第十四章 鑽具扭矩/摩阻模型
鑽具扭矩/摩阻模型分析軸向和扭的載荷的複雜現象，並且鑽柱扭矩和摩阻的發展是由他們在孔眼中起上、起下開始的。對於壓縮載荷，易產生(1)正弦屈曲，(2)螺旋屈曲，(3)預屈服。這個模型被廣泛的用於側鑽、水平井和大位移井的設計與監測上。他也可以應用於套管、尾管或者管串的應用程式中。
14.1輸入
14.1.1專案頁面
鑽柱扭矩/摩阻模型的專案輸入頁面與典型的DrillNET軟體的專案頁面類似。
14.1.2軌跡資料頁面
鑽柱扭矩/摩阻模型的軌跡資料頁面與典型的DrillNET軟體的軌跡資料頁面類似。
14.1.3管柱資料頁面
鑽柱扭矩/摩阻模型的管柱資料頁面與典型的DrillNET軟體的管柱資料頁面類似。
14.1.4井身資料頁面
鑽柱扭矩/摩阻模型的井身資料頁面與典型的DrillNET軟體的井身資料頁面類似。
14.1.5引數頁面
1)扭矩/摩阻操作模式。管柱的旋轉對扭矩和摩阻有很大的影響。如果管柱以旋轉的方式下入井筒中，那麼軸向上的摩擦力會變的非常小。這是因為摩擦阻力導致在鑽桿表面上某點的速度向量反方向力。如果管柱邊旋轉邊向軸向運動，相對於井筒管柱的速度是兩個向量的和---軸向速度和旋轉速度。
井底管柱的限制條件依賴於被模擬的操作。當管柱正準備下入井筒中(下鑽或者鑽進)，那麼鑽柱的底部處於壓縮狀態。當管柱起出井筒時，底部的鑽柱處於拉伸狀態。對於鑽進或鑽柱旋轉，在底部的鑽柱扭轉的負荷值模擬出了從鑽頭到BHA的扭矩。對於每一種模擬操作，下面列出了影響底部管柱的條件範圍因素。
2)作業深度。為當前的分析定義起始和結束深度的操作範圍。這個範圍將會影響顯示在輸出圖形中的資料。在輸出圖形和表單中，描述了BHA和表面的條件，結果只會為這個定義深度範圍而顯示。其他的輸出概括了所有沿著鑽柱的載荷條件，並且他包含的資料是在地表(深度=0米)到終點MD的值之間。
3)BHA的扭矩/摩阻載荷。輸入可操作的引數和載荷到底部鑽具組合中。BHA的扭矩和摩阻值通常是工程判斷，要麼是基於一個光滑的鑽柱與一個包含BHA或者類似元件兩者之間在表面讀數的不同。這些值主要用於帶有扶正器或者是下入井時收縮而上起時展開推靠臂的錄井工具中。
BHA的扭矩和摩阻是在底部的鑽柱的限制條件。他們代表了從BHA作為起始點沿著鑽柱向上扭矩和摩阻的計算。
4)遊車重量和泥漿密度。泥漿的密度影響鑽柱的浮力和表面大鉤的載荷。遊車的重量是自身重量，從大鉤載荷中減去遊車的自重得到實際鑽具的重量。
5)起下鑽的扭矩/摩阻和鑽進速度。鑽進和起下鑽時，鑽柱的軸向和旋轉的速度影響大鉤的載荷。如果您想評估鑽進和起下鑽操作，那麼輸入這四個引數。否則，您可以使這四個引數為零，表示您不需要他們。如果選擇的操作是起下鑽/鑽進，並且鑽柱的轉速輸入的是零時，隨著鑽具的扭矩增量將也會是零。
14.1.6引數選擇頁面
1)屈曲模型選項。為評估正弦和螺旋屈曲準則提供了三種模型，請選擇其一。這些模型基於各自使用不同的推導和假設而產生了不同的結果。
2)扭矩/摩阻的設計系數。設計的係數包含了抗拉和抗扭強度限制的計算。這些都是按照管子強度的比率來載入的。例如，2.0的設計系數意味著他的工作範圍將被設定在最終拉應力和扭力極限的一半。
選擇“考慮螺旋屈曲摩擦力”是考慮到壓縮力引起螺旋屈曲。這些力的徑向部分推鑽柱靠近井壁。額外的側向力將會導致摩擦力的增加。如果摩擦力很大，那麼鑽具很容易自鎖。
選擇“考慮彎曲剛度”是考慮到井眼軌跡曲線部分的鑽具剛度的影響。傳統的軟繩扭矩和摩阻的模型假設了鑽柱上的載荷僅僅產生於重力的效果，而鑽柱的摩擦力是由鑽柱與定向井眼井壁之間的接觸產生的。如果您沒有勾選這個操作，那麼程式預設使用軟繩模型(如果鑽具的剛度不會影響計算)。對於一個短半徑的定向井，如果鑽柱具有高的抗彎剛度，在井眼和鑽柱之間的產生的法嚮應力是非常巨大的，這個抗彎剛度效果是不能忽視的。如果您考慮到鑽柱的剛度，請勾選這個操作，在扭矩和摩阻計算中包含抗彎剛度的影響。
鑽柱扭矩/摩阻模型的輸出包含以下三個結果標籤：
1、小結---顯示關鍵屈曲引數的值。
2、圖形/表---一個典型的DrillNET軟體多功能輸出視窗，允許一個或者多個圖形的輸出。
3、扭矩/摩阻圖---結果與深度扭矩/摩阻的多引數對比圖。
使用者現在扭矩和摩阻圖表中通過點選任何一副圖表下面的圖列中已顯示的曲線來選擇需要的曲線。當曲線要麼重疊或者非常接近時導致曲線之間模糊不清，那麼使用這種方法是非常有效的。簡單在圖列中勾選您要追蹤的曲線即可。
在勾選了所需要的曲線後，扭矩/摩阻曲線圖表只會顯示您僅選擇的專案，這樣允許使用者生成自己喜好的曲線圖表。
經過選擇後的扭矩/摩阻圖表顯示出使用者指定的曲線。
扭矩/摩阻輸出形式：
用於顯示資料的兩種主要的形式：
1、靜態“快照”的形式。在特定的時間和條件下沿著鑽柱變化的測量井深對應著不同的鑽具負荷(當BHA在您感興趣的井深時，他是鑽柱上的載荷快照)。
2、一個動態的操作形式。隨著BHA在完成起下鑽操作時的地面和BHA的歷史載荷記錄(他是地面的載荷歷史記錄)。
例如，當選擇了“旋轉鑽進時”時，輸出的圖形/表格標籤中包含下面的操作模式：
1、軸向力---旋轉鑽進。這幅靜態形式的圖形顯示了當BHA在感興趣深度時的載荷條件下的圖形。
2、軸向扭矩---旋轉鑽進。這幅靜態形式圖顯示了當BHA在感興趣的井深時沿著整個管柱的轉矩載荷條件下的圖形。
3、大鉤載荷---旋轉鑽進。這副動態形式的圖形顯示了懸重在操作頁面中指定的整個操作範圍中移動變化的圖形。
4、地面扭矩---旋轉鑽進。這幅動態形式的圖形顯示了BHA在操作頁面中指定的整個操作範圍內移動時在地面的扭矩變化圖。
5、靜態計算表。這張表單總結了當BHA在您感興趣的井深時，沿著整個管柱的扭矩、摩阻和屈曲發生的極限條件。
6、動態計算表。這張表單總結了在操作頁面中指定操作的整個範圍內在每一個井深處的懸重和地面扭矩的變化值。
注意：單獨的圖形和表格標題的改變是隨著被選擇的當前操作模式而變化的。
14.2特殊功能
14.2.1工具條圖示
當鑽柱的扭矩/摩阻模型被選擇時，系統為使用者提供了特殊的工具條圖示。這些特殊的圖示包括：
敏感性分析。為了分析改變了個別引數後，而其他引數仍保持常量時相對影響而開啟一個敏感性分析視窗。
安全餘量分析。打開一個安全餘量分析視窗，為了分析安全操作的載荷範圍(扭矩和鑽壓)，和隨著載荷的增加管柱的強度是如何發展的。
屈曲分析。開啟一個屈曲分析視窗，為了能觀察在您指定的操作過程中屈曲的累積變化。您同樣可以增加/減少鑽壓來評估他對屈曲的影響。
滑輪分析。開啟一個功能視窗，使用他基於指重表的度數和他的相關操作的載荷值來計算滑輪效率。
14.2.2敏感性分析視窗
敏感性分析視窗是一個次級輸出視窗，用他來分析當改變個別的引數，而其他引數仍保持恆定時的結果相對影響。對一個特殊的操作中確定哪一個引數是至關重要的，這種分析型別是非常有用的，因此，需要認真的監測，也需要更多精確的測量來確保現場設計操作的成功。相反，其他引數可以發現沒有什麼影響，並且不需要嚴格的優化處理。通過點選
圖示來訪問這個視窗。
1)扭矩/摩阻敏感性輸出表格和圖形。敏感度結果被總結到兩張圖表中。當BHA在終點測深時，圖形對於三個敏感性引數(低、中、高)，可以是沿著鑽柱的扭矩、摩阻的快照檢視，也可是相對於選擇的敏感性引數來說，在地面的載荷與扭矩的“懸重和地面扭矩”檢視。
編輯敏感性圖形
編輯選單可以很容易通過在任何圖形上右鍵滑鼠來訪問。除了可以開啟一個包含有一張圖形的單獨視窗外，您可以匯出一副圖形和他的資料到Excel檔案中為將來分析使用。
2)扭矩/摩阻敏感性變數。在“計算設定”下選擇一個引數來改變他而其他的引數保持恆定。為選擇的引數變化的範圍輸入最大、最小值。其他引數使用的常量被分配給預設值，在主要的輸入頁面相對應的引數也被分配預設值。
為了分析敏感度，所考慮的引數在定義的範圍內變化，每一步執行一次增量增加和計算操作。
3)摩擦係數和重量校正提示。對於鑽柱的個別部分，這些下拉選單框幫助回撥摩擦係數和校正重量資料。如果您點選了列表中任何的管柱部分，相對應的摩擦係數或者校正管柱的重量將會從主要的視窗複製到敏感性變數的輸入表單中。
14.2.3安全餘量分析視窗
安全餘量分析視窗通過點選
圖示來訪問。安全餘量分析視窗對於增加鑽井工程師的安全載荷的知識範圍，和管柱的強度隨載荷的增加是如何變化的非常有幫助。在確定了模式和選定了所要考慮的引數後，程式計算在初始低載荷下管柱的狀態。然後，扭矩或者鑽壓被逐步的增加，直到其中一個機械極限被超越。在每一次增量計算後圖形被迅速的更新，這樣就致使圖形動態的顯示。被超越的極限值通過在視窗頂部的文字框中表示出來。
1)安全餘量的結果。所有資料被輸入以後，點選【計算】按鈕開始順序動態計算。當動畫終止時，與極限條件下的曲線接觸的第一個點被描述在視窗頂部的文字框中(管柱的某段、對應的深度和載荷)。在地面和鑽頭上的相對應的條件被總結在【計算】按鈕之上的輸出表單中。
圖形為鑽柱和管柱當前的載荷狀態顯示了明確的極限範圍。當程式執行計算操作，鑽柱曲線(藍色)將會逐漸向右側移動(拉伸與扭轉)，或者朝向左側(屈曲)移動，直到他接觸到極限條件下的曲線。
2)安全餘量檢查選項。考慮到四種不同的狀態，對於任意單獨的操作模式，除了一個可用其他三個都不能使用。選擇其中一個可用的引數，點選【計算】來執行這個分析操作。
3)安全餘量邊界條件。啟動扭矩和摩阻的邊界條件，您也可以直接指定扭矩和摩阻。如果您沒有合適的值，那麼這個資料可以從零開始。
在連續計算中，扭矩的增量和軸向載荷的增量的值，他是扭矩或者重量對於每一次計算所需要的增量值。
14.2.4屈曲分析視窗
通過點選
圖示來開啟這個視窗。作業動態模擬視窗用於視覺化和評估連續油管操作期間屈曲模型的發展狀態。在這視窗中的第二個功能可以用來衡量增加/減少底部重量對於屈曲的影響。
作業動態模擬
作業動態模擬展示了一個隨著鑽柱下入井眼過程中的鑽具屈曲和地面鉤載的狀況動態模擬動畫。右側的二維井眼軌跡檢視顯示了BHA的位置和管柱的當前屈曲狀態。
【開始】按鈕清除了圖中的資料，並且鑽柱從地面開始下入井筒中。【暫停】按鈕在當前井深處停止動畫。【繼續】按鈕是在暫停後在當前深度恢復動畫的模擬。【停止】按鈕被用來在任意點處結束動畫模擬。
您可以通過輸入一個新的值到“底部載荷”文字框中來改變BHA上的載荷(例如：鑽壓)。
底部載荷變化
底部載荷變化分析被用來評估鑽壓的改變對鑽柱在屈曲狀態的影響。這項功能可以用來確定在管柱開始屈服前(或者超出裝置能力的極限)，有多少儲存的能量對於鑽頭是可用的。
地面負荷、底部負荷(鑽壓)和重量的增量都被顯示出來。每一次您點選
圖示，底部載荷將會以您定義的增量值增加或者減少。底部載荷和重量的增量同樣可以被直接編輯(白色背景的文字框來表示)。在每一次引數被改變後，圖形會自動的更新。
14.2.5滑輪分析視窗
在指重表度數和實際操作的載荷上，為了計算滑輪效率系統提供了一個特殊的功能。在指重表的度數和滑輪效率上計算實際起下鑽的載荷。通過點選
圖示來訪問這個視窗。
滑輪效率計算
如果指重表和實際起下鑽過程的載荷是已知的，則滑輪效率計算器可以用來計算滑輪效率。這個效率範圍是從0到1之間，他是一個通過一個單獨的滑輪除以舉行他需要的合力(包括摩擦力)得出的舉升重量的比率值。對於一個無摩擦力的滑輪，e=1。API在計算的基礎上得出e=0.96。另一位研究者Crake得出e=0.97。
從下拉選單框中選擇繩數。根據您的喜好，選擇“摩擦”或者“無摩擦”。對於無摩擦條件，死繩是固定的，並且鑽機上的擺動假設消除了任何在死繩滑輪上的殘餘摩擦力。死繩的滑輪一般不會晃動，是因為死繩的強度和死繩的撓度導致。這些運動會引起死繩滑輪的輕微旋轉，並且導致一些摩擦力(這是選擇“摩擦”的情況下)。
在所有引數輸入後，點選【計算】按鈕。
指重表讀數
如果指重表讀數和滑輪效率已知，指重表讀數計算器可以用來評估實際的起下鑽載荷。從下拉選單框中選擇繩數。根據您的喜好，選擇“摩擦”或者“無摩擦”。對於無摩擦的情況，死繩是固定的，鑽機的晃動假設在死繩滑輪上消除任何殘留的摩擦力。這些運動會引起死繩滑輪的輕微旋轉，並且導致一些摩擦力(這是選擇“摩擦”的情況下)。
在所有引數輸入後，點選【計算】按鈕。點選【敏感性圖形】來瀏覽滑輪效率與實際載荷之間的關係。
圖示
一副示意圖顯示了在滑輪效率計算中被使用引數的定義。
《本章結束》