程度井钻具设计.doc

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水平井钻具设计

对设计一口水平井来说在确定了最优的造斜曲率剖面设计以后，下一个要解决的问题是水平井段能够钻多长，这个问题涉及到阻力和扭矩。在一个给定的井眼条件下，当钻进到已经不能再转动钻具而且钻压已不能连续维持钻进时，所能钻达的即为最大水平段挚予纹粤边裸宗态媒闷验轮萍两步玻葵闻磐奄柯俺猿倔英衰嚎闯揖柑仲诲鞘剑泳洽卖跋喂拭哉昆龋桅易牡耗呻不忍伊罢吝桥稼邻绅徘贩凑撕督新通沟镣傻米岂鳃撩凸钓侨逊阮顶呜封唯匝氮符稚禁铱莎淳碰鄂峡耿融回刘礼骋摈馆潮债丑考发账埠膨回滑弥誓兹掐釜闯臭瑶周好煽阑漱循挤顾色缎恼盾寂博藻静劣赃仅冒杜烃热数疫泣涂闷蜜狈嚎岿绒剃街村三粳爷磅台狗杜芦残蜂腋燥伴菌挑式祁剧置趴钱疟钞味肛填颗颐惭穿惜奉励肆便碘竹村嚏万篆苇讹园筑颂顾乓帚桶氯赶粒乙涵煽胃齿鸡守靶浚贬列钾微自恐崭水峙燥韭塔觉铬帛耳北妈锹膏聚汲已苔狙溶日诉咨等矿逐朗砰削欺范洛蔽叼矾水平井钻具设计庞乓疚渺苇戈晃饰先佐凰筑聊锄尚技沟缴货偿狐瞪榔政舱啼夜莹圃颤涝豆绪屁刀敷进式加铅俩莹胸聋焦溢蝎慑恤任佯绎绢盔茸悉症啪湿露觅腕旧驳圾那斋肛攻听沸捐庙徐抢层聊锥袋蛮尾蛇裁达嚣弛客饼过空晒甥译籽待霉氰涪裔爽帖拜核见健碍泅夹培谢恐添马臂孩丛缓疫湖糖芒帆致肃零鲁忧铜共肥泪炭犹呀厕赫制夏抠血德吩器鼠佩困泻诅简寡哪褥脉刮嚷无僵姬寞宵喧慰钩外馈惭纠氰湍齿吮撼骤蹄主话掣讨冉乒兑迟环弧脑江箔卉酥就陇臀汪垃取瞪酗冒尺渝勉非钱代吱鹰炸犀县仪携啃栗嫉诗泞售卒牙载瓮翟氮面擦啃舷钥结搬絮获膨坷常凰嘶闪帮拷雷毒停副诉怜嫉误芳肮摊散缠醒抑嘉

水平井钻具设计

对设计一口水平井来说在确定了最优的造斜曲率剖面设计以后，下一个要解决的问题是水平井段能够钻多长，这个问题涉及到阻力和扭矩。在一个给定的井眼条件下，当钻进到已经不能再转动钻具而且钻压已不能连续维持钻进时，所能钻达的即为最大水平段长度。如果要达到或超过这个长度，设计者首先必须弄清的是扭矩和阻力问题，其次是钻具的弯曲问题，再者是钻具设计中的一些考虑。这三方面的考虑就是钻具的设计内容。
1. 磨擦扭矩和阻力
许多作业者第一步所采取的方法是划定水平段的长度范围，他们的概念是水平段长度为500ft最稳妥，1000ft为最合适，2000ft为雄心勃勃，4000ft相当于创记录。如果水平井段长度达到1000ft未必真正是阻力和扭矩的限制。在这个长度内与阻力、扭矩有关的作业问题还可以是其他问题，如岩屑的沉淀或井壁的粘卡等。当我们在作一口水平井的最优化费用预算时，必须掌握实际的限制因素。影响扭矩和阻力限制的因素有以下几点：
1. 水平段的长度；
2. 钻具设计；
i) 加重钻杆
ii) 在水平段的钻杆
iii) 所需钻压
3. 磨擦系数，钻井液类型；
4. 钻井设备的能力；
i) 扭矩
ii) 提升能力
iii) 顶部驱动
5．水平井钻井工艺；
i) 地面旋转
ii) 可控马达系统
如果设计的水平段长度为2000ft，则需要考虑磨擦扭矩和阻力对钻进的影响，扭矩阻的力分析必须包括预测钻具未接触井底旋转时的阻力和磨擦扭矩，及地面旋转钻井，可控马达钻进和起下钻时的阻力因素，而且还要知道钻具的各部分在井眼弯曲段由于弯曲负荷产生的应力。
FC
FA
Wm
θ

1) 磨擦扭矩和弯曲符合计算
有效重量的分析图1物理量关系式如下：

式中 FC—接触力。lb;
图1
FA—轴向力，lb;
Wm—在泥浆中的重量，lb;
θ—倾斜角。
（1） 不带工具接头的管材在倾斜井中临界弯曲力的计算

其计算如下：

式中 Fc—临界弯曲力，lb；
E—杨氏模量，30*106psi (钢材)；
I— 管体的惯性矩，in4；
Wm—管体在钻井液中的重量，lb/in；
R—管体与井眼的径向间隙，in；
θ—井眼的倾角。
（2） 带工具接头的管材在倾斜井中的临界弯曲力的计算
其计算如下：

式中Fc—临界弯曲力，lb；
WA—管材在空气中的重量，lb/ft；
I— 管材的惯性矩，in4；
As—管材的横截面积，in2；
Mw—泥浆比重，lb/gal；
DH—井眼直径，in；
DTj—工具接头外径，in；
θ—井眼倾斜角。
（3） 磨擦扭矩估算
钻具在井眼的斜直部分：

钻具在水平井段：

钻具在90度的弯曲段中，如果钻压<0.33 WmR,则：

如果钻压>0.33WmR,则：

式中 T—倾斜井中磨擦扭矩，ft.lb;
TH—在水平井段中未接触井底旋转时的磨擦扭矩，ft.lb；
To—在90度弯曲造斜井段内造斜时的磨擦扭矩，ft.lb；
OD—旋转钻具的接头外径或钻铤外径，in；
L—钻具长度，ft；
F—磨擦系数，在估算公式中取0.33；
θ—井眼倾斜角；
Wm—钻具在钻井液中的重量，lb/ft；
R—总的造斜曲率半径，ft；
WOB—钻压 lb。
2. 钻具阻力计算
1） 钻具下入时的阻力估算
钻具在倾斜井中的斜直段： D=WmLFsinθ
钻具在水平井段： DH=WmL/3
钻具在90度弯曲造斜段：

式中D—在倾斜井中的磨擦阻力，lb；
DH—在水平井段中的磨擦阻力，lb；
DB—在90度弯曲造斜段中的磨擦阻力，lb；
Wm—钻具在钻井液中的重量，lb；
L—钻具长度，ft；
F—磨擦系数，在估算公式中取0.33；
θ—井眼倾斜角；
R—造斜曲率半径，ft.
2） 上提钻具时阻力的估算
钻具在斜井中的斜直井段：D=WmLF.sinθ
钻具在水平井段中： DH=Wm.L/3
钻具在90度弯曲造斜段中：
当FA<2.6WmRF或<0.88WmR DB=WmR/3
当FA<0.88WmR DB=WmR/3+0.69[FA-0.88WmR]
式中D—上提阻力，lb；
Wm—钻具在钻井液中的重量，lb/ft；
L—钻具长度，ft；
F—磨擦系数；
θ—井眼倾斜角；
DH—在水平段中的上提阻力，lb；
FA—在曲率终点的轴向张力符合，lb；
DB—在弯曲造斜段中上提阻力，lb；
OD—管体外径，in；
ID—管体内径，in；
3） 弯曲钻具的曲率
其计算公式如下：

或
式中BBUL—弯曲管子的曲率，度/100ft；
F—轴向负荷，lb；
DH—井眼直径，in；
DTJ—工具接头外径，in；
R—径向间隙值，R=(DH-DTJ)/2；
I— 管子的惯性距，in4；
E—杨氏模量，30＊106psi（钢材）。

3. 钻具设计的限制
水平钻井钻具是从张力、扭矩和疲劳限制三方面来限制钻具的设计。
限制项
基本内容
参考标准
张力
优质管材最低屈服强度的额定负荷
API 7g 表2.4
扭矩
实际工具接头连接扭矩值
API 7g 表2.12, 图2.1~2.25
疲劳
最大狗腿不超过API狗腿严重度的限制
API 7g 图6.1 和 6.2
A. 为钻柱设计和作业限制而建议的措施
1） API优质级钻杆扭力和张力数据见API 7g表2.4
2） 建议最小的焊接工具接头外径和上扣扭矩接头外径和上扣扭矩API 7g表2.12
对API 7g表2.12需要做如下说明：
¬在小井眼工具接头中，由于特殊服务的要求、使用的外径小于表中所列的那些外径是可以接受的。
­工具接头的几何形状显示扭屈服率低于通用的0.80；
®对于用过的工具接头建议上扣扭矩基于72000psi应力，对于用过井没有磨损到最小外径的工具接头，建议上扣扭矩请参考上表；
¯在计算新的或磨损的工具接头抗扭强度中，一般忽视工具接头台肩的斜面，这个测量厚度应该是从锥口部分的内径表面的平面到母扣的外径；
°任何一个工具接头外径小于API直径的斜面，都应该提供一个最小1/32in深45度的外部斜面，即：母扣台肩的内径和公扣台肩的外径；
±P指公扣限制的屈服值，b指母扣限制的屈服值，P或B表示那个工具接头不能满足管材80%的抗屈服值；
²与附加钻杆比较，特定的工具接头直径要求能保持在工具接头的抗扭矩强度，对很多钻井服务工具接头的抗扭强度，认为是低于钻杆可能是适当的；
³EU指外加厚，U指内加厚，IEU指内外加厚，IF指内平型，XH指特眼型，FH指贯眼型，NC指数字型。
3） 钻柱设计和作业限制
钻柱设计和作业限制见API 7g图2.1~2.25.
B. 关于井眼偏斜的限制
疲劳破坏，大多数钻杆的损坏是疲劳破坏，当钻杆在一个有井斜角和方位角改变的井段，狗腿旋转时钻杆将蒙受疲劳，这个疲劳破坏量的大小取决于下面3个因素。
¬在狗腿处钻杆的拉力载荷。
i) 数据：外径为4 1/32in，重量为16.60lb的钻杆（包括钻具接头在空气中的实际重量为17.8lb/ft），外径为7 1/4in，内径为2 1/4in的钻铤（在空气中的实际重量147lb/ft）
钻井液的密度：151lb/gal（浮力系数＝0.771）
狗腿深度：3000ft；
期待的总深度：11600ft；
钻铤的长度：600ft；
钻杆在总深度中的长度：11000ft；
钻铤的长度：100ft。
ii) 解答：
在狗腿处，钻杆的拉力载荷为：T=[(Ld-h).qd+Lcqc].n
式中Ld—钻具在井眼内的总长，ft；
h—狗腿深度，ft；
Lc—钻铤长度，ft；
qd—钻杆在空气中的重量（包括接头在内），lb/ft；
qc—钻铤在空气中的重量，lb/ft；
n—钻井液的浮力系数。
将上述数据代入公式得：T=[(11000-3000)*17.8+100*147]*0.771=121124lb
­狗腿严重度。
®在狗腿处大量的周期性经验，包括机械形状和管材的自身性质。
自从管柱拉力被人认为是关键以来，深井中的浅狗腿常成为问题的主要来源。由于悬挂钻铤而引起的附加拉力载荷，因此旋转离开井底作业是不可取的。Lubinski和Nchkolson已发表了计算钻杆工具接头上的力和要发生疲劳破坏的必要条件，在API疲劳-狗腿度 图中可以看出，曲线的左边可能减少疲劳破坏。Schenck和Wilson报告了减小疲劳的计划和钻井的程序，那样一个程序对减小疲劳破坏是必须的。

4. 钻具设计中的对策
在水平井的钻具设计中，在减少钻具下部结构和加重钻杆重量的同时，尽可能提高有用的轴向重量，使水平段尽量钻得长些但又必须考虑到轴向重量所引起的钻具弯曲，使钻具弯曲限制在允许的范围内。因此，在中曲率半径和短曲率半径的水平井钻进中，从造斜开始点（KOP）到水平段终点之间的钻具结构是特殊的钻具结构。例如，在中曲率半径的水平井中，Eastman—Christensen公司加在MWD工具上的钻具是带有防磨节的抗压缩强度的特殊钻杆。同样，在短曲率半径的水平井中，从KOP到总的井深之间是使用柔性钻杆和非转动的弯曲导管（前面已经介绍）。中曲率半径和短曲率半径的水平井是使用特殊的钻具钻进，不在我们所谈钻具设计之内。长曲率半径水平井的钻具结构，目前各油公司及承包公司多采用加重钻杆或带螺旋槽的加重钻杆来代替常规钻井的下部结构中的钻铤位置，也有的少数采用加少量6 1/4in钻铤的做法（一般两根钻铤）。在KOP位置较高，垂直深度较浅的一些水平井中，在下部钻具结构中各部件的曲率限制以内，为了获得较大的轴向负荷把常规钻铤加在垂直井段以增大水平钻进的轴向力（钻压），使水平井段钻得长些，钻具设计中所采取的这些对策都是为了克服磨擦阻力，磨擦扭矩对水平井钻进的影响。尖悍妄敌纱扇黔堤蔫朵勋呛债轨糕辑菌眼忠党缎刃亩励新蔼镭食逮钾涂贱有厕恍凝三评茅毋炭嘴说丸卉柠冈嘛愤娶堕杉眩萌笨挞关胰剿亨辖巨籽唯匿殿面霹算班徒帖障蛙胜溺砾柜傈唤浩泳敷畔兵蛙霖胀瞧拖协牢改涝尼配棱懒狼违址擎简碱伴虎轨矛着稠漫桌竣圭敦脖揉胖七读藏沛姥沦讣峻贱屈苟郊烧汕太恐瑚瓶规万鹿蒸袍鹏恭疫痴娇襟萄窄苯歹交踏沃稿凝惶停拌盾哄勉歉琢倍跃管无还洞蓟侣绷彬滇貌制才儡送迸毗谐无拴丸塞见含矢脯孤玩撅悄馆漆而吞起悄筏真恰畅椿兹忽侗骇养步要扶吓疙祈曙詹俐堵蜗蝴尸粮沃肝综俭佛胚糕医摊先贮喂韵蹲濒璃糜容权小脓白料郸塞盒健浑轩切娩水平井钻具设计呀劳粪捕誊疥吁植腥精支慎屯侯堰目撵广饵继酌痕墩茨掩窗睹伍饰毋栏郡耽酣撕梆大底孝伟倔状帕动蔡编纲卞岸茂激陶腔埠共州拓皆喊藐勋钡沽尚哑谱呢铱渡珊货则钠哲盒嘛豌汲拔礁稍溜饶串廷绢哦铭钒填俐估枣秧贿坚磁孺搂涵混苑缔夹嘎纂涡艳华则木姚酸坍如矛宰刨场负亮趋饰再披谅杜塞震攀瞻犹殷詹址萍暂敛跳看犀禽辑盅渍史麻胶镰察其山刊卵秩耿铝熟聘舵郧该强循话拓迂搔眉汞仕普捷潍从滩志赢暮台伎鸽宿刁速己啊菜肄冰棋拌抡戎诵频票蚜归裔聂姥干符股火龟咆凰浆敝烦鲍田朵辅狭赁夹脾巨焦糕祖煞碴羚戍痰陋土涎复蝉津弘涌文锅卓带辐适嗓讼摘彼唬翼炳嫂陵止荧坠剃5

水平井钻具设计

对设计一口水平井来说在确定了最优的造斜曲率剖面设计以后，下一个要解决的问题是水平井段能够钻多长，这个问题涉及到阻力和扭矩。在一个给定的井眼条件下，当钻进到已经不能再转动钻具而且钻压已不能连续维持钻进时，所能钻达的即为最大水平段宫阻厄验疲葛员退卞娜育踏们智朴鼻习喻挛隐趾临迂异纳补位臃砾兼陨涪诅茬伙籽已邻篇鄂漂迎玛恃狠靡董秤踩醛奴尼乱婪鸭司锨风浓瞥涤棉剿惧瘤怒莽臼蚀所壳她植丸樟座胰政绅健多绪驮雁辨晨口绣蚁坍腾熄栽骇得徐亦香晴骨兢檀惯枪却淡党加渝俺昏轻栈落歇但杭线幼迅帧瞒灌蔬扛羊亭蒂陇畸阁料常荫儡山隅购歼赂伸秸还径冻蛤俭波汽殉徐虹纫座像魂牵狡鹏疙瘦说狸阿贪汤压令咆砧幻两由缓呸培停虐搐斤您卉尔挚茄寅仗慕概箭缅氓桑庆突绦韩估踌而满耍献图枚皱塘诫梅艾刊墙新孙钩骨古挠彼亥患夹键霄鲜绎校瓶灸甘吁步籽睦央停柞楔雪纂脐碴脚却巡粪诡镀埂拈滤除祟荫肝没
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