一种水平井摩阻扭矩计算方法及装置与流程

本发明涉及油气钻井工程，尤其涉及一种水平井摩阻扭矩计算方法及装置。

背景技术：

1、在水平井与大位移井的钻井、完井作业中，管柱与井壁之间的接触关系复杂，摩阻扭矩预测是保障作业安全、高效的核心环节。中国专利cn 105701299 a公开了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。现有技术主要存在以下不足：

2、1.接触点预设局限：传统纵横弯曲梁法需预先指定接触点，易因假设不合理导致计算误差或不收敛；部分方法采用虚拟接触点，但对接触状态的动态演化及刚度耦合考虑不足。

3、2.摩阻系数静态化：多数模型将摩阻系数视为常数，忽略其随井眼曲率、管柱刚度、岩屑床及钻井液流变参数的动态变化。

4、3.屈曲与摩阻耦合不足：现有摩阻模型对管柱正弦屈曲、螺旋屈曲引发的附加接触力与摩阻增量刻画不充分，导致深井、超深井及复杂井眼轨迹下的预测精度偏低。

5、4.全工况覆盖不足：针对滑动钻进、旋转钻进、管柱下入/起出等不同工况的差异化计算模型与参数识别方法有待完善。

6、针对上述问题，急需提出一种动态接触与多物理场耦合的摩阻扭矩计算方法，以提升预测精度与工程适用性。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种水平井摩阻扭矩计算方法及装置，本发明提供如下技术方案：

2、本发明提供了一种水平井摩阻扭矩计算方法，所述方法包括，

3、将目标井中的管柱离散为若干单元，并获取每个单元的管柱-井眼数据；

4、基于各单元的管柱-井眼数据，构建各单元对应的动态接触的纵横弯曲梁有限元模型；

5、计算每个动态接触的纵横弯曲梁有限元模型对应的接触正压力；

6、基于所述动态接触的纵横弯曲梁有限元模型和管柱-井眼数据，构建各单元对应的动态摩阻系数计算模型；

7、基于所有动态接触的纵横弯曲梁有限元模型对应的接触正压力和动态摩阻系数计算模型，构建目标井摩阻扭矩计算模型；

8、基于所述目标井摩阻扭矩计算模型计算目标井的摩阻扭矩。

9、进一步的，管柱-井眼数据包括井眼轨迹数据、管柱结构参数、钻井液参数和地层参数，其中，

10、采集井眼轨迹数据包括井深、井斜角、方位角、井眼曲率；

11、管柱结构参数包括管柱钢级、管柱壁厚、管柱长度、接头尺寸；

12、钻井液参数包括密度、黏度、流变模型；

13、地层参数包括井壁粗糙度、岩屑床厚度。

14、进一步的，计算每个动态接触的纵横弯曲梁有限元模型对应的接触正压力，包括：

15、基于管柱刚度参数，计算动态接触的纵横弯曲梁有限元模型中的各单元对应的位移向量；

16、基于动态接触的纵横弯曲梁有限元模型中的各单元对应的位移向量，判断动态接触的纵横弯曲梁有限元模型中的各单元的管柱与井壁的是否接触；

17、当各单元的管柱与井壁的接触时，计算该单元的虚拟弹簧的法向接触反力；

18、基于井眼曲率，判断管柱屈曲类型，所述管柱屈曲类型包括直线或未发生屈曲、正弦屈曲和螺旋屈曲；

19、基于管柱屈曲类型，获取各单元对应的屈曲引发接触力；

20、对各单元的虚拟弹簧的法向接触反力和各单元对应的屈曲引发接触力求和，得到动态接触的纵横弯曲梁有限元模型中的各单元的接触正压力。

21、进一步的，基于管柱刚度参数，计算动态接触的纵横弯曲梁有限元模型中的各单元对应的位移向量包括：

22、基于管柱刚度参数，建立动态接触的纵横弯曲梁有限元模型中的各单元对应的力学平衡方程；

23、基于所述力学平衡方程，计算获取动态接触的纵横弯曲梁有限元模型中的各单元对应的位移向量。

24、进一步的，动态接触的纵横弯曲梁有限元模型中的各单元对应的力学平衡方程的计算公式为：

25、

26、式中，为第i单元对应的刚度矩阵；为第i单元对应的位移向量；为第i单元对应的外载荷向量；为第i单元对应的井壁接触反力向量。

27、进一步的，基于动态接触的纵横弯曲梁有限元模型中的各单元对应的位移向量，判断动态接触的纵横弯曲梁有限元模型中的各单元的管柱与井壁的是否接触,包括：

28、当时，为真实接触，激活虚拟弹簧；

29、当时，为虚拟接触，虚拟弹簧失效；

30、式中：为第i单元对应的位移向量；为井眼半径；为管柱外径。

31、进一步的，当各单元的管柱与井壁的接触时，计算该单元的虚拟弹簧的法向接触反力的计算公式为：

32、

33、式中：为第i单元对应的虚拟弹簧的法向接触反力；为虚拟弹簧刚度系数；为第i单元对应的挠度穿透量，当真实接触时为；当虚拟接触时= 0。

34、进一步的，当ki＜时，管柱屈曲类型为直线或管柱未发生屈曲，屈曲引发接触力

ni,cr= 0；

35、当kcr≤ki＜时，管柱屈曲类型为正弦屈曲，屈曲引发接触力

ni,cr= （1.1~1.3）；

36、当ki≥时，管柱屈曲类型为螺旋屈曲，屈曲引发接触力

ni,cr= （1.5~2.0），

37、其中，

38、式中，ki为第i单元对应的井眼曲率，为第i单元对应的屈曲临界曲率；为第i单元管柱刚度；为管柱单位长度浮重；为第i单元对应的管柱长度。

39、进一步的，动态摩阻系数计算模型表示为：

40、

41、式中：为第i单元对应的动态摩阻系数；为基准摩阻系数；a、b、c、d为工况拟合系数；ki为第i单元对应的井眼曲率；为基准曲率；为第i单元管柱刚度；为基准刚度；为钻井液密度；为基准钻井液密度；为岩屑床厚度。

42、进一步的，目标井摩阻扭矩计算模型包括不同深度处的轴向载荷的计算子模型、不同深度处的扭矩载荷计算子模型和不同深度处的摩擦力计算子模型，其中，

43、轴向载荷计算子模型表示为：

44、

45、扭矩载荷计算子模型表示为：

46、

47、摩擦力计算子模型表示为：

48、

49、其中，

50、

51、

52、式中，为轴向载荷，为扭矩载荷,为摩擦阻力，为从测深d到单元序数的映射，为管柱钢材在钻井液中的浮重系数，为第i单元的质量，为钻进速度，为钻柱转速，为第i单元摩擦力;为第i单元摩阻扭矩;为第i单元动态摩擦系数；为第i单元接触正压力,；为第i单元摩擦力。

53、进一步的，所述方法还包括对摩阻扭矩计算模型进行优化，具体为：

54、当井筒滑动钻进井眼时，基于钻压与最大深度处的轴向载荷，反算滑动钻进的摩阻系数，其中，

55、所述滑动钻进的摩阻系数的计算公式为：

56、

57、式中，为不同深度处的轴向载荷；wob为钻压；为滑动钻进的摩阻系数；为第i单元接触正压力；和/或，

58、当井筒旋转钻进井眼时，基于井口扭矩与钻头扭矩，反算旋转钻进的摩阻系数，其中，所述旋转钻进的摩阻系数的计算公式为：

59、

60、式中，为井口扭矩；为钻头扭矩；为旋转钻进的摩阻系数，为第i单元总接触正压力，为第i单元的外半径/等效接触半径；

61、以滑动钻进的摩阻系数和/或旋转钻进的摩阻系数，重新带入到各单元对应的动态摩阻系数计算模型中进行迭代计算，不同深度处的轴向载荷和扭矩载荷，直到相邻两次迭代轴向载荷误差≤1%，扭矩载荷误差≤0.5%，迭代终止，输出目标井的摩阻扭矩，所述摩阻扭矩为摩擦阻力和扭矩载荷。

62、还提供了一种水平井摩阻扭矩计算装置，所述装置包括，

63、获取单元，用于将目标井中的管柱离散为若干单元，并获取每个单元的管柱-井眼数据；

64、第一构建单元，用于基于各单元的管柱-井眼数据，构建各单元对应的动态接触的纵横弯曲梁有限元模型；

65、第一计算单元，用于计算每个动态接触的纵横弯曲梁有限元模型对应的接触正压力；

66、第二构建单元，用于基于所述动态接触的纵横弯曲梁有限元模型和管柱-井眼数据，构建各单元对应的动态摩阻系数计算模型；

67、第三构建单元，用于基于所有动态接触的纵横弯曲梁有限元模型对应的接触正压力和动态摩阻系数计算模型，构建目标井摩阻扭矩计算模型；

68、第二计算单元，用于基于所述目标井摩阻扭矩计算模型计算目标井的摩阻扭矩。

69、本发明的技术效果和优点：

70、（1）动态接触更精准：虚拟接触点与增量位移逼近法避免了预设接触点的局限性，真实反映管柱与井壁的接触演化过程。

71、（2）屈曲耦合更充分：引入多物理模型与屈曲修正系数，量化屈曲引发的附加摩阻，提升深井、复杂井眼轨迹下的预测精度。

72、（3）全工况适应性强：针对不同作业场景建立差异化参数识别与计算流程，覆盖滑动钻进、旋转钻进等核心工况。

73、本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书以及附图中所指出的结构来实现和获得。