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如何看待石油鑽探中的力學問題?

如何看待石油鑽探中的力學問題?

發布日期:2020-05-05 作者:翊成網絡z 點擊:

  石油和天然氣是一種流體燃料,如同煤炭固體燃料一樣,也是現代工業的主要能源。

  油、氣層通常埋藏在地下深達數千米的部位,必須采用鑽井開采。鑒於鑽出的井眼是貫穿油、氣層和地麵的唯一通道,井眼形式的設計和井眼軌跡的控製就成為鑽井工程的關鍵問題。根據地形和地質構造的不同,井眼形式先後出現了直井、定向(叢式)井、水平井和多底(分枝)井等形式,其中定向井應用廣泛。定向井的井眼軸線是一條複雜的任意曲率和撓率的三維空問曲線,這就給鑽具結構的設計、製造和運轉提出了諸多複雜的力學難題。

  井眼開挖是通過鑽具帶動鑽頭的旋轉或滑移向深部推進的。鑽具的大部分是由鑽柱(鋼鑽管、截麵為厚壁圓環)構成的,它是地麵設備與井下鑽頭的唯一連接體。鑽具的功能是:一方麵由其內孔輸入鑽井液,經鑽頭由環空(鑽柱與井壁的間隙)輸出,完成鑽井液的傳輸工作;另一方麵,鑽具作為載體將荷載傳遞到鑽頭,提供鑽頭破岩時所需的鑽壓和扭矩。當鑽具運轉時,鑽柱一邊繞自身的軸線自轉,一邊繞井眼的中心公轉,其側麵與井壁產生碰撞接觸。由此可知,鑽柱的變形運動和受力狀態非常複雜。



  為了安全可靠地鑽出高質量的井眼,鑽井工程務必要解決下列與力學分析有關的關鍵技術問題:

   (1)在確保鑽出預先設計井眼軌道的諸多環節中,鑽具結構的設計、造斜性能的計算和井下專用工具的研製是關鍵,這就需要弄清鑽頭和下部鑽具的受力變形狀態,優化鑽具組合,確定鑽井的工藝參數(如鑽壓、轉速等)。解決這些問題的基礎是下部鑽柱(bottomholeassembly,BHA)力學的分析與應用。

  (2)為了確保鑽頭具有足夠鑽壓和扭矩進行破岩鑽井,必須分析、確定整體鑽柱摩擦阻力的分布規律,優化鑽柱的結構和井眼的形態。此項任務目前主要通過整體鑽柱的靜力學分析來完成。

  (3)為了確保鑽柱的安全可靠性,必須弄清鑽柱的動應力分布規律,進而預測鑽柱的疲勞強度。這就提出了整體鑽柱進行動力學分析以及疲勞強度預測的力學研究課題。


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