一种动态摩阻扭矩计算方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 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：
[0007] 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；
[0008] 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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012] 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。
[0013] 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。
[0014] 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。
[0015] 所述计算数据包括管柱的轴向力、接触力、摩擦力和扭矩。
[0016] 本发明由于采用以上技术方案，其具有以下优点：（1)本发明以钻头与岩石的实时 互作用模型作为管柱的下端边界条件，综合考虑了管柱的三向纵横扭耦合的动力学行为特 性，将管柱与井筒之间的接触视为管柱动态运动过程中的一部分，是一种动态计算方法，是 一种新型的计算方法，能真实的反映现场实际的钻井工况以及井下服役管柱系统实时钻进 破岩过程中与井筒之间的互作用，具有较高的计算精度。（2)本发明没有采用管柱单元紧贴 下井壁和管柱所受到的摩阻力沿井身长度均匀分布的假设，而是将管柱与井筒的碰撞摩擦 处理成随机边界，管柱与井筒的形态可为接触状态或者分离状态，管柱可于井筒井壁的各 个方位接触，对于管柱贴于上井壁也是成立的，此外还能得到管柱动力学方面的参数辅助 摩阻扭矩分析。（3)本发明可以通过改变不同的钻井工况条件、钻井参数、管柱组合等参数 优化计算结果，从而为现场解决钻井设计、管柱组合优化、钻井参数优化等问题提供参考依 据，本发明可广泛的应用于石油天然气和煤的勘探开发领域中。
【附图说明】
[0017] 图1是本发明基于管柱-钻头-岩石-井筒的全井系统动力学的摩阻扭矩计算方法 的总流程图。
[0018] 图2是本发明基于管柱-钻头-岩石-井筒的全井系统的有限元数值模型。
[0019] 图3是管柱截面在井筒截面内的运动方式。
[0020] 图4是管柱与井筒接触示意图。
[0021]图5是使用本发明实时模拟的钻井破岩得到稳定状态后2s时刻岩石破碎图。
[0022] 图6是使用本发明计算得到的全井管柱在2.5s时刻与井筒之间的接触力图。
[0023] 图7使用本发明计算得到的管柱节点在2.5s时刻与井筒之间的接触力图。
[0024] 图8是使用本发明计算得到的全井管柱的大钩载荷图。
[0025]图9是使用本发明计算得到的全井管柱的摩擦力图。
[0026]图10是使用本发明计算得到的全井管柱的扭矩图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图对本发明作进一步的说明和阐述。
[0028] 本发明是一种基于全井服役管柱系统动力学的摩阻扭矩计算方法，通过有限元法 离散数值化全井系统，采用显示积分算法模拟计算处于复杂工况下全井管柱的摩阻扭矩 值。主要由三部分构成，首先建立基于全井服役管柱系统的有限元数值模型，然后对数值模 型施加边界条件，最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：
[0029] 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。
[0030] 在利用动力学对管柱的摩阻扭矩模拟计算时，首先要建立包括井筒、管柱、钻头与 岩石的网格模型，图2为本发明所建立的有限元仿真的网格模型。本发明的有限元模型中的 各部件的三维实体模型都是通过三维CAD建模软件建立的，网格模型采用有限单元法离散 实体模型。在建立全井井筒、服役管柱的三维空间梁模型的时候，应被考虑为计算所需的三 维轨迹，对设计或者测斜散点采用曲率半径法计算相对应井深处的三向坐标，然后采用三 次样条插值方法将坐标转化为空间曲线，还原井筒中心线，根据还原的三次样条线构建井 筒、管柱组合模型，同时还可以采用根据随机方法模拟得到的经钻探后的井眼轨迹，井筒的 构建需要考虑套管段的下深和裸眼井段的扩大率，根据相应深度处井眼截面的大小建立相 对应的井筒数值模型。
[0031] 本发明主要采用以下方法离散系统部件的三维模实体模型。采用四节点三维双线 性刚体壳单元R3D4对钻头和井筒划分网格，采用两节点三维线性梁单元BEAM31对管柱划分 网格，采用八节点线性六面体单元C3D8R对岩石划分网格。
[0032] 在划分管柱、井筒单元的时候，应选取合适的单元尺寸对全井系统进行离散，在进 行单元划分时，且要选用合适的增量步时间，过小的步长，意味着较多的分析过程，会大大 增加计算量。过大的分析步长，可能会出现收敛问题，得到不可靠的结果。
[0033] 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；
[0034] 在建立好数值模型后，需要各个部件的物理属性对相对应的数值模型部件赋予物 理属性。管柱模型由于采用梁单元构建，需要根据管柱的截面规格赋予有限元模型中梁单 元的截面形状，对于不同段的截面尺寸，采取在有限元梁上分段处理，同时也可以将管柱的 接头考虑为一段截面大小不同于管柱本体的梁元，在管柱上安装的降摩减扭的工具也采用 相同的处理方式。
[0035] 管柱在井下振动的边界条件主要有:上端边界条件、下端边界条件，上端管柱节点 的横向位移和横向转动角度为零，转速恒定，扭矩是波动的，并加入上提力模拟大钩对管柱 的拉力;在管柱的下边边界中，引入了钻头与岩石互作用，管柱的下端边界采用钻头实时破 岩来模拟管柱下端钻压，模拟钻进