[发明专利]基于相似度理论的复杂结构井动态摩阻扭矩计算方法

说明书

本发明公开了基于相似度理论的复杂结构井动态摩阻扭矩计算方法，首先建立标准井的全井钻柱系统相对应的动力学模型，采用有限元法计算钻柱受到的动态摩阻扭矩，将计算数据采用插值方法进行扩展到更广泛的井斜角跨度；其次采用有限元动力学模型计算力学参数对摩阻扭矩计算结果的影响，量化各力学参数在摩阻扭矩计算结果上所占的比率，形成数值规律；匹配与模拟井相似的标准井，评估标准井与模拟井之间的相似和差异处；最后将模拟井与标准井之间的相似和差异处转化为计算数值，通过线性叠加法得到模拟井的计算结果；本发明方法解决目前基于有限元法钻柱摩阻扭矩计算方法存在的计算速度较慢，现场应用受阻的问题。

技术领域

本发明涉及石油钻采领域，特别是一种基于相似度理论的复杂结构井动态摩阻扭矩计算方法。

背景技术

在复杂结构井钻井过程中，旋转的细长钻柱在钻头—岩石以及钻柱—井壁之间的接触作用影响下其运动特性具有非线性，表征出复杂的动力学特性。耦合的横向—轴向—扭转振动是钻柱疲劳失效和非规则井眼形成的主要原因。钻柱振动过程中将发生弹性失稳，发生弯曲，长时间与井壁处于动态接触状态，导致钻井作业中钻柱摩阻扭矩问题异常突出。摩阻扭矩过大，不仅使传递到钻头上的扭矩和钻压减小，钻井效率降低，而且还会加速钻柱系统的磨损。更为重要的是复杂结构井中钻柱的摩阻扭矩是制约井身向更远更深处延伸的关键因素。

鉴于复杂结构井中钻柱的动态特性和受力条件的复杂性，预测和分析钻完井过程中钻柱的受力状态以及摩阻扭矩成为必然趋势。随着数值计算的发展，建立全井钻柱系统数值模型对钻柱的动态行为进行模拟成为可能。有限元数值模型能精确的计算钻柱的振动频率、模态、轴向力、以及接触互作用，且不局限于井身和钻柱系统的结构。但拟现场化的数值模型往往包括全井钻柱系统的三维实体模型、复杂的边界条件、钻柱—井壁以及钻头—岩石接触模型，因此编制数值模型需熟练掌握钻柱力学体系理论，而且数值模型也需专门的计算机工作站花费较长时间进行运算处理。基于有限元法的钻柱摩阻扭矩分析模型的计算结果对于现场施工人员的使用与提取存在一定的难度，同时时间效率也阻碍数值模型的现场快速应用。

发明内容

对于复杂结构井，针对现有技术的不足，为了解决目前基于有限元法钻柱摩阻扭矩计算方法存在的计算速度较慢，现场应用受阻的问题，本发明提供了一种基于相似度理论的复杂结构井动态摩阻扭矩的快速计算方法。

为了达到上述的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种基于相似度理论的复杂结构井动态摩阻扭矩计算方法，首先对大量的标准井进行全井钻柱系统的动态摩阻分析计算，利用相似理论评估模拟井与标准井之间的相似性和差异性后，依托数值模型计算的结果数据形成的数值规律，通过数值规律量化相似处和差异处在摩阻扭矩计算结果上的影响数值，叠加影响数值与标准井摩阻扭矩计算结果实现对模拟的复杂结构井摩阻扭矩的高效快速计算。该方法具体包括以下步骤：

步骤1、建立标准井的全井钻柱系统相对应的动力学模型，采用有限元法计算钻柱受到的动态摩阻扭矩，将计算数据采用插值方法进行扩展，使标准井的井斜角跨度更为广泛；

步骤2、采用有限元动力学模型计算力学参数对摩阻扭矩计算结果的影响，量化各力学参数在摩阻扭矩计算结果上所占的比率，形成数值规律；

步骤3、匹配与模拟井相似的标准井，评估标准井与模拟井之间的相似和差异处；

步骤4、将模拟井与标准之间的相似和差异处转化为计算数值，通过叠加法得到模拟井的计算结果。

进一步的是，所述的标准井全井钻柱系统动力学模型是依据井斜角按一个角度范围选取的复杂结构井的光滑井眼轨迹和现场常使用的钻具组合建立的，井筒截面按照钻头的大小和井眼扩大率建立的。

进一步的是，所述插值方法采用最小二乘法。

进一步的是，所述力学参数包括井身长度、井斜角、方位角、钻具组合、摩擦系数以及钻井参数。