套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法技术

本发明专利技术涉及的是套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，这种套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，将多折面斜向器运用下部钻具组合通过套管开窗段多折面斜向器的有限元仿真方法，所述多折面斜向器准备用于钻井套管开窗，计算下部钻具组合通过套管开窗段所述多折面斜向器时的受力情况，反复修改有限元模型中的参数，对所述多折面斜向器各段的长度和倾角参数进行优化设计，优化出新的多折面斜向器的窗口长度。本发明专利技术基于ANSYS有限元软件对下部钻具组合通过多折面斜向器进行模拟仿真计算，可以对斜向器各段的长度和倾角参数进行优化设计，可以优化出多折面斜向器的有效窗口长度，解决下部钻具组合通过套管开窗处遇阻、遇卡等问题。

【技术实现步骤摘要】
套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法
本专利技术涉及石油钻采工程
，具体涉及套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法。
技术介绍
随着国际上越来越多的油田相继进入开发后期，在油气开采上面临着诸多相似的难题。不少油井产量大幅下降，水淹严重、套管损坏、油层构造复杂、井下事故等问题阻碍着人们对油井的正常开采。我国的高含水井、工程报废井等“老井”、“死井”的数量也在逐年增加，这极大的阻碍了我国对石油资源进行有效的开采利用，同时增加了油气的开发成本。其中许多报废井仍然具有很高的开采价值，如果对其进行有效的二次开发将会在很大程度上缓解我国资源紧张的问题，有利于经济的发展。目前，套管内侧钻开窗技术很好的解决了各大油田在油井开采的中后期面临的诸多难题。套管开窗即在侧钻起始位置的原井套管上，打开一个与管外地层连通窗口的工艺过程。斜向器作为油井套管开窗侧钻的主要工具，自问世以来，人们一直在不断地改进完善它。它的固定方式有机械式和水泥式，有永久式和可回收式，有可循环的和不可循环的；它的斜面形状有平面和弧面的，有单一倾角的斜向器，也有多折面的斜向器。为了减少定向钻进时钻具结构在套管的窗口处遇阻、遇卡等复杂情况的发生，人们希望套管开窗的窗口大一些、长一些，为侧钻大斜度定向井、水平井创造安全可靠的条件。长期以来人们主要从调整斜向器的倾角及选择开窗方法两方面进行了研究，但局限于斜向器斜面为单一倾角。近年来，人们设计了多折面斜向器，这种多折面斜向器突破了单一倾角的常规，以多折面组成倾斜面，可大大缩短窗口的总长，延长有效窗口长度，提高全角变化率，有利于安全施工。多折面斜向器开窗的窗口有效长度，决定于期望值的长度，受限于斜向器总成的长度。有效窗口长度的期望值取决于所钻井的难易程度，钻具下部组合的复杂性，完井作业的难易等因素。有效窗口长度理论上是可以无限延长的，但延伸过长会增加斜向器总成的长度，给施工带来不便。因此，根据套管开窗侧钻井的工程实际需要，考虑成本等问题，在有限的斜向器总成的长度条件下，如何设计多折面斜向器各段的长度和倾角参数，找出有效窗口长度的极限值，便是摆在钻完井工程师面前的一大技术难题。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，这种套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法用于解决下部钻具组合通过套管开窗处遇阻、遇卡等问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：这种套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，将多折面斜向器运用下部钻具组合通过套管开窗段多折面斜向器的有限元仿真方法，所述多折面斜向器准备用于钻井套管开窗，计算下部钻具组合通过套管开窗段所述多折面斜向器时的受力情况，反复修改有限元模型中的参数，对所述多折面斜向器各段的长度和倾角参数进行优化设计，优化出新的多折面斜向器的窗口长度，具体为：步骤一、基于ANSYS有限元软件，进行参数化建模，模型参数包括井眼轨迹参数、下部钻具组合参数、开窗套管参数、多折面斜向器参数；（1）将井眼轨迹参数、下部钻具组合参数、开窗套管参数、多折面斜向器参数按照一定的格式输入到文本文件中，然后将参数读入并存放在ANSYS的二维数组中；a、井眼轨迹参数包括三维井眼参数，三维井眼参数包括井深Lj、井斜角、方位角、垂深H、狗腿度；b、下部钻具组合参数包括几何尺寸参数、材料参数等，几何尺寸参数包括马达弯角、各部件的外径Di、内经Do和长度L，包含的部件有钻头、扶正套、螺杆马达、扶正器、变扣、无磁钻铤、加重钻杆等；材料参数包括弹性模量E、密度ρs；c、开窗套管参数包括套管内径DTi、外径DTo；d、多折面斜向器参数包括段数N、各段长度、各段倾角；（2）根据以上模型参数，将多折面斜向器倾角和螺杆马达弯角安放在同一个平面内，创建下部钻具组合模型，井眼轨迹线根据加密了的实测井眼几何尺寸建成光滑曲线；（3）在套管开窗侧钻位置处创建多折面斜向器模型，根据井斜角、多折面斜向器各段长度和各段倾角，依次创建各折面的关键点和各折面的线段；步骤二、选择BEAM188单元类型，划分单元，创建梁-梁接触，进行接触单元属性设置和接触计算参数设置；步骤三、对开窗套管、多折面斜向器、开窗后的裸眼井眼施加约束边界条件，下部钻具组合模型施加位移和载荷边界条件；（1）对开窗套管、多折面斜向器和开窗后的裸眼井眼施加约束边界条件，保留目标单元，将对应的梁单元删除；（2）由于下部钻具组合模型的密度是考虑液体密度后的等效密度，施加重力加速度g；（3）在下部钻具组合模型的上端施加下入位移量，通过循环程序在每一个计算时间内施加一定的位移量，每一个计算时间取1s，并输出计算结果。步骤四、选择瞬态动力学分析类型，打开大变形选项，设置时间增量，设置收敛准则，进行模拟计算；步骤五、查看下部钻具组合模型计算结果，判断是否满足强度条件和摩阻力条件；（1）输出计算结果，提取下部钻具组合模型不同位置处位移、接触力、等效应力、轴向力、轴向应力及摩阻力，输出到文本文件中，并绘制变化曲线图和云图，观察曲线变化规律，（2）查看下部钻具组合模型不同位置处的接触力；找出等效应力σ的极值并与许用应力[σ]进行比较，判断下部钻具组合模型是否满足强度要求，分析应力与多折面斜向器参数的关系；计算下部钻具组合模型的摩阻力Ff，与许用摩阻力[Ff]比较，判断能否顺利通过；步骤六、重置多折面斜向器的各段长度和各段倾角参数，重复步骤一到步骤五，反复计算分析，确定多折面斜向器优化后的各段长度和倾角参数，找出有效窗口长度的极值。上述方案中步骤二具体为：（1）单元离散，下部钻具组合模型，使用弹性模型计算，采用BEAM188梁单元离散，并选取二次形函数。所述开窗套管、多折面斜向器和开窗后的裸眼井眼离散成具有一定孔面的BEAM188梁单元；（2）创建接触关系，下部钻具组合模型外表面用CONTA176接触单元离散，开窗套管、多折面斜向器和裸眼井眼的内表面用TARGE170目标单元离散；下部钻具组合模型各部件外径不同，开窗套管、多折面斜向器、开窗后的裸眼井眼的各段内径也不同，存在多个环空间隙，创建多个梁-梁接触对；（3）进行接触单元属性设置，其中K4设置成RBE3MPC，K5设置成DefaultICONT，K7设置成Impactcontraint，K8设置成YES，K10设置成Eachinteration，K15设置成Activeallthetime，接触算法采用增广拉格朗日乘子法；（4）进行接触计算参数设置，摩阻系数μ取值0.2~0.4，法向接触刚度系数FKN取值0.001~0.1，切向接触刚度系数FKT取值0.001~0.1，渗透容差FTOLN取值0.1~1，接触张开刚度系数FKOP取值0.01~0.1。上述方案中步骤四具体为：（1）设置瞬态动力学分析类型，采用Newmark直接积分法进行瞬态动力学计算；（2）时间增量的设置，在下部钻具组合模型的上端在单位时间1s内施加的下入位移量为0.01m~0.03m，使下部钻具组合模型缓慢下入，设置正常的时间增量为0.01s、最大的时间增量为0.1s、最小的时间增量为0.001s；（3）设置收敛准则，力的收敛准则中ReferencevalueofF设置为1e8，ToleranceaboutVALUE设置为0.05，Convergenceno本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，其特征在于：所述套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，将多折面斜向器运用下部钻具组合通过套管开窗段多折面斜向器的有限元仿真方法，所述多折面斜向器准备用于钻井套管开窗，计算下部钻具组合通过套管开窗段所述多折面斜向器时的受力情况，反复修改有限元模型中的参数，对所述多折面斜向器各段的长度和倾角参数进行优化设计，优化出新的多折面斜向器的窗口长度，具体为：步骤一、基于ANSYS有限元软件，进行参数化建模，模型参数包括井眼轨迹参数、下部钻具组合参数、开窗套管参数、多折面斜向器参数；（1）将井眼轨迹参数、下部钻具组合参数、开窗套管参数、多折面斜向器参数按照一定的格式输入到文本文件中，然后将参数读入并存放在ANSYS的二维数组中；a、井眼轨迹参数包括三维井眼参数，三维井眼参数包括井深Lj、井斜角、方位角、垂深H、狗腿度；b、下部钻具组合参数包括几何尺寸参数、材料参数等，几何尺寸参数包括马达弯角、各部件的外径Di、内经Do和长度L，包含的部件有钻头、扶正套、螺杆马达、扶正器、变扣、无磁钻铤、加重钻杆等；材料参数包括弹性模量E、密度ρs；c、开窗套管参数包括套管内径DTi、外径DTo；d、多折面斜向器参数包括段数N、各段长度、各段倾角；（2）根据以上模型参数，将多折面斜向器倾角和螺杆马达弯角安放在同一个平面内，创建下部钻具组合模型，井眼轨迹线根据加密了的实测井眼几何尺寸建成光滑曲线；（3）在套管开窗侧钻位置处创建多折面斜向器模型，根据井斜角、多折面斜向器各段长度和各段倾角，依次创建各折面的关键点和各折面的线段；步骤二、选择BEAM188单元类型，划分单元，创建梁‑梁接触，进行接触单元属性设置和接触计算参数设置；步骤三、对开窗套管、多折面斜向器、开窗后的裸眼井眼施加约束边界条件，下部钻具组合模型施加位移和载荷边界条件；（1）对开窗套管、斜向器和开窗后的裸眼井眼施加约束边界条件，保留目标单元，将对应的梁单元删除；（2）由于下部钻具组合模型的密度是考虑液体密度后的等效密度，施加重力加速度g；（3）在下部钻具组合模型的上端施加下入位移量，通过循环程序在每一个计算时间内施加一定的位移量，每一个计算时间取1s，并输出计算结果；步骤四、选择瞬态动力学分析类型，打开大变形选项，设置时间增量，设置收敛准则，进行模拟计算；步骤五、查看下部钻具组合模型计算结果，判断是否满足强度条件和摩阻力条件；（1）输出计算结果，提取下部钻具组合模型不同位置处位移、接触力、等效应力、轴向力、轴向应力及摩阻力，输出到文本文件中，并绘制变化曲线图和云图，观察曲线变化规律，（2）查看下部钻具组合模型不同位置处的接触力；找出等效应力σ的极值并与许用应力[σ]进行比较，判断下部钻具组合模型是否满足强度要求，分析应力与多折面斜向器参数的关系；计算下部钻具组合模型的摩阻力...

【技术特征摘要】
1.一种套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，其特征在于：所述套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，将多折面斜向器运用下部钻具组合通过套管开窗段多折面斜向器的有限元仿真方法，所述多折面斜向器准备用于钻井套管开窗，计算下部钻具组合通过套管开窗段所述多折面斜向器时的受力情况，反复修改有限元模型中的参数，对所述多折面斜向器各段的长度和倾角参数进行优化设计，优化出新的多折面斜向器的窗口长度，具体为：步骤一、基于ANSYS有限元软件，进行参数化建模，模型参数包括井眼轨迹参数、下部钻具组合参数、开窗套管参数、多折面斜向器参数；（1）将井眼轨迹参数、下部钻具组合参数、开窗套管参数、多折面斜向器参数按照一定的格式输入到文本文件中，然后将参数读入并存放在ANSYS的二维数组中；a、井眼轨迹参数包括三维井眼参数，三维井眼参数包括井深Lj、井斜角、方位角、垂深H、狗腿度；b、下部钻具组合参数包括几何尺寸参数、材料参数等，几何尺寸参数包括马达弯角、各部件的外径Di、内经Do和长度L，包含的部件有钻头、扶正套、螺杆马达、扶正器、变扣、无磁钻铤、加重钻杆等；材料参数包括弹性模量E、密度ρs；c、开窗套管参数包括套管内径DTi、外径DTo；d、多折面斜向器参数包括段数N、各段长度、各段倾角；（2）根据以上模型参数，将多折面斜向器倾角和螺杆马达弯角安放在同一个平面内，创建下部钻具组合模型，井眼轨迹线根据加密了的实测井眼几何尺寸建成光滑曲线；（3）在套管开窗侧钻位置处创建多折面斜向器模型，根据井斜角、多折面斜向器各段长度和各段倾角，依次创建各折面的关键点和各折面的线段；步骤二、选择BEAM188单元类型，划分单元，创建梁-梁接触，进行接触单元属性设置和接触计算参数设置；步骤三、对开窗套管、多折面斜向器、开窗后的裸眼井眼施加约束边界条件，下部钻具组合模型施加位移和载荷边界条件；（1）对开窗套管、斜向器和开窗后的裸眼井眼施加约束边界条件，保留目标单元，将对应的梁单元删除；（2）由于下部钻具组合模型的密度是考虑液体密度后的等效密度，施加重力加速度g；（3）在下部钻具组合模型的上端施加下入位移量，通过循环程序在每一个计算时间内施加一定的位移量，每一个计算时间取1s，并输出计算结果；步骤四、选择瞬态动力学分析类型，打开大变形选项，设置时间增量，设置收敛准则，进行模拟计算；步骤五、查看下部钻具组合模型计算结果，判断是否满足强度条件和摩阻力条件；（1）输出计算结果，提取下部钻具组合模型不同位置处位移、接触力、等效应力、轴向力、轴向应力及摩阻力，输出到文本文件中，并绘制变化曲线图和云图，观察曲线变化规律，（...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，崔巍，许杰，李治淼，徐晔，蒋豹，韩耀图，王晓鹏，
申请(专利权)人：东北石油大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23