水平井倒装钻具组合设计方法

摘要

本发明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。

主权项

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；F_t＝(μsinα_t‑cosα_t)qL_t+W_s                (1)式中，F_t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；α_t为水平段井斜角，°；q为水平段钻柱每米重量，N/m；L_t为水平段长度，m；W_s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；$c_{ht}=\frac{F_t}{F_{ht}}=\frac{\left({\mathrm{\mu sin\alpha }}_t-{\mathrm{cos\alpha }}_t\right){\mathrm{qL}}_t+W_s}{2\sqrt{\frac{2EIq{\mathrm{sin\alpha }}_t}{r_b}}}---\left(2\right)$式中，c_ht为水平段屈曲因子；F_ht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_b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c_ht＜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c_ht≥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(1)；(5)按式(3)计算造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子；$c_{hp}\left(\alpha \right)=\frac{[F_t-qRsin(2{\alpha }_c-{\alpha }_t)]e^{u({\alpha }_t-\alpha )}+qRsin(2{\alpha }_c-\alpha )}{2\sqrt{\frac{2EIq\sin \alpha }{r_b}}},({\alpha }_1\le \alpha \le {\alpha }_t)---\left(3\right)$式中，c_hp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°；α_c为钻柱自由下滑临界井斜角，°，临界井斜角α_c＝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c_hp(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c_hp(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；L_w＝R·α_w                     (4)式中，L_w为加重钻杆使用长度，m；α_w为指定的加重钻杆下入深度处井斜角，°；井斜角α_w≥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c_hp(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；$\frac{[F_t-qRsin(2{\alpha }_c-{\alpha }_t)]e^{u({\alpha }_t-\alpha )}+qRsin(2{\alpha }_c-\alpha )}{2\sqrt{\frac{2EIq\sin \alpha }{r_b}}}=0.9---\left(5.a\right)$$[F_t-qRsin(2{\alpha }_c-{\alpha }_t)]e^{u({\alpha }_t-\alpha )}+qRsin(2{\alpha }_c-\alpha )-1.8\sqrt{\frac{2EIqsin\alpha }{r_b}}=0---\left(5.b\right)$(8)按式(6)计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力；$F_w=[F_t-qRsin(2{\alpha }_c-{\alpha }_t)]e^{u({\alpha }_t-{\alpha }_w)}+qR\sin (2{\alpha }_c-{\alpha }_w)---\left(6\right)$式中，F_w为计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力，N；(9)按式(7)计算加重钻杆井段钻柱螺旋屈曲因子；$c_{hw}\left(\alpha \right)=\frac{[F_w-q_{w}Rsin(2{\alpha }_c-{\alpha }_w)]e^{u({\alpha }_w-\alpha )}+q_{w}Rsin(2{\alpha }_c-\alpha )}{2\sqrt{\frac{2{\mathrm{EIq}}_w\sin \alpha }{r_{bw}}}},({\alpha }_1<\alpha \le {\alpha }_w)---\left(7\right)$式中，c_hw为加重钻杆段钻柱螺旋屈曲因子；q_w为加重钻杆每米重量，N/m；r_bw为井眼半径与加重钻杆半径之差，m；(10)判断加重钻杆是否螺旋屈曲；若参考点钻柱螺旋屈曲因子c_hw(α₁)＜1.0，则加重钻杆均未螺旋屈曲，或者轻微螺旋屈曲，加重钻杆下入深度合适，转下一步；若参考点钻柱螺旋屈曲因子c_hw(α₁)≥1.0，则加重钻杆有较明显螺旋屈曲，应调整设计参数，转步骤(1)；(11)按式(8)计算造斜点处钻柱轴向力；$F_k=[F_w-q_{w}Rsin(2{\alpha }_c-{\alpha }_w)]e^{u({\alpha }_w-{\alpha }_0)}+q_{w}Rsin(2{\alpha }_c-{\alpha }_0)---\left(8\right)$式中，F_k为造斜点处钻柱轴向力，N；α₀为造斜点处井斜角，°；(12)按式(9)计算加重钻杆使用长度，完成水平井倒装钻具组合设计；$L_w=\left\{\begin{array}{cc}R·{\alpha }_w& F_0<0\\ R·{\alpha }_w+s_N\frac{F_0}{q_w}& F_0\ge 0\end{array}\right.---\left(9\right)$式中，L_w为加重钻杆使用长度，m；s_N为安全系数，取s_N＝1.1‑1.2，确保中性点位于加重钻杆上。