋转与冲击器高频冲击相结合，设计了一种螺杆钻具驱动的新型机械式旋冲钻井工具。在设计旋冲钻井工具结构的基础上，建立了直井中单次冲击功、冲击频率等关键参数的计算模型，并进行了实例计算分析。计算结果表明，直井中单次冲击功仅是凸轮推程和钻压的函数，当钻柱结构确定且存在一定长度（大于500 m ）的φ127．0 m m钻杆时，单次冲击功与钻压成正比关系，改变钻压可实时调整冲击功。工程样机测试表明，该工具结构设计合理，能够实现螺杆驱动钻头高速旋转和高频冲击，进一步提高工具的耐磨性能后具有良好的应用前景。%In order to improve the efficiency of rock‐breaking in drilling operation ,a new type of me‐chanical rotary percussion drilling tool driven by PDM has been desig ned ,w hich combined high‐speed PDM with high‐frequency percussion device .On basis of structural design ,a calculation model with single‐time percussion power ,percussion frequency and other key parameters has been established for vertical wells , and converted into a model calculation and analysis .Calculation results showed that single‐time percussion power is only a function of cam stroke and WOB .When the drill string assembly is determined and has a certain length of greater than 500 m ,and is composed of drill pipe with the size of φ127 .0 mm ,a single percussion power is positively proportional to the WOB ,thus the percussion power can be adjusted by changing the WOB .The engineering prototype testing showed that the newly developed tools had a suit‐able structure ,w hich can make high‐
丝杆传动伺服电机转矩计算公式概述说明以及解释1. 引言 1.1 概述 在机械工程领域中，丝杆传动伺服电机转矩计算是一个重要的问题。丝杆传动是一种常见的力传递装置，它通过螺旋副来实现力的转换和传递。而伺服电机是一种能够精确控制位置和转速的电动机。为了正确设计和使用丝杆传动伺服电机系统，必须准确计算所需的转矩。 1.2 文章结构 本文将从以下几个方面详细阐述丝杆传动伺服电机转矩计算公式：丝杆传动原理介绍、伺服电机转矩计算方法以及相关参数解释。接下来，本文将推导出转矩计算公式，并介绍简化与优化方法以提高计算效率。随后，我们将通过工程实践验证这些公式的准确性，并分析结果讨论。最后，本文将总结主要研究成果，并对未来发展提出展望和建议。 1.3 目的 本文的目标是给读者提供一个全面了解丝杆传动伺服电机转矩计算公式的资料，使其能够理解其原理并应用于实际工程中。通过该文章的学习，读者将能够准确计算所需的转矩，并能够避免在设计和使用过程中可能遇到的问题。同时，本文
也希望为相关领域的进一步研究提供一定的参考和指导。 2. 丝杆传动伺服电机转矩计算公式: 2.1 丝杆传动原理介绍: 丝杆传动是一种常见的机械传动方式，常用于将旋转运动转换为直线运动。它由螺纹丝杆和螺母组成，通过回转螺杆来推动螺母在丝杆上产生直线位移。丝杆传动具有高效、精确、可靠的特点，广泛应用于各种领域中。 2.2 伺服电机转矩计算方法: 在丝杆传动系统中，伺服电机所需提供的转矩是非常重要的参数。它决定了能否准确实现所需的位移和速度控制。 转矩计算公式的推导基于以下几个关键参数： - 加速度：表示系统在单位时间内改变速度的能力。 - 惯性负载：表示被驱动物体对运动状态变化的阻力。 - 系统效率：表示能量在传递过程中损失的比例。 根据这些参数，可以得到如下伺服电机转矩计算公式： T = J * α+ F * d / (2π) + Tw
浅谈水力振荡器的原理与应用 在斜井钻进中，钻具基于重力影响会自然贴合下井壁，并与井壁产生静摩阻，滑动钻进中则进一步演变为托压现象，常导致工具面摆置困难、机械钻速降低、单趟钻进尺减少等问题;若活动钻具不及时，则有可能引发钻具粘卡事故，严重时可致单井报废。因此，降低摩阻、减缓托压已然成为安全钻井的重要环节。摩阻大小由钻柱自重在井眼轨迹法线方向上的分力和静摩擦系数来决定。在滑动钻进中，技术人员往往通过向泥浆中添加润滑剂或进行短起下（目的为修整井壁）等方式来降低静摩擦系数，从而达到降低摩阻、减缓托压的目的。由经典物理可知静摩阻大于滑动摩阻，因此，可以通过把静摩阻转化为动摩阻来减缓托压。 标签：摩擦阻力;扭矩;水力振荡器;托压 0前言 钻井过程中，钻具贴合下井壁会产生摩擦阻力，摩擦阻力贯穿于整个钻井作业中。其中旋转钻进中摩擦阻力会让钻柱所承受的扭矩是所有工况下的最大值，甚至会出现钻柱强度不够而导致钻具断裂。而滑动钻进会产生轴向摩阻，一旦轴向摩阻大到完全平衡掉上部钻柱重力在轴向上的分量，钻头便难以得到钻压，钻头无钻压将无法钻进，产生“托压”现象。这样不但会严重影响了水平井的钻井效率，也容易引起压差卡钻等井下故障。为此相关研究人员做了多种尝试。其中优化井眼轨迹、在钻井液中加入润滑剂和使用滚动扶正器等方法可以有效地降低摩擦阻力，同样的使用水力振荡器，利用机械振动将钻具与井壁之间的静摩擦力转化为动摩擦力以降低摩擦阻力，为我们水平钻进提供了一个新思路。 1结构与原理 1.1 结构 水力振荡器主要由动力部分（定子和转子）、阀轴系统（动阀和定阀等）和振荡短节部分（心轴和碟簧等）等组成。其中，花键心轴用于传递扭矩，碟簧通过压缩或者拉伸释放能量，产生轴向振动，钻井液驱动转子旋转，在定子末端进行平面往复摆动，定阀与动阀做相对运动，使过流面积发生变化。 1.2 工作原理 动力部分将钻井液动能通过转子转换为旋转的机械能，使动阀旋转，并使其工作时产生的流量呈周期性变化（尽可能为正弦波），使压力产生水击现象，水击作用于阀座上产生的温和振荡力通过钻具传递给钻头，形成周期性连续柔和变化的钻压。交变压力作用振荡短节活塞，压缩弹簧，放大冲击力。钻具的应变速率变小，使钻具承受的载荷作用效果与静载荷相同，从而延长钻头等钻具的工作寿命。依靠振动钻具组合，消除钻具与井壁之间的静摩阻，使井底钻具组合与井壁处于动摩擦状态，摩擦因数大大减小，避免管串螺旋弯曲的发生，降低摩阻和
深井生产作业管柱力学研究毕业论文 目录 第一章前言 (3) 1.1研究目的及意义 (3) 1.2管柱力学研究历程 (4) 1.3深井管柱力学研究理论与方法 (11) 1.3.1基本理论 (11) 1.3.2求解方法 (12) 1.4研究内容及技术路线 (14) 1.4.1本文的主要研究内容： (14) 1.4.2技术路线 (15) 第二章深井油井管柱力学分析 (16) 2.1井筒温度、压力预测模型 (16) 2.1.1井筒温度场计算模型 (16) 2.1.2井筒压力场计算模型 (17) 2.1.3温度、压力预测模型程序编制（附录A） (20) 2.2带封隔器油井管柱基本效应 (21) 2.2.1活塞效应 (24) 2.2.2螺旋弯曲效应 (25) 2.2.3鼓胀效应 (29) 2.2.4温度效应 (31) 2.3深井油井管柱载荷计算 (33) 2.4深井油井管柱变形计算 (37) 第三章深井油井管柱安全校核 (43) 3.1油井光管柱应力校核 (43)
3.1.1油管安全系数确定 (43) 3.1.2抗外挤应力校核 (44) 3.1.3抗内压应力校核 (46) 3.1.4 丝扣连接屈服强度校核 (46) 3.2带封隔器油管柱安全校核 (47) 3.3第四强度理论校核 (48) 第四章实例计算 (52) 4.1 常用油管技术参数 (52) 4.2实例计算 (56) 4.2.1井筒压力、温度分布（500m为一段） (56) 4.2.2该油管柱轴向变形计算 (58) 4.2.3该油管柱载荷计算 (62) 4.2.4单向应力校核 (63) 4.2.5第四强度理论校核 (64) 第五章结论 (67) 参考文献 (68) 致谢 .......................................................................... 错误!未定义书签。附录 . (70)
页岩气水平井钻井技术 摘要当前我国页岩气水平井钻井施工整体表现出成本高、周期长、复杂事故多等问题。针对这些问题，本文对国内页岩气井进行了技术跟踪，归纳了当前我国页岩气水平井钻井过程中所面临的轨迹优化及控制、井壁稳定、摩阻扭矩、井眼清洁以及固井技术等难点问题。 关键词页岩气水平井轨迹控制井壁稳定摩阻 美国页岩气资源的规模化开发和商业化利用，正在改变着世界能源格局，而同为世界能源进口大国的中国，同样拥有丰富的页岩气资源。政策以及相关支持政策的陆续出台，不但表明了我国政府大力发展页岩气资源的决心，而且正在积极推进我国页岩气产业的全面、快速发展。 页岩气是指赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附或游离状态为主要存在方式，在一定地质条件下聚集成藏并具有商业开发价值的非常规天然气。与常规天然气藏相比，页岩气储层孔隙度主体小于10％，储层孔隙为0~500nm，孔喉直径介于5~200nm，渗透率极低，一般多采用水平井并经水力压裂技术改造后进行开发。当前，公认的具备商业开采价值的页岩气藏需具备以下条件：①页岩气储集层厚度大于100ft（30m）；②富有机质页岩有机质丰富，TOC > 3 %；③成熟度Ro在1.1-1.4之间；④气含量>100ft3/t；⑤产水量较少，低氢含量；⑥黏土含量小于40 %，混合层组分含量低；⑦脆性较高，低泊松比、高杨氏弹性模量；⑧围岩条件有利于水力压裂控制。页岩气藏作为典型的连续型油气聚集，往往分布在盆地内厚度大、分布广的集“生-储-聚”为一体的页岩烃源岩地层中。页岩作为粘土岩常见岩石类型之一，是由粘土物质经压实、脱水、重结晶作用后形成的，其成分复杂，除包含高岭石、蒙脱石、水云母、拜来石等粘土矿物外，还含有诸如石英、长石、云母等碎屑矿物和铁、铝、锰的氧化物与氢氧化物等自生矿物，页岩层理构造发育，多呈页状或薄片状（图1左），并沿层理发育有大量裂隙和微裂隙（图1右），脆性高、易碎，外力击打作用下易裂成碎片，且吸水膨胀性强，长时间裸露浸泡后极易引起井壁缩径、垮塌、掉块等复杂事故。例如，四川威远-长宁构造完成的3口页岩气水平井，水平井段钻进过程多次遭遇井壁垮塌、掉块等复杂，引发卡钻、报废进尺等事故，并导致3口水平井储层段40%进尺作业占总作业时间70%以上。同时，页岩气水平井井壁失稳问题频发，不但严重影响到钻井周期、钻井成本等问题，还直接导致井身质量差、固井难度大、储层污染严重等问题，这些问题都给后续开发带来极为不利的影响。据不完全统计，截止2012年初，四川威远、长宁及云南昭通页岩气产业化示范区完钻的4口水平井，平均井深3357米，平均钻井时间118天，而北美地区井深4000~5000米，水平段1500~2000米的页岩气井钻井周期通常在15~20天，水平段钻井时间仅为5~8天。由此可见，我国相对落后的页岩气水平井钻井技术，已经成为制约我国页岩气工业快速发展的重要瓶颈。
基于纵横弯曲梁理论的水平井管柱摩阻扭矩分析方法 李文飞;李玄烨;黄根炉 【摘要】在非常规油气藏水平井钻进过程中,井壁稳定性差导致井眼不规则,钻柱受力复杂,摩阻扭矩计算误差较大.根据纵横弯曲连续梁理论,在井斜平面、方位平面内对钻具组合进行管柱受力及变形分析,从而建立了一种含有虚拟接触点的改进纵横弯曲梁模型分析钻井管柱摩阻扭矩.优点在于指定接触点时不用考虑是否为真实接触点,由此可将接头或接箍、扶正器等直径较大的部位指定为接触点.对于非真实接触点可以按虚拟接触点考虑,从而使模型的应用和求解更加方便、可行.实例分析结果表明,套管下入、旋转钻进、滑动钻进、复合钻进状态下管柱摩阻扭矩理论计算值与实测平均值基本相同,且变化趋势一致,验证了计算模型的准确性. 【期刊名称】《科学技术与工程》 【年(卷),期】2013(013)013 【总页数】7页(P3577-3583) 【关键词】非常规油气藏;水平井;纵横弯曲梁;摩阻扭矩;方法 【作者】李文飞;李玄烨;黄根炉 【作者单位】胜利石油管理局钻并工艺研究院,东营257017;胜利石油管理局海洋钻井公司,东营257000;中国石油大学(华东)石油工程学院,东营257061 【正文语种】中文 【中图分类】TE22
近年来，随着非常规油气藏勘探开发步伐的加快，水平井日益增多。随着水平井水平段长度逐渐增加，井壁稳定性差井眼不规则，使得钻井摩阻扭矩制约性突出，很多情况下关系着钻井工程的成败。井眼轨道设计主要考虑轨道光滑性［1］和最大曲率［2］的限制，为了避免设计的井眼轨道在施工过程中因存在过大摩阻扭矩而导致井眼施工困难或报废，对设计的井眼轨道进行摩阻扭矩的精确分析是非常有必要的。 常用计算分析方法［3］主要包括“软”模型与“硬”模型。“软”模型忽略钻柱的刚性，计算过程简单，但对于复杂结构水平井或曲率大［4］的井，计算精度不高;“硬”模型计算过程复杂，理论分析结果与实际情况误差较大［5］，因此，“软”模型与“硬”模型对于简单的井计算结果能够满足工程需要，但由于非常规油气藏长水平段水平井结构复杂，井眼曲率较大，常规方法精度难以达到要求。根据长水平段水平井井眼轨道的技术要求，考虑钻具组合的力学特点，根据纵横弯曲连续梁的理论［6］，建立了一种修正的摩阻扭矩计算模型。 1 修正的摩阻扭矩计算模型 传统纵横弯曲梁理论［6］需要指定管柱与井壁的接触点，若接触点不合理，需要经过多次试算才能排除，且不合理接触点越多，排除难度越大，甚至出现得不到计算结果的情况。因此，提出了一种含有虚拟接触点的改进纵横弯曲梁模型计算管柱摩阻扭矩。其优点在于指定接触点时不用考虑是否为真实接触点，从而可以将接头或接箍、扶正器等管柱上相对直径较大的部位指定为接触点，对于非真实接触点可以按虚拟接触点考虑，从而使模型的应用和求解更加方便、可行。为便于分析计算，假设: (1)钻柱为弹性体，且变形小［7］; (2)井眼规则;
COMPASS、WELLPLAN软件在冀东油田3号构造的钻井 施工中的应用 蔺玉水;汪胜武;肖仰德 【摘要】In the drilling process of complex deep wells,excessive torque and drag may lead to the difficulty of direction or even sticking.Moreover,if the drilling tools were affected by axial stress,bending stress,shearing stress or buckling stress, fatigue failure might be caused as well as some relevant problems stemming from the inadequate hole cleaning.In order to meet the requirement of deep well drilling, Petrochina Jidong oilfield company introduced the application of COMPASS and WELLPLAN (LANDMARK),which has made the abstract concrete and digitized.This method preferably satisfied the drilling demand of No.3 structure,and at the same time effectively reduced the accident incidence,demonstrably improved the productivity and significantly lowered the drilling costs.%在复杂结构深井施工中，如果摩阻扭矩过高则会出现钻具定向困难、卡钻等问题，同时如果钻具受轴向应力、弯曲应力、剪切应力、扭曲应力等的影响则会产生疲劳破坏及由井眼清洁问题而产生的衍生问题。为了满足钻井施工要求，冀东油田引进了LANDMARK公司的COMPASS、WELLPLAN应用软件，通过软件把这些抽象的问题具体化、数字化，较好地满足了3号构造的钻井施工要求，减少了事故发生率，提高了生产效率，降低了钻井成本。 【期刊名称】《辽宁石油化工大学学报》 【年(卷),期】2014(000)004
钻井技术论文及报告中专业术语及单位符号的推荐用法 1 专业术语的正确使用与读音 粘与黏的读音与用法 根据国家标准规定，凡是读音为nián时，均要写作“黏”；读音为zhān时，均要写作“粘”。具体到石油工程技术领域，涉及到的词语主要有： 1）粘度、粘土、粘附系数、旋转粘度计一律要改用“黏度”、“粘土”、“黏附系数”、“旋转黏度计”； 2）粘附卡钻，关键是“粘”的读音，根据一些老专家的意见，此处读zhān，因此建议还是用“粘附卡钻”。另外，根据最新版的“钻井工程术语（2006年8月出版）”，粘附卡钻已经改用“压差卡钻”，因此，为了避免不必要的麻烦，建议使用“压差卡钻”。 3）粘扣，在钻井完井过程中，有时会出现钻杆粘扣和套管粘扣的问题，根据一些老专家的意见，粘扣的“粘”此时读zhān，因此，只能写作“粘扣”，不能写作“黏扣”。 值得注意的是，最新版的“钻井工程术语（2006年8月出版）中，并没有区分粘与黏的用法，一律使用了“粘”，这是与国家标准相悖的，不能提倡。 伽马的读音与用法 伽马一词过去常写作伽玛，根据现代汉语规范字典（1998版）及现代汉语规范词典（2004版），明确规定只能使用“伽马”，伽玛、伽码等写法都是错误的。其正确读音为gā mǎ。 岩屑及卡钻的正确读音 岩屑根据现代汉语规范字典（1998版）及现代汉语规范词典（2004版），“屑”只有一个读音“xiè”，读作xue、xiao等都是错误的，没有任何疑问。 卡钻卡是个多音字，有“kǎ”、“qiǎ”两种读音，其中读“kǎ”时主要为音译用字，例如卡车、卡带、卡拉OK等，主要为名词；读“qiǎ”时，多为动词。卡钻是指“由于井内原因，钻柱
管柱屈曲研究现状及存在问题分析 摘要：对20世纪五十年代后期以来有关油气井管柱屈曲方面的文献进行系统检索，从弯曲力、临界屈曲、后屈曲平衡等方面介绍了在管柱屈曲领域的最新研究成果和应用现状，在管柱屈曲中，考虑了温度变形、鼓胀变形、轴向力变形和螺旋弯曲变形，并指出了今后油气井管柱屈曲的重点发展方向。 关键词 管柱 屈曲 正弦屈曲 螺旋屈曲 管柱(包括钻柱、套管柱、测试管柱、抽油杆管柱、连续油管等)的屈曲行为是石油工程中的关键问题，对石油工程中的诸多方面(如钻井、完井、测井、压裂、采油等)都有不良影响，会引起钻头方向改变及井下摩阻和扭矩显著增加(甚至使管柱“锁死”)，导致钻具疲劳破坏、油管密封失效、管柱连接失效、连续油管无法下入以及采油杆管柱偏磨等。特别是随着水平井、大位移井、多分支井和连续油管技术的推广应用，受井眼约束管柱的屈曲问题更加突出，已成为油气钻采工程中的关键问题之一。 80年代以前，研究工作主要侧重于管柱在垂直井眼中的稳定性和螺旋屈曲分析。80年代以后，特别是90年代以来，由于定向井、水平井、大位移井等工程应用的需要，研究重点转向了斜井、水平井以及弯曲井眼中管柱的稳定性、屈曲以及自锁分析。国内外学者分别利用解析方法、能量方法、数值方法和试验方法对管柱在垂直井、斜直井、水平井和弯曲井眼中的稳定性和屈曲行为进行了理论和试验研究。理论和试验研究表明，管柱在井眼中有4中不同的平衡状态和空间构型：稳定状态、正弦弯曲状态、螺旋弯曲状态和自锁状态。在这4种不同的平衡状态之间，存在3个临界点。 一般情况下，当结构受到载荷超过其临界载荷，将导致结构损坏。由于井壁为管柱的后屈曲平衡提供了约束条件，管柱都是在高于其临界载荷条件下工作的，要计算管柱的载荷、变形和应力，必须先知道实际工况条件下管柱的屈曲形态。 井下管柱的变形包括横向变形和纵向变形，由于管柱横向尺寸（数量级一般为1 10 m ）与纵向尺寸（数量级一般为3 10m ）相比很小，横向变形量与纵向变形