定向井、水平井鉆柱力學分析與應用探討

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目施工時的突出特征，如果要建立在定向井和水平井的受力問題做研究，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模型，應當以三維為基礎，以此來建立兩者工程項目的應用具體算法。之后再通過具體環境和實際狀況等綜合因素來考慮到傳統的鉆柱設計內容、鉆柱強度進行核實的具體方式，來完成對鉆柱摩擦阻力和摩擦強度的主要來分析軟件的開發和具體研究。通過相關研究人員的研究實踐表明了他們所建立的計算力學模型只有在充分考慮各個重要影響因素之后才具備高準確度。并且研究的過程中應當貼近于鉆柱力學現場的實際情況，所計算出來的結果才能夠對鉆柱的受力模型有著實際的意義。

關鍵詞：鉆柱；力學分析；探討

一、鉆柱的力學分析

1.1 研究并分析鉆柱與井壁的接觸

鉆柱相關工作人員應當充分了解鉆柱在定向井、水平井在各個井的井眼內的實際情況，能夠充分的建立好定向井和水平井的鉆柱相關力的實際分析，通過學習有關力學分析的理論，以力學的理論研究為相關基礎，可以假定一些條件。例如各個鉆井的鉆柱是能夠改變形狀的非實心圓形桿狀截面體，但是各個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想象并設計為圓形的物體。這時鉆頭受到的彎曲程度是幾乎為零的。各個鉆的鉆柱與定向井的內壁連接在一起，在沒有想到摩擦力會對兩個物體之間產生接觸面的形狀影響力時，兩者之間的接觸是可以當成有彈性的。

1.2 計算相關的摩擦反力

并且鉆柱在開始進入有彎曲的位置時，會與定向井的井壁下側所接觸到，此時彎曲位置的井率和井眼的曲率是相同的，相關工作人員再通過實際情況來制作三維坐標體系能夠更好的了解到定向井和水平井兩者的井眼實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行充分接觸時，通過查閱相關力學資料發現在理論上接觸可以認為是彈性的。相關工作人員可以通過回憶赫茲問題來類比計算出定向井井壁接觸面的正反力，將最終的結果再與摩擦系數的數值進行相乘，計算出摩擦反力。

1.3 研究有關鉆柱的強度

定向井自身的井壁上存在著空間上的摩擦力作用，這些摩擦阻力會對定向井自身的井桿產生表面上的作用，如果摩擦阻力表面的作用力移動到了井桿的中心軸線處，就會使得盛放油氣井的井壁在面對鉆井過程時產生摩擦的扭矩效果。要想獲得的耦合的鉆井微積分方程，可以根據有關鉆井的復變函數方程式和一次一次迭代的方法所結合，再將鉆井時摩擦的節點發生的實際位移同每個特定定向井的特定條件來得出最終定向井鉆井時的控制方程表達方程式。

通過將實際測量的有關定向井的相關數據代入表達式中，就可以求得鉆柱在不同層面上截面的內部力，還能夠通過控制方程求出在微元段的不同相關截面上的內力，以此為前提可以求出不同內力的分量，這樣能夠更好的校準鉆柱的有關強度。

二、鉆柱強度的分析

2.1 總結出正應力的分布

在定向井和水平井鉆井的施工過程中，井管內的外部液體的壓力差會給鉆柱一個作用力，并且軸向層面的拉伸、扭轉和彎曲等各個方面都會給鉆柱影響，在各個方面的荷載作用和鉆桿內部處于三向應力的受理部位的聯合作用力下，軸向方向上的正應力應當實在橫截面上均勻分布的。

2.2 獲得Lame公式

通過各個截面的橫截面積以及截面所受到合彎矩導致彎曲的正應力數值，相關工作人員總結出在合彎矩相關層次上橫截面所呈現出的線性分布形式，還應當在了解到中心軸的數值沒有的情況下，線性分布形式中的坐標軸上所呈現出的曲線意義為外邊緣的數值最大，了解以上相關信息后就能夠總結出Lame公式并進行下一項的計算模式。

2.3 得到最大等效應力

通過總結出有關鉆井時循環方向上正應力的計算公式，即Lame公式，可以計算出鉆柱時所受到的內、外液體所引發的壓力造成的循環方向上的正應力，再通過鉆柱允許使用應力與等效應力之間的比較來明確好鉆井時作用力的強度。定向井和水平井的井壁截面中要沿著井壁較厚的方向進行研究，經研究發現在不同作用點的井壁厚的方向上，等效應力也是不同的。相關工作人員可以通過程序將鉆柱平均分為十份，分別計算出各個作用點的等效應力，選出最大值作為該截面的最大等效應力。

三、水平井的摩阻和鉆研分析

3.1分析鉆具失效的風險

水平井底部的鉆具組合有其特殊的組成構成模式，還有其特殊的造斜能力，這些都是水平多分支井鉆柱設計優化的關鍵之處。在相關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持續“輸出”的狀態，不會因為鉆柱的疲勞而變得不能夠使用。并且隨著鉆壓施工過程中的具體實施方案的產生，工作人員會發現水平段會持續的延長，同時還會受到當地地質的導向影響，就會導致水平井的井眼全角的變化程度變大，最終就會導致在人為鉆研時摩阻和扭矩呈現不穩定狀態，提高了鉆具不受控制、失效的風險程度。

3.2 計算出水平井的摩阻數值

在側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影響到水平井井壁與鉆柱之間的正接觸壓力以及接觸時產生的摩擦阻力大大提升。相關工作人員為了能夠降低水平井在側鉆時出現的摩擦阻力對鉆井的影響，也是為了減少巖屑床的產生，保障好鉆進工作的安全進行，可以通過分析和研究水平井眼鉆井，并且計算出相關的摩擦阻力數值，最終得出鉆井時摩擦阻力的微分方程。通過實際的勘測和測量數據代入到微分方程中，最終計算出水平井和它分支井在起鉆和下鉆過程中的鉆柱總體摩阻數值。

四、定向井、水平井的結論分析

水平井的分支井有著較高彎曲井段的存在，這是根據對分支井綜合體系的綜合具體分析出來的。這些較高彎曲井段就會讓水平井鉆柱與其井壁兩者之間所相互接觸的接觸面產生的正壓力與摩擦阻力變大。如果對鉆柱進行微小位置的平衡分析，就能夠總結出在水平井和其分井之間開始打鉆和下鉆時產生的鉆柱的總體摩擦阻力數值。

通過這些實際操作，我們可以了解到水平井及其分支井井眼的鉆井，如果能夠計算出較為具體且準確的摩擦阻力數值，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，在工作人員進行鉆壓的過程中摩擦阻力的數值都會存在一個重要的地位。

五、結束語：

隨著鉆井新技術和我國科學技術的不斷發展，水平井和分支井等鉆井技術都已經得到了我國社會的高度重視，如今我國科技人員應當研究好鉆柱的力學來進行對鉆井力學的合理分析。

參考文獻：

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