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连续管侧钻井力学特性分析与摩阻计算方法研究

一、连续管侧钻井力学特性分析

（一）连续管本体力学行为分析

1.屈曲特性与井眼轨迹耦合作用

连续管在侧钻井的复杂井眼环境中，其屈曲特性是影响作业安全与效率的关键因素。在实际钻进过程中，连续管会受到多种力的作用，其中井眼曲率、管柱刚度及轴向载荷对其屈曲形态影响显著。当连续管在弯曲井段作业时，随着轴向压力的增加，管柱首先会发生正弦屈曲，此时管柱在井眼中呈现出类似正弦曲线的形状。若轴向压力继续增大，管柱则会进一步发展为螺旋屈曲，其形态更为复杂，与井壁的接触状态也发生改变。

为深入研究这一现象，科研人员通过建立基于梁柱理论的力学模型，结合能量法来分析屈曲临界载荷。该模型充分考虑了连续管的材料特性、几何尺寸以及井眼的实际曲率等因素。以某实际侧钻井为例，该井的井眼曲率在特定井段发生明显变化，通过模型计算得出，当管柱轴向载荷达到一定数值时，管柱在该井段极易发生屈曲。进一步分析发现，屈曲后的管柱在与井壁接触部位产生了较大的接触应力，通过对这些接触应力分布规律的研究，为管柱强度校核提供了关键数据。同时，依据屈曲特性与井眼轨迹的耦合关系，对井眼轨迹进行优化，减少了管柱屈曲的风险，提高了侧钻井作业的稳定性。

2.动态载荷下的振动特性

钻进过程中，钻头破岩是一个复杂的动态过程，钻头所受的破岩载荷会周期性变化，这种变化会引发连续管产生纵向、横向及扭转振动。这些振动不仅会影响钻头的破岩效率，还可能对连续管的结构完整性造成威胁。例如，在某页岩气田的连续管侧钻井作业中，由于页岩地层的非均质性较强，钻头破岩时的载荷波动较大，导致连续管振动剧烈，曾出现过连续管局部疲劳损伤的情况。

为了深入了解振动特性，基于有限元法建立管柱-岩石耦合振动模型。该模型能够模拟不同钻井参数（如转速、钻压）对振动幅值和频率的影响。通过数值模拟分析发现，当转速过高或钻压过大时，连续管的振动幅值会显著增大，尤其是在某些特定频率下，会出现共振现象，这对连续管的安全作业构成极大威胁。通过对共振风险区间的识别，采取调整钻井参数、优化钻具组合等措施，有效抑制了连续管的振动，保障了侧钻井作业的顺利进行。

（二）侧钻井工具力学特性解析

1.切削工具载荷传递机制

侧钻钻头在切削岩石时，其切削力、扭矩与岩石的力学性质密切相关。岩石的抗压强度和硬度决定了钻头切削的难易程度，同时，切削参数如切削深度、刀翼角度等也对切削力和扭矩有着重要影响。在室内岩石切削试验中，选用不同类型的岩石样本，模拟实际地层条件，对不同切削参数下的钻头切削力进行测量。通过大量试验数据的分析，建立了切削力经验公式，该公式能够较为准确地描述切削力与各影响因素之间的关系。

在某油田的侧钻井作业中，根据地层岩石的力学性质，利用切削力经验公式对钻头切削参数进行优化。在造斜段，通过力平衡方程分析工具的受力状态，发现原有的钻头结构在该地层条件下切削阻力较大，导致钻进效率低下。通过优化钻头结构，如调整刀翼角度、增加切削齿数量等措施，有效降低了切削阻力，提高了钻进速度，同时也减少了钻头的磨损，延长了钻头的使用寿命。

2.拐点力与轨迹控制关联性

拐点力是侧钻工具在转向过程中产生的关键力矩，它对井眼轨迹的控制起着决定性作用。拐点力的大小受井眼曲率半径、工具造斜率及管柱刚度等因素影响。当井眼曲率半径较小时，工具在转向时受到的约束较大，产生的拐点力也相应增大；工具造斜率越高，在相同的转向条件下，拐点力也会越大；而管柱刚度则决定了管柱抵抗变形的能力，刚度越大，拐点力对管柱的影响相对较小。

采用矢量分析方法建立拐点力计算模型，该模型能够量化拐点力对井眼轨迹偏差的影响程度。以某侧钻井为例，通过模型计算得出，在特定的井眼曲率和工具造斜率条件下，拐点力导致井眼轨迹出现了一定的偏差。为了控制这一偏差，提出通过调整工具组合的工程策略。例如，增加弯接头的角度可以改变工具的造斜能力，合理配置稳定器的位置和数量可以增强管柱的稳定性，从而有效控制拐点力，使井眼轨迹更加符合设计要求，提高了侧钻井的轨迹控制精度。

二、连续管侧钻井摩阻计算方法构建

（一）理论计算模型筛选与优化

1.基于流态划分的范宁摩阻模型

在连续管侧钻井作业中，钻井液在连续管内的流动状态对摩阻有着重要影响。为了准确计算摩阻，引入雷诺数（Re）来判别流态。当Re≤2300时，钻井液处于层流状态，此时流体分层流动，互不混杂，液体质点的运动轨迹是直线或是有规则的平滑曲线。而当Re2300时，钻井液则进入紊流状态，液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱。

在紊流区，采用Colebrook-White公式来计算范宁摩阻系数（f），该公式充分考虑了雷诺数和管壁粗糙度对摩阻系数的影响。同时，考虑到连续管在实际井眼中可能存在弯曲的情况，引入弯曲修正因子。弯