第十四章 钻具扭矩/摩阻模型

钻具扭矩/摩阻模型分析轴向和扭的载荷的复杂现象，并且钻柱扭矩和摩阻的发展是由他们在孔眼中起上、起下开始的。对于压缩载荷，易产生(1)正弦屈曲，(2)螺旋屈曲，(3)预屈服。这个模型被广泛的用于侧钻、水平井和大位移井的设计与监测上。他也可以应用于套管、尾管或者管串的应用程序中。

14.1输入

14.1.1项目页面

钻柱扭矩/摩阻模型的项目输入页面与典型的DrillNET软件的项目页面类似。

14.1.2轨迹数据页面

钻柱扭矩/摩阻模型的轨迹数据页面与典型的DrillNET软件的轨迹数据页面类似。

14.1.3管柱数据页面

钻柱扭矩/摩阻模型的管柱数据页面与典型的DrillNET软件的管柱数据页面类似。

14.1.4井身数据页面

钻柱扭矩/摩阻模型的井身数据页面与典型的DrillNET软件的井身数据页面类似。

14.1.5参数页面

1)扭矩/摩阻操作模式。管柱的旋转对扭矩和摩阻有很大的影响。如果管柱以旋转的方式下入井筒中，那么轴向上的摩擦力会变的非常小。这是因为摩擦阻力导致在钻杆表面上某点的速度矢量反方向力。如果管柱边旋转边向轴向运动，相对于井筒管柱的速度是两个向量的和---轴向速度和旋转速度。

井底管柱的限制条件依赖于被模拟的操作。当管柱正准备下入井筒中(下钻或者钻进)，那么钻柱的底部处于压缩状态。当管柱起出井筒时，底部的钻柱处于拉伸状态。对于钻进或钻柱旋转，在底部的钻柱扭转的负荷值模拟出了从钻头到BHA的扭矩。对于每一种模拟操作，下面列出了影响底部管柱的条件范围因素。

2)作业深度。为当前的分析定义起始和结束深度的操作范围。这个范围将会影响显示在输出图形中的数据。在输出图形和表单中，描述了BHA和表面的条件，结果只会为这个定义深度范围而显示。其他的输出概括了所有沿着钻柱的载荷条件，并且他包含的数据是在地表(深度=0米)到终点MD的值之间。

3)BHA的扭矩/摩阻载荷。输入可操作的参数和载荷到底部钻具组合中。BHA的扭矩和摩阻值通常是工程判断，要么是基于一个光滑的钻柱与一个包含BHA或者类似组件两者之间在表面读数的不同。这些值主要用于带有扶正器或者是下入井时收缩而上起时展开推靠臂的录井工具中。

BHA的扭矩和摩阻是在底部的钻柱的限制条件。他们代表了从BHA作为起始点沿着钻柱向上扭矩和摩阻的计算。

4)游车重量和泥浆密度。泥浆的密度影响钻柱的浮力和表面大钩的载荷。游车的重量是自身重量，从大钩载荷中减去游车的自重得到实际钻具的重量。

5)起下钻的扭矩/摩阻和钻进速度。钻进和起下钻时，钻柱的轴向和旋转的速度影响大钩的载荷。如果您想评估钻进和起下钻操作，那么输入这四个参数。否则，您可以使这四个参数为零，表示您不需要他们。如果选择的操作是起下钻/钻进，并且钻柱的转速输入的是零时，随着钻具的扭矩增量将也会是零。

14.1.6参数选择页面

1)屈曲模型选项。为评估正弦和螺旋屈曲准则提供了三种模型，请选择其一。这些模型基于各自使用不同的推导和假设而产生了不同的结果。

2)扭矩/摩阻的设计系数。设计的系数包含了抗拉和抗扭强度限制的计算。这些都是按照管子强度的比率来加载的。例如，2.0的设计系数意味着他的工作范围将被设置在最终拉应力和扭力极限的一半。

选择“考虑螺旋屈曲摩擦力”是考虑到压缩力引起螺旋屈曲。这些力的径向部分推钻柱靠近井壁。额外的侧向力将会导致摩擦力的增加。如果摩擦力很大，那么钻具很容易自锁。

选择“考虑弯曲刚度”是考虑到井眼轨迹曲线部分的钻具刚度的影响。传统的软绳扭矩和摩阻的模型假设了钻柱上的载荷仅仅产生于重力的效果，而钻柱的摩擦力是由钻柱与定向井眼井壁之间的接触产生的。如果您没有勾选这个操作，那么程序默认使用软绳模型(如果钻具的刚度不会影响计算)。对于一个短半径的定向井，如果钻柱具有高的抗弯刚度，在井眼和钻柱之间的产生的法向应力是非常巨大的，这个抗弯刚度效果是不能忽视的。如果您考虑到钻柱的刚度，请勾选这个操作，在扭矩和摩阻计算中包含抗弯刚度的影响。

钻柱扭矩/摩阻模型的输出包含以下三个结果标签：

1、小结---显示关键屈曲参数的值。

2、图形/表---一个典型的DrillNET软件多功能输出窗口，允许一个或者多个图形的输出。

3、扭矩/摩阻图---结果与深度扭矩/摩阻的多参数对比图。

用户现在扭矩和摩阻图表中通过点击任何一副图表下面的图列中已显示的曲线来选择需要的曲线。当曲线要么重叠或者非常接近时导致曲线之间模糊不清，那么使用这种方法是非常有效的。简单在图列中勾选您要追踪的曲线即可。

在勾选了所需要的曲线后，扭矩/摩阻曲线图表只会显示您仅选择的项目，这样允许用户生成自己喜好的曲线图表。

经过选择后的扭矩/摩阻图表显示出用户指定的曲线。

扭矩/摩阻输出形式：

用于显示数据的两种主要的形式：

1、静态“快照”的形式。在特定的时间和条件下沿着钻柱变化的测量井深对应着不同的钻具负荷(当BHA在您感兴趣的井深时，他是钻柱上的载荷快照)。

2、一个动态的操作形式。随着BHA在完成起下钻操作时的地面和BHA的历史载荷记录(他是地面的载荷历史记录)。

例如，当选择了“旋转钻进时”时，输出的图形/表格标签中包含下面的操作模式：

1、轴向力---旋转钻进。这幅静态形式的图形显示了当BHA在感兴趣深度时的载荷条件下的图形。

2、轴向扭矩---旋转钻进。这幅静态形式图显示了当BHA在感兴趣的井深时沿着整个管柱的转矩载荷条件下的图形。

3、大钩载荷---旋转钻进。这副动态形式的图形显示了悬重在操作页面中指定的整个操作范围中移动变化的图形。

4、地面扭矩---旋转钻进。这幅动态形式的图形显示了BHA在操作页面中指定的整个操作范围内移动时在地面的扭矩变化图。

5、静态计算表。这张表单总结了当BHA在您感兴趣的井深时，沿着整个管柱的扭矩、摩阻和屈曲发生的极限条件。

6、动态计算表。这张表单总结了在操作页面中指定操作的整个范围内在每一个井深处的悬重和地面扭矩的变化值。

注意：单独的图形和表格标题的改变是随着被选择的当前操作模式而变化的。

14.2特殊功能

14.2.1工具条图标

当钻柱的扭矩/摩阻模型被选择时，系统为用户提供了特殊的工具条图标。这些特殊的图标包括：

敏感性分析。为了分析改变了个别参数后，而其他参数仍保持常量时相对影响而打开一个敏感性分析窗口。

安全余量分析。打开一个安全余量分析窗口，为了分析安全操作的载荷范围(扭矩和钻压)，和随着载荷的增加管柱的强度是如何发展的。

屈曲分析。打开一个屈曲分析窗口，为了能观察在您指定的操作过程中屈曲的累积变化。您同样可以增加/减少钻压来评估他对屈曲的影响。

滑轮分析。打开一个功能窗口，使用他基于指重表的度数和他的相关操作的载荷值来计算滑轮效率。

14.2.2敏感性分析窗口

敏感性分析窗口是一个次级输出窗口，用他来分析当改变个别的参数，而其他参数仍保持恒定时的结果相对影响。对一个特殊的操作中确定哪一个参数是至关重要的，这种分析类型是非常有用的，因此，需要认真的监测，也需要更多精确的测量来确保现场设计操作的成功。相反，其他参数可以发现没有什么影响，并且不需要严格的优化处理。通过点击图标来访问这个窗口。

1)扭矩/摩阻敏感性输出表格和图形。敏感度结果被总结到两张图表中。当BHA在终点测深时，图形对于三个敏感性参数(低、中、高)，可以是沿着钻柱的扭矩、摩阻的快照视图，也可是相对于选择的敏感性参数来说，在地面的载荷与扭矩的“悬重和地面扭矩”视图。

编辑敏感性图形

编辑菜单可以很容易通过在任何图形上右键鼠标来访问。除了可以打开一个包含有一张图形的单独窗口外，您可以导出一副图形和他的数据到Excel文件中为将来分析使用。

2)扭矩/摩阻敏感性变量。在“计算设置”下选择一个参数来改变他而其他的参数保持恒定。为选择的参数变化的范围输入最大、最小值。其他参数使用的常量被分配给默认值，在主要的输入页面相对应的参数也被分配默认值。

为了分析敏感度，所考虑的参数在定义的范围内变化，每一步执行一次增量增加和计算操作。

3)摩擦系数和重量校正提示。对于钻柱的个别部分，这些下拉列表框帮助回调摩擦系数和校正重量数据。如果您点击了列表中任何的管柱部分，相对应的摩擦系数或者校正管柱的重量将会从主要的窗口复制到敏感性变量的输入表单中。

14.2.3安全余量分析窗口

安全余量分析窗口通过点击图标来访问。安全余量分析窗口对于增加钻井工程师的安全载荷的知识范围，和管柱的强度随载荷的增加是如何变化的非常有帮助。在确定了模式和选定了所要考虑的参数后，程序计算在初始低载荷下管柱的状态。然后，扭矩或者钻压被逐步的增加，直到其中一个机械极限被超越。在每一次增量计算后图形被迅速的更新，这样就致使图形动态的显示。被超越的极限值通过在窗口顶部的文本框中表示出来。

1)安全余量的结果。所有数据被输入以后，点击【计算】按钮开始顺序动态计算。当动画终止时，与极限条件下的曲线接触的第一个点被描述在窗口顶部的文本框中(管柱的某段、对应的深度和载荷)。在地面和钻头上的相对应的条件被总结在【计算】按钮之上的输出表单中。

图形为钻柱和管柱当前的载荷状态显示了明确的极限范围。当程序执行计算操作，钻柱曲线(蓝色)将会逐渐向右侧移动(拉伸与扭转)，或者朝向左侧(屈曲)移动，直到他接触到极限条件下的曲线。

2)安全余量检查选项。考虑到四种不同的状态，对于任意单独的操作模式，除了一个可用其他三个都不能使用。选择其中一个可用的参数，点击【计算】来执行这个分析操作。

3)安全余量边界条件。启动扭矩和摩阻的边界条件，您也可以直接指定扭矩和摩阻。如果您没有合适的值，那么这个数据可以从零开始。

在连续计算中，扭矩的增量和轴向载荷的增量的值，他是扭矩或者重量对于每一次计算所需要的增量值。

14.2.4屈曲分析窗口

通过点击图标来打开这个窗口。作业动态模拟窗口用于可视化和评估连续油管操作期间屈曲模型的发展状态。在这窗口中的第二个功能可以用来衡量增加/减少底部重量对于屈曲的影响。

作业动态模拟

作业动态模拟展示了一个随着钻柱下入井眼过程中的钻具屈曲和地面钩载的状况动态仿真动画。右侧的二维井眼轨迹视图显示了BHA的位置和管柱的当前屈曲状态。

【开始】按钮清除了图中的数据，并且钻柱从地面开始下入井筒中。【暂停】按钮在当前井深处停止动画。【继续】按钮是在暂停后在当前深度恢复动画的模拟。【停止】按钮被用来在任意点处结束动画模拟。

您可以通过输入一个新的值到“底部载荷”文本框中来改变BHA上的载荷(例如：钻压)。

底部载荷变化

底部载荷变化分析被用来评估钻压的改变对钻柱在屈曲状态的影响。这项功能可以用来确定在管柱开始屈服前(或者超出设备能力的极限)，有多少储存的能量对于钻头是可用的。

地面负荷、底部负荷(钻压)和重量的增量都被显示出来。每一次您点击图标，底部载荷将会以您定义的增量值增加或者减少。底部载荷和重量的增量同样可以被直接编辑(白色背景的文本框来表示)。在每一次参数被改变后，图形会自动的更新。

14.2.5滑轮分析窗口

在指重表度数和实际操作的载荷上，为了计算滑轮效率系统提供了一个特殊的功能。在指重表的度数和滑轮效率上计算实际起下钻的载荷。通过点击图标来访问这个窗口。

滑轮效率计算

如果指重表和实际起下钻过程的载荷是已知的，则滑轮效率计算器可以用来计算滑轮效率。这个效率范围是从0到1之间，他是一个通过一个单独的滑轮除以举行他需要的合力(包括摩擦力)得出的举升重量的比率值。对于一个无摩擦力的滑轮，e=1。API在计算的基础上得出e=0.96。另一位研究者Crake得出e=0.97。

从下拉列表框中选择绳数。根据您的喜好，选择“摩擦”或者“无摩擦”。对于无摩擦条件，死绳是固定的，并且钻机上的摆动假设消除了任何在死绳滑轮上的残余摩擦力。死绳的滑轮一般不会晃动，是因为死绳的强度和死绳的挠度导致。这些运动会引起死绳滑轮的轻微旋转，并且导致一些摩擦力(这是选择“摩擦”的情况下)。

在所有参数输入后，点击【计算】按钮。

指重表读数

如果指重表读数和滑轮效率已知，指重表读数计算器可以用来评估实际的起下钻载荷。从下拉列表框中选择绳数。根据您的喜好，选择“摩擦”或者“无摩擦”。对于无摩擦的情况，死绳是固定的，钻机的晃动假设在死绳滑轮上消除任何残留的摩擦力。这些运动会引起死绳滑轮的轻微旋转，并且导致一些摩擦力(这是选择“摩擦”的情况下)。

在所有参数输入后，点击【计算】按钮。点击【敏感性图形】来浏览滑轮效率与实际载荷之间的关系。

图示

一副示意图显示了在滑轮效率计算中被使用参数的定义。

《本章结束》