静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法技术

本发明专利技术公开了一种静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法，属于旋转导向钻井技术研究及应用领域。该方法主要包括钻进大段均质地层(井壁无台阶)、软硬交错地层(井壁有台阶)时井底钻压、最小名义钻压计算方法，以及避免翼肋前倒角面发生自锁的倒角上限值计算方法。结合实例给出了本方法的实施方式，以及名义钻压、导向翼肋推靠力及井壁摩擦系数对井底实际钻压影响规律。本方法能够准确预测和调控井底实际钻压，有助于提高SRS钻井工具的钻进效率，节省钻井时间和钻井成本；也为SRS钻井工具的导向翼肋前倒角设计提供了技术支撑。

The actual drilling pressure prediction method for the bottom hole of the rotary steering drilling tool with static push and leaning

The invention discloses a prediction method for actual drilling pressure of bottom hole of a static push type rotary steering drilling tool, which belongs to the research and application field of rotary steering drilling technology. The method mainly includes the calculation method of bottom hole drilling pressure and minimum nominal drilling pressure when drilling large section homogeneous formation (sidewall without steps), soft and hard interlaced strata (sidewall steps), and the calculation method of the upper limit of the chamfer for avoiding the self locking of the front side chamfering of the wing rib. The implementation of this method is given with an example, and the influence rules of nominal drilling pressure, steering wing ribs pushing force and shaft wall friction coefficient on the actual drilling pressure at the bottom of well. This method can accurately predict and control the actual drilling pressure at the bottom of the well, help to improve the drilling efficiency of SRS drilling tools, save drilling time and drilling cost, and also provide technical support for the design of the guide rib front ribs of SRS drilling tools.

【技术实现步骤摘要】
静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法
本专利技术涉及石油钻井工程领域，尤其涉及旋转导向钻井技术研究及应用领域，具体地说是涉及一种静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法。
技术介绍
旋转导向钻井系统(rotarysteerablesystem，简称为“RSS”)是在钻柱旋转钻进条件下随钻实时完成导向功能的一种导向钻井系统。自20世纪90年代以来，旋转导向钻井技术逐渐成熟并推广应用，定向钻井技术取得了质的飞跃。目前，比较成熟的RSS系统主要包括BakerHughes公司的AutoTrak钻井系统、Schlumberger公司的PowerDrive钻井系统、Halliburton公司的Geo-Pilot钻井系统，其工作原理分别为静态推靠钻头式、动态推靠钻头式、指向钻头式。其中，静态推靠式旋转导向钻井工具(简称为“SRS钻井工具”)的结构及工作原理如图1所示。非旋转滑套上面有3个可以单独调节的导向翼肋，液压单元通过活塞控制导向翼肋伸出或缩回；当导向翼肋全部支撑到井壁上以后，翼肋提供的推靠力在钻头上沿预定方向产生一个侧向力，其大小和作用方向可以根据井眼轨迹控制要求随时进行调整，从而在钻柱旋转条件下完成导向钻进工作。相比之下，SRS钻井工具的结构和工作原理稍简单，因而成为国内研究重点攻关方向。然而，SRS钻井工具在正常钻进时非旋转滑套几乎不随钻柱旋转，导向翼肋与井壁之间存在较大摩擦力，导致井底实际钻压与释放大钩悬重获得的名义钻压有较大差异，钻井现场凭经验选择名义钻压往往造成井底实际钻压达不到预定要求，不仅影响钻井速度，也难以发挥旋转导向钻井技术优势。尤其是钻进软硬交错地层时，地层界面处往往有小台阶，对钻压传递效率影响更大；一旦导向翼肋前倒角设计不合理，该倒角面有可能与井壁发生自锁，SRS钻井工具将难以通过井壁台阶，难以维持正常钻进工作。
技术实现思路
基于上述技术问题，本专利技术提供一种静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法。本专利技术所采用的技术解决方案是：一种静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法，包括：(1)钻进大段均质地层时井底钻压预测方法A在大段均质地层中，新钻出的井眼规则、井壁无台阶；SRS钻井工具整体受力，包括上端面所受轴向力Wo，亦即释放大钩悬重获得的名义钻压，下端面所受轴向力Wa，亦即钻头获得的实际钻压，单个导向翼肋工作面上所受井壁支撑力Nsi，i＝1～3，及对应摩擦力fsi，i＝1～3；B由于导向翼肋处井壁摩擦力影响，释放大钩悬重获得的名义钻压只能部分转变成钻头获得的实际钻压；由此可以推断出，使用SRS钻井工具时，为了确保实际钻压始终大于0、满足正常钻进需要，释放大钩悬重获得的名义钻压有最小值要求；C正常钻进时非旋转滑套随心轴缓慢旋转，导向翼肋工作面所受井壁支撑力等于该导向翼肋提供的推靠力，也即Nsi＝Fsi，考虑非旋转滑套旋转影响，采用等效摩擦系数将导向翼肋工作面所受井壁摩擦力进行分解，见式(1)；式中，va为沿井眼轴向钻井速度，m/h；ns为非旋转滑套旋转速度，r/h；Dh为井径，m；μ、μa、μl分别为井壁摩擦系数及其沿井眼轴向和切向的等效摩擦系数，无因次；Fsi为单个导向翼肋提供的推靠力，kN；Nsi、fsi分别为单个导向翼肋工作面所受井壁支撑力及摩擦力，kN；fsai、fsli分别为单个导向翼肋工作面所受井壁摩擦力沿井眼轴向和切向分量，kN；D据SRS钻井工具整体受力分析，同时考虑3个导向翼肋所受外载荷，得到实际钻压随名义钻压、导向翼肋推靠力变化规律，见式(2)；式中，Wa、Wo分别为实际钻压、名义钻压，kN；Fst为3个导向翼肋的推靠力之和，kN；推靠力之和Fst计算公式如下：E考虑到实际钻压不能小于0，名义钻压较小时需要对式(2)进行修正，见式(4)；F为了维持正常钻进，必须确保井底实际钻压始终大于0；给定各个导向翼肋的推靠力之后，名义钻压应始终大于导向翼肋受到的全部摩擦力；为了满足钻头高效破岩要求，往往要限定井底最小钻压，该情况下名义钻压最小值应满足以下要求。式中，Wamin、Womin分别为实际钻压最小值、名义钻压最小值，kN；利用式(6)指导钻进大段均质地层时合理选择和控制名义钻压，确保钻头获得足够钻压；(2)钻进软硬交错地层时井底钻压预测方法a在软硬交错地层中，新钻出的井眼不规则，在地层界面处往往有台阶；当导向翼肋前倒角面接触到井壁台阶时，SRS钻井工具整体受力，外载荷包括上端面所受轴向力Wo，亦即名义钻压、下端面所受轴向力Wa，亦即实际钻压；单个导向翼肋工作面上所受井壁支撑力Nsi，i＝1～3，及摩擦力fsi，i＝1～3，前倒角面上所受井壁支撑力Nfi，i＝1～3，及摩擦力ffi，i＝1～3；导向翼肋工作面上所受井壁支撑力Nsi不等于该导向翼肋提供的推靠力Fsi；bSRS钻井工具能否通过井壁台阶与导向翼肋受力状态和前倒角设计有关，单个导向翼肋受力，外载荷包括内侧面上柱塞提供的推靠力Fsi，工作面上所受井壁支撑力Nsi及摩擦力fsi，前倒角面上所受井壁支撑力Nfi及摩擦力ffi；c由受力分析可知，导向翼肋能否通过井壁台阶与名义钻压、推靠力、井壁摩擦系数以及导向翼肋前倒角有关；为了确保导向翼肋能够通过井壁台阶并维持正常钻进工作，首先应优化导向翼肋前倒角设计，确保该处不发生自锁，其次是适当提高名义钻压，确保导向翼肋能够回缩；当导向翼肋开始回缩时，导向翼肋工作面会逐渐脱离井壁，此时仅考虑导向翼肋前倒角面所受井壁支撑力和摩擦力即可；d由导向翼肋受力分析可知，3个导向翼肋均绕销钉旋转和回缩需要满足以下力矩平衡关系；式中，Lf为导向翼肋总长度，cm；Ls为翼肋中心至销钉的距离，cm；α为前倒角，(°)；e由SRS钻井工具整体受力分析可知，当导向翼肋前倒角通过井壁台阶时，SRS钻井工具所受外载荷满足力平衡以下关系；利用式(7)求出导向翼肋前倒角面所受井壁支撑力之后代入式(8)，得到式(9)；其中，μe为等效摩擦系数，计算公式如下：f考虑到实际钻压Wa不可能小于0，最终导出实际钻压Wa随名义钻压Wo、导向翼肋推靠力Fst变化规律，见式(11)；名义钻压最小值应满足以下要求；利用式(13)指导钻进软硬交错地层时合理选择和控制名义钻压，确保钻头获得足够钻压。上述方法中，为了避免前端倒角面自锁，在名义钻压尚未达到上限值就能够使SRS钻井工具顺利通过井壁台阶，必须合理设计前倒角；如果限定名义钻压上限值Womax，那么前倒角α应满足以下条件；求解式(14)得到避免翼肋前倒角面发生自锁的倒角上限值αm；本专利技术的有益技术效果是：(1)首次给出了使用SRS钻井工具时井底实际钻压及最小名义钻压计算方法，能够准确预测和调控井底实际钻压，提高钻进效率，节省钻井时间和钻井成本。(2)首次给出了避免导向翼肋前倒角面与井壁台阶发生自锁的倒角上限值计算方法，为SRS钻井工具的导向翼肋前倒角设计提供了技术支撑。附图说明图1a为SRS钻井工具的整体结构图；图1b为图1a的A-A剖面图；图1c为导向合力及工具面示意图；图2示出井壁无台阶时SRS钻井工具整体受力分析情况；图3示出井壁有台阶时SRS钻井工具整体受力分析情况；图4示出井壁有台阶时导向翼肋受力分析情况；图5示出井底实际钻压随本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法，其特征在于包括：(1)钻进大段均质地层时井底钻压预测方法A在大段均质地层中，新钻出的井眼规则、井壁无台阶；SRS钻井工具整体受力，包括上端面所受轴向力Wo，亦即释放大钩悬重获得的名义钻压，下端面所受轴向力Wa，亦即钻头获得的实际钻压，单个导向翼肋工作面上所受井壁支撑力Nsi，i＝1～3，及对应摩擦力fsi，i＝1～3；B由于导向翼肋处井壁摩擦力影响，释放大钩悬重获得的名义钻压只能部分转变成钻头获得的实际钻压；由此可以推断出，使用SRS钻井工具时，为了确保实际钻压始终大于0、满足正常钻进需要，释放大钩悬重获得的名义钻压有最小值要求；C正常钻进时非旋转滑套随心轴缓慢旋转，导向翼肋工作面所受井壁支撑力等于该导向翼肋提供的推靠力，也即Nsi＝Fsi，考虑非旋转滑套旋转影响，采用等效摩擦系数将导向翼肋工作面所受井壁摩擦力进行分解，见式(1)；

【技术特征摘要】
1.一种静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法，其特征在于包括：(1)钻进大段均质地层时井底钻压预测方法A在大段均质地层中，新钻出的井眼规则、井壁无台阶；SRS钻井工具整体受力，包括上端面所受轴向力Wo，亦即释放大钩悬重获得的名义钻压，下端面所受轴向力Wa，亦即钻头获得的实际钻压，单个导向翼肋工作面上所受井壁支撑力Nsi，i＝1～3，及对应摩擦力fsi，i＝1～3；B由于导向翼肋处井壁摩擦力影响，释放大钩悬重获得的名义钻压只能部分转变成钻头获得的实际钻压；由此可以推断出，使用SRS钻井工具时，为了确保实际钻压始终大于0、满足正常钻进需要，释放大钩悬重获得的名义钻压有最小值要求；C正常钻进时非旋转滑套随心轴缓慢旋转，导向翼肋工作面所受井壁支撑力等于该导向翼肋提供的推靠力，也即Nsi＝Fsi，考虑非旋转滑套旋转影响，采用等效摩擦系数将导向翼肋工作面所受井壁摩擦力进行分解，见式(1)；式中，va为沿井眼轴向钻井速度，m/h；ns为非旋转滑套旋转速度，r/h；Dh为井径，m；μ、μa、μl分别为井壁摩擦系数及其沿井眼轴向和切向的等效摩擦系数，无因次；Fsi为单个导向翼肋提供的推靠力，kN；Nsi、fsi分别为单个导向翼肋工作面所受井壁支撑力及摩擦力，kN；fsai、fsli分别为单个导向翼肋工作面所受井壁摩擦力沿井眼轴向和切向分量，kN；D据SRS钻井工具整体受力分析，同时考虑3个导向翼肋所受外载荷，得到实际钻压随名义钻压、导向翼肋推靠力变化规律，见式(2)；式中，Wa、Wo分别为实际钻压、名义钻压，kN；Fst为3个导向翼肋的推靠力之和，kN；推靠力之和Fst计算公式如下：E考虑到实际钻压不能小于0，名义钻压较小时需要对式(2)进行修正，见式(4)；F为了维持正常钻进，必须确保井底实际钻压始终大于0；给定各个导向翼肋的推靠力之后，名义钻压应始终大于导向翼肋受到的全部摩擦力；为了满足钻头高效破岩要求，往往要限定井底最小钻压，该情况下名义钻压最小值应满足以下要求。1式中，Wamin、Womin分别为实际钻压最小值、名义钻压最小值，kN；利用式(6)指导钻进大段均质地层时合理选择和控制名义钻压，确保钻头获得足够钻压；(2)钻进软硬交错地层时井底钻压预测方法a在软硬交错地层中，新钻出的井眼不规则，在地层界面处往往有台阶；当导向翼肋前倒角面接触到井壁台阶时，SRS钻井工具整体受力，外载荷包括上端面所受轴向力Wo，亦即名义钻压、下端面所受轴向力Wa，亦即实际钻压；单个导向翼肋工作面上所受井壁支撑力Nsi，i＝1～3，及摩擦力fsi，i＝1～3，前倒角面上所受井壁支撑力Nfi，i＝1～3，及摩擦力ffi，i＝1～3；导向翼肋工作面上所受井壁支撑力Nsi不等于该导向翼肋提供的推靠力Fsi；...

【专利技术属性】
技术研发人员：史玉才，滕志想，管志川，范致斌，付成林，杨卫星，苗在强，刘永旺，
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