大位移井钻柱屈曲分析与极限延伸预测

大位移井作为一种经济有效的开采手段正在我国广泛使用。钻水平位移4000m的大位移井是国外大位移井起步的经验，是钻井设备能力和钻井技术的综合体现。而我国还没有突破万米的大位移井。那么，大位移井究竟能打多长，又受什么因素制约呢？因此，对大位移井的极限延伸展开研究，为大位移井的钻井极限进行预测以及合理进行工程设计，减小钻井风险提供一定的理论指导。 在大位移井中，由于受井身剖面、井眼净化、钻柱结构、钻井液性能、岩石可钻性等的作用，会影响钻柱的延伸能力。因此大位移井钻井有其客观的延伸极限，并受多种因素制约。而井眼情况的任何变化均会以摩阻变化方式表现出来，如井眼的清洁状况（清洁正常、岩屑床、井壁掉块坍塌等），井眼平滑度以及地层岩性的变化等均会以钻具摩阻的变化方式反映出来。大位移井的极限延伸能力最终取决于摩擦问题的解决程度，因此大位移井钻井技术最终也演变为如何克服摩阻完成各种专业化作业。 因此，要想准确预测大位移井的延伸能力，必须要深入地研究钻柱在井下的摩阻扭矩情况，而钻柱屈曲是摩阻扭矩计算的重要组成部分，它在很大程度上决定了摩阻扭矩的计算精度，且钻柱屈曲后，失稳严重会导致钻柱自锁，限制大位移延伸能力。可见，准确的预测钻柱在井下的实际工作状态，判断钻柱是否屈曲，确定屈曲钻柱的力学特性十分重要。通过本文研究，取得了下面一些成果： 首先，以钻柱为研究对象，考虑钻柱与井壁之间的摩擦力、钻柱自重等影响，研究了钻柱在三维弯曲井眼中的屈曲行为，推导了屈曲变形微分方程。 其次，通过求解屈曲方程，得到了临界屈曲载荷、三种不同平衡状态下的解、钻柱所受载荷的分布规律，给出了屈曲钻柱正压力、摩阻扭矩等的计算方法，为更精确的预测摩阻扭矩提供了方法。 再次，考虑钻柱屈曲稳定性的影响，屈曲钻柱摩阻扭矩，从岩石破碎理论、强度和稳定性条件限制等方面，建立大位移井钻井延伸极限预测模型，给出计算方法；并对大位移井延伸极限的影响因素的影响规律进行分析。 最后，应用本文计算钻柱载荷、应力的计算方法和延伸极限预测模型对两口水平井进行了预测分析。计算结果表明，本文计算方法和研究能够满足钻井设计及现场施工要求。本文研究为提高大位移井的延伸能力提供理论参考，对于大位移井延伸钻井具有重要的指导意义。