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
号变量，其取值由表1-1给出：
1
111()()()()()*()
()*()
()*()arccos[cos()*sin *sin cos *cos ]
24
()()(1)1A
u B s N N u b p i i i i i i i i s F q l C l q l dl
q l q l q l q l q b l q l q p l l l R a a a a C l l μμθθγππ
----=±====-=
-+=
-+
式中u(l) , b(1) , p(1)分别为计算单元井段切线、副法线和主法线方向
向量。除建立了以上模型外，Maida 等人还考虑了起下钻过程中动水压力梯度产生的粘滞力的影响，认为真正的大钩载荷应由下式计算:
2
1M
H A m m
m dP F F L d dl ==±∑
1．4何华山钻柱受力分析模型
何华山在1988年根据大变形理论，给出了一个改进的钻柱受力分析模型。并作了以下假设:(1)忽略钻柱与井眼间隙的影响，钻柱的变形线与井眼轴线完全重合:(2)井眼形状规则，钻柱与井壁连续接触。
其数学模型为:
222
12
22*02()*0()*0()
t
b b n b t n b b a b b t n b n b n
b
dM Nr dS
M d T N qg t dS EI d M K K M K M TK N qg n dS
dM d
K M K M K N qg b dS dS N N N μμ=?
?+-+= ???
-+++++=-+-++==+ 式中:
T:钻柱单元下端的轴向拉力，N ； Mt:钻柱扭矩，N.m ；
Nr:钻柱与井壁的接触分布止压力.N/m ；
Nb:副法线方向钻柱与井壁的接触分布正压力，N/m ； Na:主法线方向钻柱与井壁的接触分布正压力，N/m ； q:钻柱在钻井液中的线重量，N/m ； u:钻柱与井壁的摩擦系数； r:钻柱单元半径； g
:重力场方向单位久量；
t
:井眼切线方向单位矢量； n
:井眼主法线方向单位矢量； b
:井眼副法线方向单位矢量；
Kb:井眼曲率； Ka:井眼挠率； Mb:钻柱弯矩，N*m 1.5何晓军三维钻柱模型
xiao jun, He 等介绍了一个综合的钻柱三维分析程序.程序可以根据狗腿严重度的大小自动地选择钻柱微元段的大小去模拟狗腿度的影响。该程序根据钻柱轴向和周向运动速度对摩擦系数进行分解，用以模拟钻柱周向运动和轴向位移对扭矩和摩阻的影响。He 建立的模型为离散形式，容易求解。
其数学模型如下:
11111
1
1cos ((1cos )sin )((1cos )sin )sin 2
(
)
2()
2
i i i i t i i i
i i i i i i N F F Wg N T T rN
M R r F R r F r Wg M abs a a
a abs θμμθμθθμθμθθθθθθθ+++++++==+±=+=-+---+++=
-=-=
1．6高德利等三维计算模型
331221312[cos ()]
cos
2
11.3(12)sin
2
sin sin sin()
sin s E n E nlp s np s s n s
L T T q F F F EIK F T T L q n
F L q m m qL m F αμθ
θ
αα??θ
=+
±+==-++?=?=-==
式中：
Fe ：管柱弯曲产生的侧向力； Fnlp:全角平面上的总的测向力； Fnp:负法线方向上总的侧向力； Fn:总的测向力；
二、钻柱摩阻扭矩计算模型的建立
在长半径水平井钻井过程当中，井眼曲率变化平缓，在起下钻和钻井作业中，除了下部钻具组合外，长段钻柱的横截面上不会产生太大的剪切力，对于小曲率井眼，忽略钢度的影响，在工程上已经能够得到足够的精度，为此，为了方便计算采用软杆模型建立力学模型。 2．1基本假设：
（1）井下管柱的受力和变形均在弹性范围内；
（2）对于管柱所受到的轴向力，以拉应力为正，压应力为负；
（3）如果摩阻造成的是拉应力，那么摩阻为正，摩阻造成压应力摩柱为负； （4）计算单元段的井眼曲率是常数；
（5）管柱接触井壁的上侧或下侧，其曲率与井眼的曲率相同；
（6）忽略钻柱横截面上的剪切力，不考虑钻柱刚度的影响，但可以承受轴向压
力
（7）忽略井下管柱的动力效应； 2．2井下管柱单元受力分析：
图2-1井下管柱受力状况
图2-2在管柱单元局部坐标系下管柱受力
根据图2-2分析，又受力平衡可得如下等式：
11()()()()0()()()()0()()0
i g i x x x x i g i y y y y g z z F F N F F F N F N N μμ--?---=??---=??-=??
（2.1）
在地坐标系下，向量1i i F F -
可分别表示为：
1111111(sin sin ,sin cos ,cos )
(sin sin ,sin cos ,cos )
i i i i i i i i i i i i i i i i i i F F F F F F F F αφαφααφαφα-------?=-??=-??
（2.2） 式中：
1i i αα-：第i 单元上端和下端井斜角；
1i i φφ-：第i 单元上端和下端井斜方位角；
利用余弦定理，以上两向量得夹角（全角变化量）2δ可表示为：
22211
12arccos 2i i i i i i F F F F F F δ---??+-- ?= ? ???
（2.3） 或则：
()
2arccos cos()*cos()sin()*sin()cos()A B A B B A a a a a δφφ=+- （2.4）
斜平面Ri 的法向量与重力方向的夹角θ为合向量1i i F F -? 与向量Ng
的夹角，可以用下式表示：
222
111arccos 2i i i g g i i g i N F F N F F N F F θ---??
+?--? ?= ?? ???
（2.5） 重力方向的单位向量：(0,0,1)k = ，有//Ng k
； 又令：
111111(sin cos ,sin sin ,)
2(sin cos ,sin sin ,)
i i i i i i i i i i n cos n cos α?α?αα?α?α-----==
（2.6） 所以有：1//1;//2i i F n F n -
所以：
111111()//sin cos sin sin sin cos sin sin i R i i i i i i i i i i i
i j k
F F n cos cos α?α?αα?α?α------?=
（2.7）
那么： *arccos R
R k n n θ??
?= ??
?
（2.8）
所以有：
1111()cos ;()sin ;()cos ;()sin ;()cos ;()sin sin ;();()cos ;()cos ;()sin ;
i x i i y i i i x i y i g g x g y g x y g z g z F F F F F F F F N N N N F F F N N N N N μμμδδδδαθβγθγ----?==??==??==??==??==??
（2.9）
式（2.1）的平衡方程可表示为：
11cos cos cos sin sin sin sin cos 0cos sin 0
i i g i i g g F F N F F F N N N N μ
δδαδδθβγθγ--=+++-+=-= （2.10） 式中：
1
(cos /sin )
2
i i arcsos βπαθααα-=-+=
（2.11） γ为正压力N 与y 轴的夹角,在计算当中可以约掉，钻柱轴向载荷的求解模型为：
11cos cos cos sin sin sin sin 0
(1)
i i g i i g g e F F N F F F N F N
N W L μ
μδδαδδθβμρρ--=+++-+==±=?-泥浆钢
(2.12)
2．3管柱单元轴向力的求解
从（2.12）的计算公式可以看出，要计算轴向力必须选求出侧向力，同样，要计算侧向力必须知道轴向力，故管柱的侧向力和轴向力之间存在相互耦合的关系，我们采用迭代法求解。
迭代法求解步骤：
1'1''''1234(cos cos )/cos 5,,i i i i g i i i i i i i i F F F N
F F N F F F F F F F F F μμμδαδεε--==±=++->-<、假定；
、、、、如果=返回第一步 如果=退出
2.4 扭矩载荷求解 当旋转钻进、划眼或则倒划眼时除了轴向的摩擦力外，由于钻柱的旋转作用，
钻柱也存在周向的摩擦力，该摩擦力表现为扭矩的增加。多于钻柱单元的上下端有如下关系：
1i i r T T rN μ-=+ （2.13）
式中r:为单元柱的半径，m ，r μ为周向的摩擦系数。
如果钻柱及旋转又上提或则下放（旋转钻进、上下划眼等），那么摩擦力需要分解为轴向阻力和周向阻力。
a r F F F =+
（2.14） 根据速度的不同有
:
a r F N
F F N
===
=
(2.15)
或则表示为：
a r μμ==
(2.16)
摩擦力可表示为：
a a r r F N F N
μμ== (2.17)
一般来讲钻柱的周向速度可表示为：
,/100060
i r D Nr V m s π=?
（2．13-2．17）式中的符号说明：
Ti:扭矩；u:摩擦系数；ur ：周向摩擦系数；ua ：轴向摩擦系数；Fa ：轴向摩阻；Fr: 周向摩擦力；Vr:钻柱线速度；Nr:转盘转速；
2．5摩擦系数的确定
研究表明，不同的润滑剂的使用，可以大大降低两材料之间的摩擦阻力。在钻柱与井壁（套管）之间的相对摩擦运动中，不同的泥浆体系得到不同的摩擦系数。
2．6模型的优缺点
（1）本模型采用柔杆模型，模型简单，容易计算。
（2）考虑到多种工况下，钻柱的轴向拉力和摩阻，扭矩和摩扭；
（3）没有考虑管柱刚度的影响，管柱弯曲时也产生侧向力，近而引起轴向力和扭矩的变化；
（4）没有考虑管柱屈曲的影响，当轴向压力大到一定时，钻柱发生屈曲。
（5）没有考虑钻井液的粘性，钻井液在井内流动时，将产生一定的粘性力。
（6）对于摩擦系数的确定，有很多经验公式，本文找了其中的一种。但是也可以根据已有数据反算摩擦系数；
三、计算程序
3．1钻柱不旋转周向力计算程序流程图：
3．2钻柱旋转周向力和扭矩计算流程图
3．3程序使用说明
第一步：把泥浆密度数据，井深结构数据,钻柱结构数据输入到cs_data.txt；
第二步：如果计算设计井眼轨迹，把设计数据输入到sj_data.txt；如果计算实际井眼轨迹，把测斜数据输入到cx_data.txt；
第三步：运行“摩阻扭矩.exe”；根据提示操作，即得到所求结果。
每次的计算结果保存在out.txt中；计算结速后，请及时把计算结果保存，下一次计算时，上一次的结果将被清空。每次改动*.txt文档的数据以后，要从头开始读取数据计算。
四、计算实例与结果分析
4．1管柱上提下放摩阻扭矩分析：
4．1．1基本参数：
表4-1设计井眼的基本参数要求
4．1．2三段式井眼轨迹参数：
图4-1三段式井眼轨迹参数
表4-2 井眼轨迹参数
表4-3 不同操作参数管柱受力状况
4.1.4不同工况下各种参数随井深的变化情况
图4-2 轴向拉力与井深的关系曲线
图4-3 钻柱旋钻不同运动速度轴向拉力与井深关系曲线
图4-4 钻柱旋钻不同运动速度扭矩与井深关系曲线
4．1．5结果分析
从上面的结果可以看出，钻柱的旋转能有效的降低钻柱上提和下放过程中所受到的摩擦阻力。从表4-3，图4-2可以看出，钻柱旋转起来后降低了轴向的摩擦阻力，不仅仅使得上提变得容易，而且下放也变得容易。
从表4-3，图4-3，图4-4可以看出，当钻柱旋转时，摩擦阻力在分解为轴向和周向过后，摩阻和摩扭都降低了，钻柱轴向移动和旋转都变得更容易。
4．2不同井眼轨迹摩阻扭矩分析
4．2．1基本参数：同表4-1；
4．2．2井眼轨迹参数
根据钻井要求，设计3种普通三段式井眼，和一种双增式水平井井眼
方案I:普通3段式井眼
图4-5 方案I井眼轨迹设计
表4-4 方案I井眼轨迹参数
表4-5 方案I-1,I-2,I-3计算结果
4.2.4不同造斜率下井眼摩阻扭矩参数随井深的变化情况
图4-6 方案I-1,I-2,I-3钻柱不旋转轴向拉力比较
图4-7 方案I-1,I-2,I-3各井段摩阻所产生的摩阻力对比
说明：段长为30，当遇到套管或节点的时候实时调整段长；
4．2．5结果分析：
从上面2图可以看出，造斜率的改变，对总的轴向拉力的影响较小，总的摩阻系数也差不多，但是，随着造斜率的增大，在上提时，上切点段所受到摩阻增大，说明钻柱与井壁接触力增大，容易与井壁磨损形成键槽，在下放时，下部切点段摩阻也增大，管柱与下井壁接触力变大。但是，造斜率越小，所形成的井眼越长，管柱与井壁接触的长度（面积）增大，所以，再设计井眼时，要综合考虑各种因素的影响，适当选取造斜率。
4．3双增式剖面摩阻扭矩
4．3．1基本参数：
4．3
图4-8双增剖面图
4．3．3计算结果：
表4-8 三段式与双增式井眼摩阻扭矩计算结果
4．3．4 双增式剖面井与三段式剖面比较
图4-9 双增式剖面与三段式不旋转轴向拉力
图4-10三段式双增式井眼轨迹旋转情况下周向力比较
图4-11三段式、双增式旋转扭矩比较
4．3．4计算结果分析：
通过计算表明，在其他条件相同的情况下，三段式井眼更具有优越性，比起双增式井眼来讲，上提时三段式井眼具较小的摩阻和扭矩，而下放时两种设计相差不大，这就提醒我们，在地层情况已知的情况下，选择三段式水平井能减小摩阻扭矩。
4．4用实际测斜数据预测管柱的摩阻、磨扭、轴向力、扭矩
4．4．1基本参数
井深结构数据
钻柱数据
泥浆密度
测斜数据：
4．4．2计算结果
五、总结与建议
通过上述计算分析，我们可以得到以下结论：
（1）在水平井起下管柱作业时，管柱受到较大摩擦阻力。
（2）管柱上提时，摩擦阻力方向向下，管柱下放时，摩擦阻力向上，管柱下
放的时候，下部钻具受压，上部钻具受拉，在弯曲井段存在一个受拉受
压得临界点。
（3）在管柱上提下放的过程中，管柱的旋转是有益的。管柱上提下放过程中旋转管柱即减少了摩阻，又减小摩扭。
（4）不同造斜率的井眼，在井口处的轴向拉力可能差别不大。但是，造斜率越小，井眼越长，造斜点出与井壁接触力较小，管柱与井壁接触长度越
大，造斜率约高，井眼变短，造斜点出与井壁接触力较大，管柱与井壁
接触长度越变小。所以在设计井眼轨迹时要综合考虑各种因素。
（5）与双增式井眼相比，三段式井眼有较小的摩阻和摩扭，但是，双增式井眼有较好的调节能力，所以一般在地质情况不清时采用双增式；而在地
质条件清楚地地方采用三段式井眼。
（6）通过测斜数据，能估算出管出管柱受到的摩阻。预测可能出现复杂情况。
避免作业事故。
通过水平井课程的学习，进一步了解了水平井钻井工艺和方法。为以后的学习和工作奠定了一定的基础，对高老师，郭老师，张老师表示衷心的感谢！
参考文献
[1]
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。
压裂施工管柱摩阻计算 苏权生 摘要：压裂施工管柱摩阻计算对压裂施工过程中压力波动判断和压后净压力拟合具有重要意义。目前对压裂液在层流状态下的摩阻计算比较成熟，计算结果可信度高，但对压裂液在紊流状态下性质还未找出一定的规律，摩阻计算结果误差较大。本文以降阻比法为基础进行压裂管柱摩阻计算，通过理论计算与现场实测数据进行对比分析，提高计算精度。 关键词： 管柱摩阻 紊流 降阻比 计算精度 压裂管柱摩阻计算是压裂施工过程中压力变化判断的基础，是进行井底压力和裂缝净压力计算的关键。在实际压裂设计中经常采用经验估计法对管柱摩阻进行粗略计算，往往不能准确地预测实际管柱摩阻。本文以降阻比法为基础，分别对HPG 压裂液的前置液、携砂液沿程管柱摩阻进行理论计算，并结合胜利油田现场施工井的实际数据进行对比分析，对影响管柱摩阻计算的影响因素进行修正，提高理论计算和现场施工数据的一致性，形成适合胜利油田压裂施工管柱摩阻计算的相关计算程序。 1、降阻比管柱摩阻计算 Lord 和MC Gowen 等人在前人研究的基础上提出了HPG 压裂液前置液，携砂液摩阻计算的新方法，称为降阻比法，其基本原理是在相同条件（如排量、管径、管长相同）下，压裂液摩阻与清水摩阻之比称为降阻比，用公式表示为: w f p f P P )()(??= δ (1) 式中：p f P )(?：压裂液摩阻，Mpa ；w f P )(?：清水摩阻，Mpa ；δ：降阻比系数,无单位。 1.1 清水摩阻计算 从公式（1）可以看出，降阻比法要首先计算清水摩阻，且其值的准确性对压裂液摩阻计算有较大的影响，水力学中伯拉休斯清水摩阻计算式: L Q D P ***10*779.775.175.461--=? (2) 式中： 1P ?：清水摩阻，Mpa ； D ：管柱内径，m ； Q ：施工排量m 3 /s ； L: 管柱长度，m ；
桩侧负摩阻力 摘要：基桩负摩阻力是桩基础设计中必须考虑的重要问题之一。本文介绍了有关负摩阻力的一些基本概念、其影响因素、计算等。简要介绍了桩基负摩阻力问题的研究现状, 分析了当前负摩阻力研究中存在的问题, 对今后桩基负摩阻力的研究方向提出建议。 关键词：桩基负摩阻力时间效应防治研究问题 引言 自20世纪20年代以来，国外对桩基负摩阻力开展了大量的研究工作，国内对负摩阻力的研究起步稍晚。但至今国际上对负摩阻力的研究尚不深入，许多问题尚待解决。 理论研究方面：比较经典的是有效应力计算负摩阻力方法，但计算结果往往偏大。1969 年Polous 提出了基于Mindlin解的镜像法计算桩的负摩阻力大小，但该方法仅用于端承桩。1972 年在上述基础上并根据太沙基一维固结理论，导出了单桩负摩阻力随时间变化的关系。影响负摩阻力的因素很多，精确确定负摩阻力难度很大，因此很多学者从有效应力法出发，提出经验公式。目前多根据有关资料按经验公式进行估算。 原位测试方面：李光煜利用滑动测微计成功地量测了一根钢管桩的负摩阻力，并用有效应力法进行了一些探讨。陈福全、龚晓南等通过现场试验，给出了中性点的深度。随着计算机的发展，利用有限元计算桩基负摩阻力已经逐渐运用 到工程设计中。但是有限元的计算需要确定大量的参数，且参数不容易确定，同时需要占用较大的计算空间，因此在工程中很难得到广泛应用。 1. 负摩阻力及其成因 桩基础中，如果土给桩体提供向上的摩擦力就称为正摩阻力，有利于桩承载；反之，则为负摩阻力，不利于桩承载。桩侧负摩阻力产生的根本原因是，桩周土的沉降大于桩体的沉降。桩土的相对位移(或者相对位移趋势)是形成摩擦力的原因，地基土沉降过大，桩和土相对位移过大地基土将对桩产生向下的摩擦力拉力，使原来稳定的地基变得不稳定，实际荷载可能超过原来建议的地基承载力。 一般可能由以下原因或组合造成：
钻具摩阻与扭矩 This manuscript was revised by the office on December 22, 2012
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。 由图2-2 V V F V F r t s t t 22/+=(2-3) V V F V F r t s r r 22/+=(2-4) F s =fN(2-5) 式中F S —钻柱单元的静摩擦力，N ； f —摩擦系数； N —钻柱单元对井壁的挤压力，N 。 [])sin ()2 2sin (θθθφW T T N +?+?=(2-6) 式中T —钻柱单元底部的轴向力，N ； W —钻柱单元在钻井液中的重量，N ； θ,△θ,Δφ—钻柱单元的井斜角，井斜角增量。 减小管柱扭矩和摩阻的措施
压裂施工中摩阻计算-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
*川西地区压裂施工过程中管柱摩阻计算摘要：以降阻比法为基础，分别对有机硼交联(HPG) 压裂液的前置液、携砂液的沿程管柱摩阻计算方法进行分析，结合川西地区部分井压裂施工现场的施工数据，对管柱摩阻计算公式进行修正改进后，提高了压裂施工设计和数值模拟中摩阻参数计算的准确性；同时用计算机程序实现了施工过程管柱沿程摩阻的计算，可用于模拟压裂施工全过程的摩阻计算。对四川川西地区以油管方式注入井的水力压裂施工设计及现场施工过程中井底压力的分析具有重要意义。 关键词：压裂施工；降阻比；管柱摩阻；公式；计算前言 压裂施工管柱沿程摩阻值的准确性直接影响到压裂工艺的设计过程，是确定井底压力的必要数据，也是压裂施工成功与否的主要因素。在实际压裂设计中，大多数采用经验估计法对管柱的摩阻损失进行计算，往往不能准确地预测实际摩阻，尤其不能模拟压裂施工整个过程的实际摩阻值。管柱的摩阻计算单纯的从流变学和水力学的角度去计算，目前还不能被实际应用。文章以降阻比法为基础，分别就HPG压裂液、相应的携砂液沿程管柱摩阻计算方法进行分析对比，并结合川西地区大部分压裂井的现场施工数据，对压裂液的沿程摩阻有关计算公式进行改进，实现压裂施工全过程摩阻计算的计算机程序化。实例计算表明，改进后的摩阻计算公式以及压裂施工过程摩阻计算结果与现场实际数据有较高的符合率，可以用于川西地区压裂施工过程摩阻的模拟计算。 1 压裂液摩阻的计算 Lord和MC Gowen等人[1,2]利用其他人的实验资料提出了计算溶胶及混砂液摩阻的方法。采用延迟交联技术，使交联HPG与HPG溶胶在井筒中的摩阻相差不大，因此，Lord等人仍用溶胶的数据提出了一个降阻比（δ）的概念：（1） 式中：(△Pf)0为清水的摩阻损失，MPa；(△Pf)P为压裂液的摩阻损失，MPa。清水的摩阻损失可以用经典水力学雷诺数与摩阻系数关系进行计算，或者同样采用Lord等人提出的回归公式： （2） 式中：D为压裂油管柱的内径，mm；Q为施工过程泵注排量，m3/min；H为油管长度，m。 在实验数据处理中认为，降阻比δ是压裂液平均流速υ、稠化剂浓度CHPG、支撑剂浓度CP的函数，通常表示为δ＝f（υ、CHPG、CP）。通过对1 049个实验数据的线性回归，结合实际矿场条件，提出了实用于HPG压裂液降阻比的计算经验关系式： （3） 式中：CP为支撑剂的浓度，kg/m3；CHPG为稠化剂HPG的浓度，kg/m3。 从本质上讲，降阻比就是牛顿流体与非牛顿流体的不同流变特性在摩阻方面的表现，其值大小主要受物料来源及交联特性的影响[3]。因此，由上述公式计算所得到的压裂液摩阻与现场实测数据还有很大的误差，必须利用获得的实际压裂液的摩阻损失值进行现场校正，以便更为真实地反映压裂液的摩阻值。 前置液摩阻计算
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
一种压裂液管柱摩阻求取方法 张 军 【摘 要】摘 要 在油管压裂工程设计与分析过程中，由于考虑压裂液管柱摩阻，施工压力和施工排量的设计除考虑地层因素外，不得不考虑井筒管材和施工管柱所承受的最大压力，对依据储层条件科学合理地进行储层改造造成了很大的障碍。同时在压裂施工过程中，为确保压裂施工的成功率和减少井筒复杂，在计算施工压力和提升作业排量时，压裂液管柱摩阻必须纳入计算或估算范围内。但在实际情况中，由于成本、施工时间的影响，并不能将每种压裂液摩阻进行现场实测，同时运用摩阻经验计算公式对特定的压裂液计算的管柱摩阻误差较大，因此需要在实验室对每种压裂液进行实验，测试其在实验室条件下的管柱摩阻，然后将其得到的结果转化成现场条件下的摩阻。利用小管径实验将得到的管柱摩阻结果按现场比例放大能很好的指导现场压裂施工，对施工人员实时判断施工真实压力大小提供了参考。同时利用该方法能减小摩阻经验公式计算的误差，对提高压裂工程设计质量和压后分析起到很好的帮助作用。 【期刊名称】矿山工程 【年(卷),期】2018(006)003 【总页数】8 【关键词】关键词 压裂液摩阻，降阻比，小管径实验，放大方法 文章引用: 张军. 一种压裂液管柱摩阻求取方法[J]. 矿山工程, 2018, 6(3): 175-182. Received: Jul. 4th, 2018; accepted: Jul. 19th, 2018; published: Jul. 26th, 2018 Copyright ? 2018 by authors and Hans Publishers Inc. This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY). https://www.doczj.com/doc/5816051599.html,/licenses/by/4.0/ 1.引言 近年来，随着油气勘探开发技术的进步，油气勘探开发不断向深井和超深井领域发展，而深井和超深井改造过程中最令工程设计者困惑的是压裂液管柱摩阻。压裂液管柱摩阻是压裂施工过程中的一项重要参数[1] [2] [3] [4]。压裂液摩阻对施工水马力、压裂过程井底和井口压力、施工管材承压能力等的影响是设计者不得不考虑的因素[5]。通常压裂液管柱摩阻计算采用理论公式计算，但该方法对压裂液性质尤其是胶体黏度把握不够准确，导致摩阻计算数据与实测数值差距较大，影响后续数据分析[6]。而实测每种压裂液管柱摩阻耗时长，成本高。
浅析桩基负摩阻力产生的原因及其计算 【摘要】桩周土体由于某种原因发生下沉时对桩身产生相对向下的位移，这就使桩身承受向下作用的摩擦力，这种摩擦力就是桩基的负摩擦阻力。本文针对桩基负摩擦阻力产生的机理及原因，并通过实例计算分析桩基负摩擦阻力。 【关键词】桩基；负摩擦阻力；机理及原因；实例计算 rough discuss the reason and count of pile foundation force of negative friction wang zhigang1 liang guankao2 (1.fifth geological mineral exploration and development institute of inner mongolia, baotou 014010, p.r.china;2.inner mongolia geology engineering co.,ltd, hohhot.010010,p.r.china) 【abstract】owing to some reasons ,the soil around pile foundation occur subside will produce displacement downward to pile foundation，so pile foundation will bear downward friction force，this friction force is negative friction force。this paper point at the reason of pile foundation negative friction force and analysis pile foundation negative friction force by living example。 【key words】pile foundation; negative friction force;the mechanisation and reason；living example account
593罗人文等：马深1井超深井钻井液技术 （2）调整流变性改善携砂效果时，最好采用等密度段塞的方式。 （3）起钻时扶正器在入大套管前，应降低起钻速度，观测好指重表注意防卡。 4 结论 Conclusions （1）针对四开设计的高密度KCl聚胺磺化钻井液体系、五开的抗高温聚磺钻井液体系均在现场成功应用，抗温、抗污染效果较好，两种体系的封堵能力强，高温高压滤失量能控制在8~12 mL，满足了封堵防塌的要求。解决了超深井井壁稳定问题，四开井径扩大率为3.1%，五开井径扩大率为5.1%。 （2）研究结果解决了大小井眼携砂问题，保证了五开螺杆+PDC钻头双驱钻井技术的顺利应用，大幅度缩短了施工周期。 参考文献： References: ［1］ 谭茂波，何世明，邓传光，米光勇，高德伟，王强.龙岗西地区首口非常规超深井钻井技术［J］.石油钻采工艺， 2015，37（2）：19-23. TAN Maobo, HE Shiming, DENG Chuanguang, MI Guangyong, GAO Dewei, WANG Qiang. Drilling technology for the first unconventional ultra-deep well in West Longgang Region［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2015, 37（2）: 19-23. ［2］ 王中华. 超高温钻井液体系研究（Ⅰ）——抗高温钻井液处理剂设计思路［J］.石油钻探技术，2009，37（3）：1-7. WANG Zhonghua. Studies on ultra-high-temperature drilling fluid system （Ⅰ） : Design ultra-high-temperature drilling fluid additives［J］. Petroleum Drilling Techniques, 2009, 37（3）: 1-7. ［3］ 刘克飞.超高温水基钻井液技术研究与应用［D］ .北京：中国石油大学（北京），2009. LIU Kefei. Study and application on ultra-high temperature water base drilling fluid technique［D］. Beijing: China University of Petroleum ( Beijing ), 2009. ［4］ 周光正，王伟忠，穆剑雷，曹孜英，尹丽，张刚，杨鹏梅.钻井液受碳酸根/碳酸氢根污染的探讨［J］.钻井液与 完井液，2010，27（6）：42-45. ZHOU Guangzheng, WANG Weizhong, MU Jianlei, CAO Ziying, YIN Li, ZHANG Gang, YANG Pengmei. Research on carbonate/bicarbonate contamination of drlling fluid ［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2010, 27（6）: 42- 45. ［5］ 邹大鹏.大庆油田致密油水平井强抑制防塌水基钻井液技术［J］.石油钻采工艺，2015，37（3）：37-39. ZOU Dapeng. High inhibition and anti-sloughing water- based drilling fluid technology for horizontal wells in tight oil reservoirs in Daqing Oilfield［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2015, 37（3）: 37-39. ［6］ 王平全，余冰洋，王波，时海涛，李红梅.常用磺化酚醛树脂性能评价及分析［J］ .钻井液与完井液，2015，32 （2）：29-33. WANG Pingquan, YU Bingyang, WANG Bo, SHI Haitao, LI Hongmei. Valuation and analysis of commonly used sulfonated phenolic resins［J］. Drilling Fluid & Completion Fluid, 2015, 32（2）: 29-33. ［7］ 梁奇敏，侯本权，方丽超.多约束条件下的钻井液排量优选研究［J］.石油机械，2013，41（8），13-16. LIANG Qimin, HOU Benquan, FANG Lichao. Research on the optimization of drilling fluid displacement in multi- constraint conditions［J］. China Petroleum Machinery, 2013, 41（8）: 13-16. （修改稿收到日期 2016-08-29） 〔编辑 薛改珍〕 美国Altus公司提出水平井完井管柱摩阻分布的新机理 水平井完井设计中需要准确预测井眼内管柱的受力，以确定管柱部件的强度等级，保证施工安全。但以前的水平井完井管柱摩阻多按照水平井钻井摩阻计算，不仅计算精度低，而且计算结果与应力分布与实际情况不符。美国Altus公司提出水平井完井管柱的摩阻产生新机理。该公司认为，完井管柱下入井底，受到水平井的大斜度井眼影响，积聚了大量摩阻载荷。而通过最初的完井作业工艺，如坐封封隔器或部分井段的水泥固井，又将这些摩阻载荷分段隔离在各管柱之间，在后续的完井作业中，通过管柱的运动或振动，又使管柱的载荷进行重新分布。公司依据新机理设计了计算程序，并获得良好的应用效果。 (郭永峰编译 E-mail：guoyf2@https://www.doczj.com/doc/5816051599.html,) 万方数据
压裂近井摩阻分析 摘要：压裂施工近井摩阻值的准确性直接影响到压裂工艺的设计，是确定井底压力的必要数据，也是决定压裂施工难易程度的主要因素。该文从压裂近井摩阻的成因、分类、计算方法等方面对国内外压裂近井摩阻进行了整理和归纳，并在此基础上得到了降低近井摩阻的两个工艺：○1支撑剂段塞冲刷工艺作为一种可靠而实用的降摩阻工艺它的作用主要在优化近井筒附近裂缝壁面。在前置液中支撑剂的加入使裂缝的壁面更趋于光滑,可减小裂缝的凹凸面,增大近井裂缝的宽度,减小支撑剂在近井筒砂堵的可能性，也减少了裂缝摩阻。○2定向压裂的实施，沟通了主体裂缝与井筒的连通，这样就大大减少了由于裂缝转向而造成的压裂液流失和压裂液流程，这样就起到了一般压裂不能达到的降低裂缝摩阻的效果。 关键词：近井摩阻；水力压裂；支撑剂段塞；裂缝扭曲；多裂缝 从80年代以来，人们对近井筒摩阻问题的认识随着实践的发展不断得到深化，对近井筒摩阻的产生机理、影响因素、降低措施等都进行了广泛的研究。众多的学者从室内实验、定性认识、定量计算、检测手段及压裂施工工具等方面，着眼于裂缝起裂位置、裂缝转向扭曲、多裂缝、非平面裂缝、孔眼位置、施工排量等方面，对近井筒摩阻的产生原因、计算方法、影响因素等进行了广泛的研究。 1近井摩阻的成因分析 所谓水力压裂的近井筒效应是指由射孔孔眼特性及井筒周围(射孔壁)应力集中作用在近井筒区域所产生的孔眼摩阻、复杂裂缝形态(多裂缝、裂缝面的扭曲、窄高缝、非平面裂缝)以及由此引起的压力损失和早期脱砂现象。水力压裂的近井压力降(损失)主要归因于井筒连通(孔眼)、裂缝面弯曲(裂缝转向和扭曲)、多裂缝等近井筒裂缝的几何形态，这些形态导致有效压力损失和意外脱砂[1]，是影响压裂成功的不利因素。因此，它是分析近井带摩阻产生原因的结构基础和现实依据。根据近井筒问题得出压裂近井摩阻产生的主要原因如下： （1）射孔孔眼相位不一致。因为水力裂缝往往不是沿着射孔方向生成的，压裂液从孔眼到裂缝通常要经过一条或几条曲折的通道。主要是因为孔眼的相位、间距差异比较大，导致射孔与预期裂缝方向并不一致； （2）孔眼连通性差。射孔的质量会直接影响到破裂压力及施工功耗，如果射孔不当，射孔孔眼与裂缝主体连通不好会导致携砂压裂液过早脱砂； （3）近井筒裂缝扭曲。因为随着地层岩石应力分布状况而发生扭曲和转向等问题，裂缝延伸过程中会发生不规则延伸现象。在90 年代初，裂缝扭曲问题就已经被许多专家所关注； （4）多重裂缝。大量的细微裂缝会消耗泵注压力，而且多裂缝问题的产生与储层地应力分布和压裂施工情况密切相关。 2裂缝弯曲对近井筒摩阻的影响 国外一些实验室采用大尺寸的真三轴实验设备，模拟现场地应力条件下射孔对压裂的影响。通过实验发现，裂缝从射孔孔眼或是从与最小水平主应力垂直的方向起裂，裂缝起裂取决于射孔方向与最大水平主应力面的夹角。另外，所有裂缝开始转向最大水平主应力方向的位置在距井相当于井筒直径的范围内。而且，尽管裂缝延伸的初始阶段有多条裂缝，却只有一级单缝延伸超过井筒直径的范围。Abass[2]研究得出了射孔方向与最大水平主应力方向成不同角度对缝宽的影响。当射孔方向大于45°时缝宽急剧减小，裂缝弯曲现象明显，而角度在0°～30°时裂缝与孔眼连通良好。所以，射孔方向应在最大水平应力方向或与其夹角小于30°。由于射孔对水力裂缝有影响，定向射孔技术已
利用ABAQUS进行桩侧摩阻力仿真计算 [摘要] 桩侧摩阻力的大小直接确定了桩的实际承载力。因而如何确定桩的侧摩阻力对于桩基设计计算的意义重要。此处借用ABAQUS有限元软件对桩的侧摩阻力进行仿真计算。[关键词] 有限元软件桩侧摩阻力仿真计算 一、引言 桩基设计的核心问题，不外是沉降和承载力两个方面。在现行的规范中，桩侧摩阻力主要通过原位测试、当地经验值、规范给定值三种方式经过修订而得的。事实上，桩侧摩阻力的值是随着桩顶载荷、地层情况，以及深度等各种因素而变的，而且深度效应较为明显。 对于摩擦型单桩，其承载力主要由桩侧摩阻力承担。因此如何正确分析和计算桩侧摩阻力的分布及影响因素至关重要。传统的方法是通过原位贯入试验测得桩的侧摩阻力。通过现场原位试验虽然可以有效的得到设计需要的数据。但是现场原位试验既费工又费钱，而且试验技术有一定的困难。现代计算机技术的飞速发展，因此如何根据室内试验得到的有关资料，利用仿真分析的方法来确定桩侧摩阻力作用情况，进而确定桩侧摩阻力，是值得广泛关注和讨论的问题。 二、桩土计算模型 在考虑土的非线性、桩周土分层、桩土间非线性相互影响、桩端有存渣、桩端及桩侧注浆加固、桩长及桩直径变化等因素时，有限元法是现阶段最适用的方法，它能解决由于试桩困难及实测费用大的问题。为了方便阐述和演示，本次仿真计算采用了很大的简化。本次计算只考虑桩打入土层之后的摩阻力的变化，土层只取一层。桩取直径0.5米，长度为10米，并简化为弹性本构模型，土水平边界设置为10米，深度方向设置为30米，并简化为弹塑形本构模型。
图1：计算模型 三、计算过程 在几何模型上，采用大尺寸来模拟半无限空间体系，土体的边界半径去10米（桩半径的40倍），土体深度方向上去30米（桩长度的3倍）。 在ABAQUS的Part模块中根据工程条件通过轴对称的方式建立图1的计算几何模型，并将模型分别建成2个part，一个桩的part，一个土的part。在桩的part中只保留桩的部分，在土的part中只保留土的部分。在桩和土接触问题上，要求在土和桩相接触的地方分别建立接触面。 在 ABAQUS的Property模块中，分别建立相应的混凝土材料和土体材料，并赋值给相应 的部件。
*川西地区压裂施工过程中管柱摩阻计算摘要：以降阻比法为基础，分别对有机硼交联(HPG) 压裂液的前置液、携砂液的沿程管柱摩阻计算方法进行分析，结合川西地区部分井压裂施工现场的施工数据，对管柱摩阻计算公式进行修正改进后，提高了压裂施工设计和数值模拟中摩阻参数计算的准确性；同时用计算机程序实现了施工过程管柱沿程摩阻的计算，可用于模拟压裂施工全过程的摩阻计算。对四川川西地区以油管方式注入井的水力压裂施工设计及现场施工过程中井底压力的分析具有重要意义。 关键词：压裂施工；降阻比；管柱摩阻；公式；计算前言 压裂施工管柱沿程摩阻值的准确性直接影响到压裂工艺的设计过程，是确定井底压力的必要数据，也是压裂施工成功与否的主要因素。在实际压裂设计中，大多数采用经验估计法对管柱的摩阻损失进行计算，往往不能准确地预测实际摩阻，尤其不能模拟压裂施工整个过程的实际摩阻值。管柱的摩阻计算单纯的从流变学和水力学的角度去计算，目前还不能被实际应用。文章以降阻比法为基础，分别就HPG压裂液、相应的携砂液沿程管柱摩阻计算方法进行分析对比，并结合川西地区大部分压裂井的现场施工数据，对压裂液的沿程摩阻有关计算公式进行改进，实现压裂施工全过程摩阻计算的计算机程序化。实例计算表明，改进后的摩阻计算公式以及压裂施工过程摩阻计算结果与现场实际数据有较高的符合率，可以用于川西地区压裂施工过程摩阻的模拟计算。 1 压裂液摩阻的计算 Lord和MC Gowen等人[1,2]利用其他人的实验资料提出了计算溶胶及混砂液摩阻的方法。采用延迟交联技术，使交联HPG与HPG溶胶在井筒中的摩阻相差不大，因此，Lord等人仍用溶胶的数据提出了一个降阻比（δ）的概念： （1） 式中：(△Pf)0为清水的摩阻损失，MPa；(△Pf)P为压裂液的摩阻损失，MPa。 清水的摩阻损失可以用经典水力学雷诺数与摩阻系数关系进行计算，或者同样采用Lord等人提出的回归公式： （2） 式中：D为压裂油管柱的内径，mm；Q为施工过程泵注排量，m3/min；H为油管长度，m。在实验数据处理中认为，降阻比δ是压裂液平均流速υ、稠化剂浓度CHPG、支撑剂浓度CP的函数，通常表示为δ＝f（υ、CHPG、CP）。通过对1 049个实验数据的线性回归，结合实际矿场条件，提出了实用于HPG压裂液降阻比的计算经验关系式： （3） 式中：CP为支撑剂的浓度，kg/m3；CHPG为稠化剂HPG的浓度，kg/m3。 从本质上讲，降阻比就是牛顿流体与非牛顿流体的不同流变特性在摩阻方面的表现，其值大小主要受物料来源及交联特性的影响[3]。因此，由上述公式计算所得到的压裂液摩阻与现场实测数据还有很大的误差，必须利用获得的实际压裂液的摩阻损失值进行现场校正，以便更为真实地反映压裂液的摩阻值。 1.1 前置液摩阻计算 令式（3）中的CP = 0（即未加支撑剂的情况），可以求出前置液阶段的降阻比δ，结合（1）、（2）式可以计算出前置液的摩阻值。为了获得与实际更接近的结果，在不改变降阻比影响因素的前提下，以川西地区部分压裂井前置液阶段施工过程的实际摩阻值为基础，结合降阻比公式，对式（3）的系数进行反复修正计算，最终得到适合于川西地区压裂液体系的降阻比计算式：
单桩承载力验算 一、土层分布情况 二、单桩竖向承载力特征值 桩端持力层为全风化花岗岩，按《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008），中性点深度比l n /l 0=，桩周软弱土层下限深度l 0=，则自桩顶算起的中性点深度l n =。根据规范可知，该处承载力特征值只计中性点以下侧阻值及端阻值。 kN l q u A q Q i sik p pk 3976)613021.712(1141600uk =?+???+??=+=∑ππkN Q K R uk a 198838942 11=?== 三、单桩负摩阻力
第一层路堤填土和杂填土自重引起的桩周平均竖向有效应力： 地下水以上部分：Pa k 93.6594.6192111=??= σ； 地下水以下部分：Pa k 06.1396.1)1019(2 194.61912=?-?+?=σ； 则kPa 20512111=+=σσσ； 第二层淤泥自重引起的桩周平均竖向有效应力： kPa 26.182)54.863.21()105.15(2 16.1)1019(94.6192=-?-?+?-+?=σ； ；，故取kPa q kPa kPa q n s n n s 24245.612053.01111=>=?==σξ ；，故取kPa q kPa kPa q n s n n s 121245.3626.1822.01222=>=?==σξ 对于单桩基础，不考虑群桩效应则1n =η； 基桩下拉荷载： kN l q u Q n i i n si n n g 1137))54.863.21(1254.824(10.11=-?+????==∑=πη 四、单桩分担面积上的荷载 kN N 720)2520(44k =+??= 五、验算 N R N Q N a n k 1988k 185********g k =<=+=+ 故单桩承载力满足要求。
2019年5月第46卷第5期 云南化工 Yunnan Chemical Technology May.2019 Vol.46，No.5 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）05-111-03 A 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 ll Zhang 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 strength 1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--
浅谈负摩阻力(一) 论文关键词]负摩阻力中性点成因影响因素防治措施计算方法 论文摘要]负摩阻力问题严重影响着建筑物的安全，桩的负摩阻力的大小受多种因素的影响，故其准确数值很难计算。介绍和阐述桩侧负摩阻力产生的条件和机理，桩侧负摩阻力的计算方法，中性点的确定，防治和减少桩侧负摩阻力的方法。 随着人文居住环境的改善以及土地价格的不断攀升，建筑物已从多层不断的转向高层建筑，从而对地基承载力和变形要求也越来越高，越来越严格。因此地基处理变得越来越重要。在地基处理工程中，因负摩阻力问题，造成工程事故屡有发生（建筑物出现沉降、倾斜、开裂），负摩阻力问题在我国工程实践中已变成一个热点问题。下面对负摩阻力的问题进行分析、阐述。 一、负摩阻力的成因 桩周土的沉降大于桩体的沉降！桩土的相对位移（或者相对位移趋势）是形成摩擦力的原因，桩基础中，如果土给桩体提供向上的摩擦力就称为正摩阻力；反之，则为负摩阻力。 地基土沉降过大，桩和土相对位移过大地基土将对桩产生向下的摩擦力拉力，使原来稳定的地基变得不稳定，实际荷载可能超过原来建议的地基承载力。 一般可能由以下原因或组合造成：未固结的新近回填土地基；地面超载；打桩后孔隙水压力消散引起的固结沉降；地下水位降低，有效应力增加引起土层下沉；非饱和填土因浸水而湿陷；可压缩性土经受持续荷载，引起地基土沉降；地震液化。 二、地基设计为什么要考虑负摩阻力 桩周负摩阻力非但不能为承担上部荷载作出贡献，反而要产生作用于桩侧的下拉力。而造成桩端地基的屈服或破坏、桩身破坏、结构物不均匀沉降等影响。因此，考虑桩侧负摩阻力对桩基础的作用是桩基础设计必不可少的问题之一。 三、如何在现场测试和估算负摩阻力 在桩体安装应变计这是目前测单桩负摩阻力问题的最常用的方法。80年代，有工程运用瑞士生产的滑动侧微计（SlidingMicrometer---ISETH）来测定。 普遍的方法都是测定桩体轴力，从而推算桩侧摩阻力。 四、影响负摩阻力大小的主要因素 桩周土的特性当然是首当其冲的，其次桩端土特性也不可忽视（因为其之间影响着中性点的位置问题）、桩体的形状、桩土模量比等都有影响。 五、负摩阻力的防治措施 打桩前，先预压地基土，从根本上消除负摩阻力的产生；在产生负摩阻的桩段安装套筒或者把桩身与周围土体隔离，这种方法会使施工难度加大；在桩身涂滑动薄膜如涂沥青]，目前这种方法应用比较普遍，效果也不错；通过降低桩上部荷载，储备一定承载力；在地基和上部结构允许有相对较大沉降的情况下，采用摩擦桩；采用一定的装置消除负摩阻力。 下面介绍一种消除负摩阻力的装置：它由设置在桩体外周的卸荷套及卸荷套与桩体之间的润滑隔离层构成。卸荷套使桩体与周围土层完全隔开并由桩体带动在打桩时与之同步下沉，而当桩周土层沉陷时，卸荷套依靠隔离层内润滑材料的作用，可随土层相对桩体自由下沉而不将下拽力传给桩体，从而有效地消除了负摩阻力的作用。可广泛用于各种软基地层拟用桩基础的工程中。 六、负摩阻力的群桩效应研究大多数是单桩，实践中基本是群桩 这个跟我们的研究方法有关系，目前我们的现场实践方面的研究方法都是针对单一桩体的。另外，群桩方面的研究，运用数值分析方法也有不少研究。群桩的现场研究很值得期待呀。 七、端承桩产生负摩阻的可能性大于摩擦桩 （1）对于摩擦型桩基，当出现负摩阻力对基桩施加下拉荷载时，由于持力层压缩性较大，
管道水力摩阻系数的计算 Черникин，A．B． Черникин，A．B．：管道水力摩阻系数的计算，油气储运，1999，18（2）26～28。 摘要介绍了计算水力摩阻系数λ的通用公式，在分析现有计算摩阻系数公式的基础上，借助于专门的过渡函数，求出了新的通用式。推荐可实际应用于管道水力计算的公式λ＝0.11［（Z＋ε＋C1.4）／（115 C＋1）］1／4，该公式可完全避免确定液体流动区域的程序，适用于任一雷诺数Re和不同管子相对粗糙度ε，排除了由于自身连续性而导致不同区域边界上λ数值不一致的情况。 主题词管道水力摩阻系数计算方程 一、管道水力摩阻系数计算的改进 完善各种管道(原油管道、天然气管道、水管道等)的水力计算，可以通过提高计算精度或使计算公式通用化等途径来实现。进行水力计算所需重要参数之一，便是水力摩阻系数λ，一般情况下它是以下两个参数的函数：雷诺数Re和管子相对粗糙度ε。依据这些参数的数值，管道内流体流动划分为不同区域(状态)，对于每个区域都有计算λ的公式，以及确定区域边界的所谓雷诺数过渡值。 在分析现有计算系数λ的公式和寻求通用计算式的基础上，借助专门的过渡函数，求得以下形式新的通式： （1） 这一公式覆盖所有的流动区域，即在管输液体和气体介质时，用于计算任一Re和ε时的λ。公式中的参量具有如下数值：对于液体，α＝0.11，C＝1.4，γ＝68／Re，A＝（28 γ）10，B＝115，n＝4；对于气体介质，α＝0.077，C＝1.5，γ＝79／Re，A＝（25 γ）10，B＝76，n＝5。 比较式(1)和常用的斯托克斯公式、Aльтшуль公式、俄罗斯天然气科学研究院公式(做为特例，针对不同流动区域，由式(1)很容易求得这些公式)计算λ的结果，它们完全吻合。最大的偏差(不超过1.7%)发生在层流与湍流过渡区边界上。在其它情况下，偏差甚小。