[发明专利]一种动态摩阻扭矩计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种动态摩阻扭矩计算方法，基于全井服役管柱系统动力学的动态摩阻扭矩计算方法，利用有限元法实时模拟计算处于复杂工况的服役管柱的动力学行为特性，通过管柱的轴向力、接触力、摩擦力和扭矩等参数分析评价管柱的摩阻扭矩。本发明可为现场施工的钻井设计、管柱组合设计、钻井参数优化、设备选型和实时监测与控制井眼轨迹质量、评价钻探井的极限延伸能力等提供参考。本发明可广泛应用于石油天然气和煤勘探开发领域中。

背景技术

石油天然气的钻探开发难度随着资源的匮乏日益增加，受地域条件的限制，大斜度井、大位移井、水平井的数量增多。由于井身结构的复杂性，导致在钻探过程中处于狭长的井筒中的服役管柱所表现出的动力学行为高度复杂，摩阻扭矩、管柱磨损、井眼延伸等问题日益突出。如何解决摩阻扭矩的研究深度与油井日益严峻的勘探开发形式之间的落差，揭示管柱动态特性下的摩阻扭矩规律，提高计算精度，成为现场迫切需要解决的难题。

在井眼轨迹设计阶段，进行管柱摩阻扭矩分析，可以有效的减小管柱受到的摩擦扭矩、摩擦阻力、管柱与井筒之间的接触力，规避作业风险；在钻探阶段，对管柱的摩阻扭矩进行分析，有助于监测评估井眼状态，实时调整井身质量；在固井阶段，对摩阻扭矩进行分析可用于指导固井套管的下入。

但由于管柱与井筒之间的碰撞、摩擦是管柱动态运动的体现，涉及整个井下系统包括服役管柱、井筒、钻头与岩石互作用等方面，计算难度极大，加之管柱与井筒之间的接触具有高度的随机性和非线性，理论研究难度也非常大。目前鲜有研究动态行为下管柱受到的摩阻扭矩理论与采用全井系统动力学计算动态行为下管柱受到的摩阻扭矩。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于全井服役管柱系统动力学的动态摩阻扭矩计算方法来提高管柱摩阻扭矩计算的精度，为现场决策和方案的实施提供理论支持。本发明还能为现场工程师解决钻井设计，优化管柱组合，寻求合适的钻井参数，优选井眼轨迹等问题提供解决方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种动态摩阻扭矩计算方法，首先建立基于全井服役管柱系统的有限元数值模型，对数值模型施加边界条件后采用有效的算法进行计算分析狭长井筒中的服役管柱受到的摩阻扭矩。其特征在于，所述的基于全井服役管柱系统动力学的动态摩阻扭矩计算方法包括以下步骤：

步骤1、根据设计需要建立全井井筒和服役管柱组合相对应的实体模型，采用有限元法数值化、离散全井管柱系统，得到有限元网格模型；

步骤2、针对模拟的工况条件，赋予有限元数值模型的物理属性，定义服役管柱的边界条件；

步骤3、结合动力学方程与管柱-井筒的互作用模型描述管柱动态行为下受到的摩阻扭矩方程；

步骤4、运用有效的算法对上述所建立的全井服役管柱系统数值模型进行非线性动力学瞬时响应计算，计算全体管柱受到的摩阻扭矩，并提取摩阻、扭矩瞬时值等参数绘制曲线进行评价分析；

所述的井筒和管柱组合模型是根据设计和现场钻探的三维井眼轨迹建立的，井筒横截面的大小是根据井身结构建立的。

所建立的有限元网格模型具体如下：采用四节点三维双线性刚体壳单元对钻头和井筒划分网格，采用两节点三维线性梁单元对管柱划分网格，采用八节点线性六面体单元对岩石划分网格。

所述管柱-井筒的互作用采用赫兹理论和弹簧阻尼系统联合求解管柱与井筒之间的接触力。

所述管柱的下端边界条件采用钻头与岩石的互作用模型实时模拟钻进。

所述计算数据包括管柱的轴向力、接触力、摩擦力和扭矩。