水平井倒装钻具组合设计方法技术

本发明专利技术公开了一种水平井倒装钻具组合设计方法，包括以下步骤：给定全部设计参数；计算水平段起点处钻柱轴向力；计算水平段起点处钻柱螺旋屈曲因子；判断水平段钻柱是否螺旋屈曲；计算造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子；判断造斜段普通钻杆是否螺旋屈曲；计算加重钻杆下入深度对应井斜角；计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力；计算加重钻杆井段钻柱螺旋屈曲因子；判断加重钻杆是否螺旋屈曲；计算造斜点处钻柱轴向力；计算加重钻杆使用长度。采用本发明专利技术方法设计出的钻具组合可以避免下部钻柱螺旋屈曲、降低摩擦阻力、提高钻压传递效率和水平段延伸能力。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及石油钻井工程领域，尤其涉及。
技术介绍
目前，国内陆上油田水平井钻井主要采用"弯螺杆钻具+MWD"组成的滑动导向钻具 组合，需要交替采用滑动钻进方式和复合钻进方式。滑动钻进工况下整个钻柱不旋转，钻进 下部井段（大斜度造斜段及水平段）时钻柱与井壁（或上层套管）之间摩擦阻力较大，下 部钻柱主要承受轴向压力，钻柱屈曲失稳风险较高，影响钻压传递效率和水平段延伸能力。 钻柱屈曲有正弦屈曲或螺旋屈曲两种形式；钻柱正弦屈曲对摩擦阻力影响较小，对钻压传 递效率影响也较小，但是钻柱螺旋屈曲会显著增加摩擦阻力，不仅影响钻压传递效率，严重 时甚至导致钻柱自锁而难以下钻到底。 为了避免下部钻柱螺旋屈曲和降低摩擦阻力，提高钻压传递效率和水平段延伸能 力，钻进下部井段时通常采用倒装钻具组合，也就是说将刚度和重量较大的加重钻杆安放 在造斜点附近井段，下部井段使用普通钻杆（18°斜台肩钻杆，俗称"斜坡钻杆"）。倒装钻 具组合设计关键在于合理选择加重钻杆下入深度及其使用长度（或使用井段），避免下部 钻柱螺旋屈曲和自锁。传统设计方法通常将加重钻杆安放在小斜度井段（井斜角〈30° )， 当水平段较短、下部井段钻柱螺旋屈曲风险较低时基本上是合适的。当水平段较长、下部钻 柱螺旋屈曲风险较高时，传统设计方法难以合理选择加重钻杆下入深度及其使用长度，滑 动钻进时摩阻问题突出，影响钻压传递效率和水平段延伸能力。 传统的水平井倒装钻具设计方法主要存在以下缺点：（1)造斜段钻柱轴向力计算 方法复杂，缺少解析求解方法；（2)未综合考虑下部钻柱屈曲影响；（3)尚无加重钻杆下入 深度和使用长度计算公式（或方法）。
技术实现思路
针对现有存在的问题及不足，本专利技术提出了一种适 合水平井设计轨道的完整、实用的倒装钻具组合设计方法。 本专利技术所采用的技术解决方案是： -种，包括以下步骤： (1)给定全部设计参数；设计参数包括造斜点井斜角、造斜率、水平段井斜角、水 平段长度、钻柱与井壁之间摩擦系数、井眼尺寸、普通钻杆及加重钻杆参数、滑动钻进钻压、 钻井液密度； (2)按式（1)计算水平段起点处钻柱轴向力； Ft=(usinat-cosat)qLt+ffs (1) 式中，FtS水平段起点处钻柱轴向力，N;y为钻柱与井壁之间摩擦系数；at为水 平段井斜角，° ;q为水平段钻柱每米重量，N/m;LtS水平段长度，m;Ws为滑动钻进钻压， N； (3)按式（2)计算水平段起点处钻柱螺旋屈曲因子，简称水平段屈曲因子；(2) 式中，cht为水平段屈曲因子；Fht为水平段钻柱螺旋屈曲临界载荷，N;E为钻柱弹 性模量，N/m2;I为钻柱惯性矩，m4;r 水平段井眼半径与钻柱半径之差，m ; (4)判断水平段钻柱是否螺旋屈曲；若水平段屈曲因子cht< 1. 0,则水平段钻柱未 螺旋屈曲，转下一步；若水平段屈曲因子cht多1.0,则水平段钻柱处于螺旋屈曲状态，应调 整设计参数，转步骤（2); (5)按式（3)计算造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子； 式中，chp为造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子；a为井斜角，°;a:为 参考点井斜角，5°彡a10° ;a。为钻柱自由下滑临界井斜角，。，临界井斜角a。= arctan(1/y) ;R为造斜半径，m;造斜半径R= 1719/K，K为造斜率，。/30m; (6)判断造斜段普通钻杆是否螺旋屈曲；若参考点钻柱屈曲因子chp(aJ彡1. 0， 则造斜段普通钻杆有较明显螺旋屈曲，转下一步；若参考点钻柱屈曲因子chp (ai) < 1. 〇， 则普通钻杆均未螺旋屈曲，或者轻微螺旋屈曲，指定加重钻杆下入深度并按式（4)计算加 重钻杆使用长度，完成水平井倒装钻具组合设计； Lw=R?aw (4) 式中，LWS加重钻杆使用长度，m;a 指定的加重钻杆下入深度处井斜角，° ; 井斜角aa^ai为参考点井斜角，5°彡a1彡10° ; (7)计算加重钻杆下入深度对应井斜角；令chp(a) =0.9,利用式（3)给出加重钻 杆下入深度对应井斜角迭代求解公式，见式（5.a)和（5.b)，二者任选其中之一即可； (8)按式（6)计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力；(6) 式中，Fw为计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力，N; (9)按式（7)计算加重钻杆井段钻柱螺旋屈曲因子； 式中，chw为加重钻杆段钻柱螺旋屈曲因子；q"为加重钻杆每米重量，N/m;rbw为井 眼半径与加重钻杆半径之差，m; (10)判断加重钻杆是否螺旋屈曲；若参考点钻柱螺旋屈曲因子chw(aJ< 1. 0,则 加重钻杆均未螺旋屈曲，或者轻微螺旋屈曲，加重钻杆下入深度合适，转下一步；若参考点 钻柱螺旋屈曲因子chw (aJ彡1. 〇,则加重钻杆有较明显螺旋屈曲，应调整设计参数，转步 骤⑵； (11)按式⑶计算造斜点处钻柱轴向力； 式中，Fk为造斜点处钻柱轴向力，N;a。为造斜点处井斜角，° ; (12)按式（9)计算加重钻杆使用长度，完成水平井倒装钻具组合设计； 式中，1^为加重钻杆使用长度，m;sN为安全系数，取sN= 1. 1-1. 2,确保中性点位 于加重钻杆上。 步骤（12)中：在某些情况下，若按式（9)求出的加重钻杆使用长度使得整个直井 段都不足以安放加重钻杆时，或加重钻杆有可能螺旋屈曲而影响钻压传递效率时，在造斜 点附近使用钻铤。 本专利技术的有益技术效果是： (1)本专利技术以降低滑动钻进时下部钻柱屈曲风险和摩擦阻力为目标，建立了完整 的，可定量计算出加重钻杆下入深度及使用长度。采用本发 明方法设计出的钻具组合可以避免下部钻柱螺旋屈曲、降低摩擦阻力、提高钻压传递效率 和水平段延伸能力。 (2)本专利技术选择"软模型"和解析方法推导出了简单而实用的滑动钻进工况下水平 井造斜段钻柱轴向力计算公式，利用4个公式可求造斜段任一位置（井斜角a)对应的钻 柱轴向力。与现有文献中相关公式相比，该组公式表达形式最简单，计算更方便。 (3)本专利技术首次给出了滑动钻进工况下造斜段钻柱屈曲因子定义及计算方法。本 专利技术中，将钻柱轴向力与螺旋屈曲临界载荷之比定义为"钻柱螺旋屈曲因子"，简称"钻柱屈 曲因子"。利用该因子评价造斜段钻柱螺旋屈曲风险，寻找钻柱螺旋屈曲位置，判断结果准 确，操作简单方便。【附图说明】 下面结合附图与【具体实施方式】对本专利技术作进一步说明： 图1为典型的二维三段式水平井设计轨道示意图； 图2为本专利技术的流程图； 图3为造斜段钻柱轴向力随井斜角的变化规律图； 图4为造斜段钻柱屈曲因子随井斜角的变化规律图； 图5为不同摩擦系数时加重钻杆下深及使用长度随水平段屈曲因子变化规律图； 图6为不同造斜率时加重钻杆下深及使用长度随水平段屈曲因子变化规律图。【具体实施方式】 结合附图，一种适用于设计井眼轨道的，包括以下 步骤： (1)给定全部设计参数。设计参数包括造斜点井斜角、造斜率、水平段井斜角、水平 段长度、钻柱与井壁（套管）之间摩擦系数、井眼尺寸、普通钻杆及加重钻杆参数、滑动钻进 钻压、钻井液密度；普通钻杆及加重钻杆参数包括钻具尺寸和每米重量等。 (2)按式（1)计算水平段起点处钻柱轴向力。 Ft=(usinat-cosat)qLt+ffs (1) 式中，FtS水平本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种水平井倒装钻具组合设计方法，其特征在于包括以下步骤：(1)给定全部设计参数；设计参数包括造斜点井斜角、造斜率、水平段井斜角、水平段长度、钻柱与井壁之间摩擦系数、井眼尺寸、普通钻杆及加重钻杆参数、滑动钻进钻压、钻井液密度；(2)按式(1)计算水平段起点处钻柱轴向力；Ft＝(μsinαt‑cosαt)qLt+Ws     (1)式中，Ft为水平段起点处钻柱轴向力，N；μ为钻柱与井壁之间摩擦系数；αt为水平段井斜角，°；q为水平段钻柱每米重量，N/m；Lt为水平段长度，m；Ws为滑动钻进钻压，N；(3)按式(2)计算水平段起点处钻柱螺旋屈曲因子，简称水平段屈曲因子；cht=FtFht=(μsinαt-cosαt)qLt+Ws22EIq sinαtrb---(2)]]>式中，cht为水平段屈曲因子；Fht为水平段钻柱螺旋屈曲临界载荷，N；E为钻柱弹性模量，N/m2；I为钻柱惯性矩，m4；rb为水平段井眼半径与钻柱半径之差，m；(4)判断水平段钻柱是否螺旋屈曲；若水平段屈曲因子cht＜1.0，则水平段钻柱未螺旋屈曲，转下一步；若水平段屈曲因子cht≥1.0，则水平段钻柱处于螺旋屈曲状态，应调整设计参数，转步骤(2)；(5)按式(3)计算造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子；chp(α)=[Ft-qR sin(2αc-αt)]eu(αt-α)+qR sin(2αc-α)22EIq sinαrb,(α1≤α≤αt)---(3)]]>式中，chp为造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子；α为井斜角，°；α1为参考点井斜角，5°≤α1≤10°；αc为钻柱自由下滑临界井斜角，°，临界井斜角αc＝arctan(1/μ)；R为造斜半径，m；造斜半径R＝1719/K，K为造斜率，°/30m；(6)判断造斜段普通钻杆是否螺旋屈曲；若参考点钻柱屈曲因子chp(α1)≥1.0，则造斜段普通钻杆有较明显螺旋屈曲，转下一步；若参考点钻柱屈曲因子chp(α1)＜1.0，则普通钻杆均未螺旋屈曲，或者轻微螺旋屈曲，指定加重钻杆下入深度并按式(4)计算加重钻杆使用长度，完成水平井倒装钻具组合设计；Lw＝R·αw     (4)式中，Lw为加重钻杆使用长度，m；αw为指定的加重钻杆下入深度处井斜角，°；井斜角αw≥α1，α1为参考点井斜角，5°≤α1≤10°；(7)计算加重钻杆下入深度对应井斜角；令chp(α)＝0.9，利用式(3)给出加重钻杆下入深度对应井斜角迭代求解公式，见式(5.a)和(5.b)，二者任选其中之一即可；[Ft-qR sin(2αc-αt)]eu(αt-α)+qR sin(2αc-α)22EIq sinαrb=0.9---(5.a)]]>[Ft-qR sin(2αc-αt)]eu(αt-α)+qR sin(2αc-α)-1.82EIq sinαrb=0---(5.b)]]>(8)按式(6)计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力；Fw=[Ft-qR sin(2αc-αt)]eu(αt-αw)+qR sin(2αc-αw)---(6)]]>式中，Fw为计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力，N；(9)按式(7)计算加重钻杆井段钻柱螺旋屈曲因子；chw(α)=[Fw-qwR sin(2αc-αw)]eu(αw-α)+qwR sin(2αc-α)22EIqwsinαrbw,(α1<α≤αw)---(7)]]>式中，chw为加重钻杆段钻柱螺旋屈曲因子；qw为加重钻杆每米重量，N/m；rbw为井眼半径与加重钻杆半径之差，m；(10)判断加重钻杆是否螺旋屈曲；若参考点钻柱螺旋屈曲因子chw(α1)＜1.0，则加重钻杆均未螺旋屈曲，或者轻微螺旋屈曲，加重钻杆下入深度合适，转下一步；若参考点钻柱螺旋屈曲因子chw(α1)≥1.0，则加重钻杆有较明显螺旋屈曲，应调整设计参数，转步骤(2)；(11)按式(8)计算造斜点处钻柱轴向力；Fk=[Fw-qwR sin(2αc-αw)]eu(...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：史玉才，薛磊，管志川，廖华林，席传明，初众，张晨，苗在强，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37