©2010-2026 宁波自信网络信息技术有限公司 版权所有
客服电话：0574-28810668 投诉电话：18658249818
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490
关注我们 ：
1、 使用TDFEA确定水平井的最大延伸极限 摘要： 水平井具有泄油面积大、单井产量高、穿透度大、储量动用程度高、可避开障碍物和环境恶劣地带等优点。随着国内水平井技术的发展和应用，水平井的水平段越打越长，因此，在设计阶段，如何确定水平井的最大延伸极限，并进行合理的钻井设计显得越来越重要，本文从钻柱力学方面来确定一口水平井的理论延伸极限，并结合实际，使用TDFEA软件根据现场数据反算摩阻系数后，可较为准确的计算水平井的最大延伸极限，其结果与现场实际情况相吻合。 熊歆斌 2011年12月2日 1 Navigator Dr
2、illing Studio技术文档 使用TDFEA确定水平井的最大延伸极限 1 前言 水平井具有泄油面积大、单井产量高、穿透度大、储量动用程度高、可避开障碍物和环境恶劣地带等优点。随着国内水平井技术的发展和应用，水平井的水平段越打越长，因此，在设计阶段，如何确定水平井的最大延伸极限，并进行合理的钻井设计显得越来越重要。 本文采用NDS系统中的摩阻扭矩分析软件TDFEA，从钻柱摩阻方面来确定一口水平井的理论延伸极限，并结合实际，使用TDFEA软件根据现场数据反算摩阻系数，与实际的施工极限相比较，结果吻合较好。 2 井基本情况 X03
3、0-H3井为一口水平井，垂深约2710米，此井重点关注的是采用常规螺杆定向，看水平段最长能打多少米。（实际施工，水平段长不到1000米。） 2.1设计轨道 本井提供的数据只有实钻轨迹，请见文后附录1，根据实钻反推其设计轨道大致如下，造斜点在2300米左右，平均造斜率约为4~5度/30米，水平段长约1000米： 其垂直投影图如下： 2.2井身结构 X030-H3的井身结构为三开结构，最后一开裸眼为152.4mm： 开钻次序 井 深（m） 钻头尺寸（mm） 套管尺寸（mm） 一开 0-1550 Φ311.2×1550m Φ244.5 二开 -2893 Φ2
4、19.5×2893m Φ177.8 三开 -3850 Φ152.4×3850m 将其输入到NDS的井身结构编辑器中，如下图所示： 2.3钻具组合 X030-H3的三开水平段钻具组合大致如下（只保留了主体结构，忽略了仪器、螺杆、接头等细节），下部井段为3寸半钻杆，上部大井眼为5寸钻杆，为防止屈曲，中间采用了20根加重钻杆： 3 水平井最大延伸极限 在确定水平井延伸极限时，最主要的决定因素就是钻杆是否发生屈曲。如果发生屈曲，钻压无法正常到达钻头，严重的导致钻具自锁，最终导致无法钻进。因此，通过钻柱力学分析，施工中，钻具不会发生屈曲的最大井深，就是该水平井在摩阻
5、力学方面的最大极限（一般情况下，此时抗拉，抗扭等校核安全系数都还比较大）。 此外，如果井深很大，还需要分析水力学方面的极限，即最大泵压限制和水平井携岩能力要求等。本文所列举的井，测深一共4000米，水力学方面基本可以满足，在此不做详述。 3.1屈曲理论基础 当钻杆承受过大的轴向压缩载荷时，钻杆会因较小的抵抗轴向阻力而失效变弯，导致屈曲。这种现象类似于“压杆失稳”。一旦轴向压力超过了正弦临界屈曲力，钻柱会发生正弦屈曲（蛇形）。在这个阶段，钻柱会沿着井眼的低边如蛇状弯曲，如下图左所示： 继续增加钻压，将导致钻柱的轴向压力继续增加，如果超过了螺旋临界屈曲力，钻柱将由正弦弯曲过渡到螺旋弯曲
6、即沿着井壁盘成螺旋状，如上图右所示。 屈曲是由于钻柱承受压力引起的，因此只有在旋转钻进和滑动钻进情况下才有可能发生屈曲，但绝大多数发生在滑动钻进过程。 钻柱一旦发生屈曲，将会产生一系列井下复杂和事故的发生，比如摩阻剧增、钻柱自锁、卡钻、钻具断裂等。因此在设计阶段，合理地设计钻具组合，从而避免屈曲的发生就显得非常必要。 在API RP 7G中，所列出的正弦屈曲极限公式如下： 而螺旋屈曲极限则为正弦屈曲极限的1.414（2的平方根）倍。 3.2如何预防屈曲的发生 从上一节理论分析中可知，当钻柱受压因此，要防止钻井中屈曲的发生，可以从两个方面入手： l 改变钻柱受力，减少钻杆所受
7、的最大压力； l 提高钻具抗屈曲的能力（即屈曲极限）。 在钻井设计基本固定的情况下，改变受力的有效手段是倒装加重钻杆，将较重的加重钻杆布置在45度井斜以上可以获得最佳的改变效果，利用自身重力，可有效减少钻杆受压段。另外改变受力的方式还有采用较小的钻压、以及各种减少摩阻的措施（如提高钻井液润滑性能等）。 如果改变受力仍然有屈曲的情况发生，那就应该提高钻具的屈曲极限。在API RP 7G中，所列出的正弦屈曲极限公式如下： 而螺旋屈曲极限则为正弦屈曲极限的1.414（2的平方根）倍。 从上面的公式可以看出，屈曲极限与井斜角、钻具线重、浮力系数、材料杨氏模量、钻具截面属性（极惯性矩）成正
8、比，与钻具与井眼间隙成反比。由于钢的杨氏模量是定值，与钢级无关，而浮力系数变化很小，井斜角是由轨迹自身确定的。因此，提高屈曲极限的方式主要包括： 1. 采用较粗的钻具和较细的井身结构； 2. 外径不变得情况下，采用较厚的钻具（如加重或者加厚）； 3. 采用线重大的钻具； 当然，上面的方法在提高屈曲极限的同时，较小的间隙和较大的壁厚都会导致水力压耗加大，泵压提高，而采用线重大的钻具，本身也会一定程度增加摩阻，因此，需要结合实际情况分析应用。 3.3摩阻实例计算 在X030-H3井中，上部采用了5寸钻杆，并在3寸半钻杆中安放了20根加重钻杆以改善受力和提高屈曲极限，下面用NDS的摩阻扭
9、矩软件TDFEA进行分析，其输入如下 ： 其中，摩阻系数采用水基泥浆的经验系数，套管内0.29，裸眼内0.37，与采用实际现场起钻时摩阻约12吨反算的摩阻系数一致。 分别对下钻、定向钻1吨钻头钻压、定向钻5吨钻头钻压以及复合钻5吨钻压进行校核，计算得到的结果综述如下，抗拉、抗扭、三轴应力以及侧向力都在安全范围。 下面是屈曲分析的结果图： 可见当井深到3850米时，加一吨钻压都会导致2400米左右的钻具发生螺旋屈曲，下钻会发生正弦屈曲。当发生正弦屈曲时，钻压还可以到达钻头，螺旋屈曲则基本无法钻进。因此，假设加1吨钻头钻压时钻头能破岩，则当某一个延伸长度时，钻柱发生正弦屈曲，而
10、未发生螺旋屈曲时的井深即为延伸极限。则调整钻头深度，本趟钻具组合的延伸极限为3710米，如下图所示： 3.4倒装加重的原则 一般来讲，为防止屈曲进行的加重钻杆倒装，应该安放在45度井斜以上，才能到达最佳效果，但具体放在什么位置，则需要根据受力分析结果来确定，把加重钻杆安排在最危险的地方（即受压最大的地方 ）。 从上图可以看出，加重钻杆的位置在发生屈曲段的上面，因此，还可以对加重钻杆位置进行优化，提高此井的水平段延伸极限。下面是将加重钻杆位置下移约500米后的延伸极限，仍以1吨钻压为最小钻压，起延伸极限从3710提高到3865米，如下图所示： 4 结论 1. 通过摩阻扭矩软件计
11、算，可将1吨钻压时，钻具发生正弦屈曲而不发生螺旋屈曲的最大井深作为理论的水平井最大延伸极限。软件根据实钻数据和现场参数进行模拟，与实际现场情况基本吻合。 2. 防止钻井中发生屈曲的措施主要从两方面入手： 1）改变钻柱受力，减少钻杆所受的最大压力； 2）提高钻具抗屈曲的能力（即屈曲极限）。 3. 倒装加重钻杆是防止屈曲发生的有效手段。 4. TDFEA摩阻扭矩分析软件可以分析倒装加重钻杆的最佳位置，能提高水平井的极限延伸能力。 5. 摩阻分析确定的水平井极限延伸能力，还要与水力学、实际钻井工艺等限制条件结合，满足钻井其它限制条件的延伸长度，作为最终的极限延伸长度。 附录
12、1 实钻测斜数据表 测深 (m) 井斜 (deg) 网格方位 (deg) 垂深 (m) 北坐标 (m) 东坐标 (m) 狗腿度 (deg/30m) 闭合距 (m) 闭合方位 (deg) 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 1625.00 0.33 0.00 1624.99 4.68 0.00 0.01 4.68 0.00 1650.00 0.26 0.00 1649.99 4.81 0.00 0.09 4.81 0.00 1675.00 0.36
13、 0.00 1674.99 4.94 0.00 0.12 4.94 0.00 1700.00 0.22 0.00 1699.99 5.07 0.00 0.17 5.07 0.00 1725.00 0.30 212.93 1724.99 5.06 -0.04 0.60 5.06 359.59 1750.00 0.42 226.12 1749.99 4.94 -0.14 0.17 4.94 358.41 1775.00 0.46 1.66 1774.99 4.98 -0.20 0.97 4.98 357.70
14、1800.00 0.62 304.80 1799.99 5.16 -0.31 0.63 5.16 356.59 1825.00 0.68 331.72 1824.99 5.36 -0.49 0.37 5.38 354.81 1850.00 0.44 310.63 1849.99 5.56 -0.63 0.37 5.59 353.52 1875.00 0.48 17.07 1874.98 5.72 -0.67 0.60 5.76 353.28 1900.00 0.67 30.45 1899.98 5.94 -0.5
15、7 0.28 5.97 354.53 1925.00 0.68 30.40 1924.98 6.20 -0.42 0.02 6.21 356.13 1950.00 0.61 6.68 1949.98 6.46 -0.33 0.33 6.47 357.09 1975.00 0.65 20.47 1974.98 6.72 -0.26 0.19 6.73 357.75 2000.00 0.62 38.12 1999.98 6.96 -0.13 0.24 6.96 358.92 2025.00 0.58 72.52
16、2024.98 7.10 0.07 0.42 7.10 0.57 2050.00 0.71 98.74 2049.97 7.12 0.34 0.38 7.12 2.76 2075.00 0.68 94.10 2074.97 7.08 0.64 0.07 7.11 5.19 2100.00 0.55 53.04 2099.97 7.14 0.89 0.54 7.20 7.08 2125.00 0.76 8.82 2124.97 7.38 1.01 0.63 7.45 7.78 2150.00 1.04 357
17、28 2149.97 7.77 1.02 0.40 7.83 7.50 2175.00 1.11 2.72 2174.96 8.24 1.02 0.15 8.30 7.09 2200.00 0.94 26.00 2199.96 8.66 1.12 0.54 8.73 7.40 2225.00 1.04 33.76 2224.95 9.03 1.34 0.20 9.13 8.44 2250.00 1.32 35.18 2249.95 9.46 1.63 0.34 9.60 9.80 2275.00 1.46
18、 39.78 2274.94 9.94 2.00 0.21 10.14 11.39 2300.00 1.33 14.20 2299.93 10.46 2.28 0.75 10.71 12.28 2325.00 3.47 295.84 2324.92 11.07 1.67 4.15 11.20 8.56 2350.00 3.62 339.41 2349.87 12.14 0.71 3.16 12.16 3.34 2375.00 6.80 15.54 2374.77 14.31 0.83 5.31 14.33 3
19、31 2400.00 10.73 39.17 2399.48 17.54 2.69 6.30 17.75 8.73 2425.00 15.21 41.35 2423.84 21.81 6.33 5.41 22.71 16.19 2450.00 20.38 39.64 2447.63 27.63 11.28 6.24 29.84 22.21 2475.00 26.07 40.36 2470.60 35.18 17.62 6.83 39.34 26.61 2500.00 30.68 46.49 2492.59 43
20、76 25.81 6.54 50.80 30.53 2525.00 36.13 54.05 2513.46 52.49 36.42 8.22 63.88 34.75 2550.00 37.40 61.25 2533.50 60.47 49.05 5.39 77.86 39.04 2575.00 38.63 62.25 2553.20 67.76 62.61 1.64 92.25 42.74 2600.00 37.05 64.23 2572.94 74.66 76.30 2.39 106.75 45.62 262
21、5.00 38.33 64.88 2592.72 81.23 90.10 1.61 121.31 47.96 2650.00 43.84 63.63 2611.56 88.37 104.89 6.68 137.15 49.88 2675.00 48.60 61.64 2628.85 96.68 120.91 5.97 154.80 51.35 2700.00 51.72 61.29 2644.87 105.85 137.77 3.76 173.73 52.46 2725.00 55.11 62.19 2659.77
22、 115.35 155.45 4.15 193.57 53.42 2750.00 60.05 64.62 2673.17 124.78 174.31 6.42 214.37 54.40 2775.00 67.11 64.70 2684.29 134.35 194.54 8.47 236.42 55.37 2800.00 72.02 64.37 2693.01 144.42 215.68 5.90 259.57 56.19 2825.00 76.45 64.52 2699.81 154.80 237.38 5.32 2
23、83.39 56.89 2850.00 79.59 64.60 2705.00 165.30 259.46 3.77 307.64 57.50 2869.75 81.03 68.00 2708.32 173.13 277.28 5.55 326.89 58.02 2904.10 85.49 69.42 2712.35 185.51 309.06 4.09 360.46 59.03 2923.64 89.72 70.38 2713.17 192.21 327.39 6.66 379.65 59.58 2932.08 9
24、0.38 70.30 2713.16 195.05 335.34 2.36 387.94 59.82 2941.61 91.48 69.63 2713.01 198.32 344.29 4.05 397.32 60.06 2951.71 92.13 68.99 2712.69 201.88 353.73 2.71 407.29 60.29 2960.77 92.48 68.92 2712.32 205.14 362.18 1.18 416.24 60.47 2971.24 91.24 68.51 2711.98 20
25、8.93 371.93 3.74 426.60 60.67 2980.64 89.52 68.63 2711.92 212.37 380.68 5.50 435.91 60.84 2989.01 89.07 68.17 2712.02 215.45 388.46 2.31 444.21 60.99 2999.25 90.14 67.99 2712.09 219.27 397.96 3.18 454.37 61.15 3008.62 90.72 67.28 2712.02 222.84 406.63 2.94 463.
26、68 61.28 3018.25 89.28 66.45 2712.02 226.62 415.48 5.18 473.27 61.39 3029.15 90.00 66.03 2712.09 231.01 425.46 2.29 484.13 61.50 3038.65 90.24 66.03 2712.07 234.87 434.14 0.76 493.60 61.59 3048.29 90.24 66.10 2712.03 238.78 442.95 0.22 503.21 61.67 3057.93 91.1
27、0 66.09 2711.92 242.69 451.76 2.68 512.82 61.76 3067.75 91.24 66.21 2711.72 246.66 460.74 0.56 522.61 61.84 3076.27 91.13 66.16 2711.54 250.10 468.54 0.43 531.11 61.91 3086.83 91.44 66.57 2711.31 254.33 478.21 1.46 541.63 61.99 3096.81 91.17 67.74 2711.08 258.2
28、0 487.40 3.61 551.57 62.09 3106.40 91.58 68.34 2710.85 261.79 496.29 2.27 561.11 62.19 3115.49 91.20 68.82 2710.63 265.11 504.75 2.02 570.14 62.29 3125.16 90.72 68.82 2710.47 268.60 513.77 1.49 579.75 62.40 3136.09 89.45 69.57 2710.45 272.48 523.99 4.05 590.60
29、 62.52 3144.40 89.93 69.43 2710.50 275.39 531.77 1.81 598.85 62.62 3154.00 89.79 69.28 2710.52 278.78 540.75 0.64 608.38 62.73 3163.65 89.55 68.86 2710.57 282.23 549.77 1.50 617.98 62.83 3174.25 90.96 68.29 2710.53 286.10 559.63 4.30 628.52 62.92 3182.66 90.48
30、67.70 2710.42 289.25 567.43 2.71 636.90 62.99 3193.67 90.65 67.08 2710.31 293.48 577.59 1.75 647.88 63.06 3200.62 89.52 66.06 2710.30 296.24 583.97 6.57 654.81 63.10 3209.36 87.97 66.34 2710.49 299.77 591.96 5.41 663.54 63.14 3221.60 88.76 66.58 2710.84 304.66
31、603.18 2.02 675.75 63.20 3230.91 89.97 68.02 2710.95 308.25 611.77 6.06 685.04 63.26 3240.74 90.52 68.53 2710.90 311.89 620.90 2.29 694.83 63.33 3251.01 90.10 70.19 2710.85 315.51 630.51 5.00 705.05 63.42 3259.96 91.14 70.43 2710.75 318.52 638.94 3.58 713.93 63
32、50 3269.62 90.21 70.69 2710.64 321.74 648.05 3.00 723.52 63.60 3279.24 90.79 70.65 2710.55 324.92 657.12 1.81 733.07 63.69 3289.32 89.90 71.03 2710.49 328.23 666.64 2.88 743.07 63.79 3299.46 90.72 70.95 2710.44 331.53 676.23 2.44 753.13 63.88 3309.41 89.48 70.
33、33 2710.42 334.83 685.62 4.18 763.01 63.97 3317.64 89.52 70.22 2710.49 337.61 693.37 0.43 771.19 64.04 3327.00 90.21 70.58 2710.52 340.75 702.18 2.49 780.49 64.11 3336.77 89.69 72.41 2710.52 343.85 711.45 5.84 790.18 64.21 3346.91 90.10 72.87 2710.54 346.87 721
34、13 1.82 800.21 64.31 3355.97 90.07 73.10 2710.53 349.53 729.79 0.77 809.17 64.41 3366.05 89.28 72.88 2710.59 352.47 739.43 2.44 819.14 64.51 3375.27 89.00 72.81 2710.72 355.19 748.24 0.94 828.26 64.61 3384.96 89.69 72.49 2710.84 358.08 757.48 2.35 837.86 64.70
35、 3394.28 90.07 72.66 2710.85 360.87 766.38 1.34 847.09 64.79 3405.21 90.83 73.23 2710.77 364.08 776.83 2.61 857.91 64.89 3414.98 92.00 73.68 2710.53 366.86 786.19 3.85 867.57 64.98 3423.93 92.89 73.88 2710.15 369.36 794.77 3.06 876.41 65.07 3433.29 92.41 74.07
36、 2709.71 371.94 803.76 1.65 885.65 65.17 3442.62 91.72 74.08 2709.38 374.50 812.73 2.22 894.86 65.26 3452.94 91.20 73.54 2709.11 377.37 822.63 2.18 905.06 65.36 3462.83 91.93 73.33 2708.84 380.19 832.11 2.30 914.85 65.44 3472.91 92.58 74.08 2708.45 383.02 841.78
37、 2.95 924.82 65.53 3482.39 93.27 73.82 2707.96 385.64 850.88 2.33 934.19 65.62 3492.14 93.48 72.70 2707.39 388.44 860.20 3.50 943.83 65.70 3502.15 93.20 70.55 2706.81 391.59 869.68 6.49 953.77 65.76 3511.86 92.31 68.46 2706.34 394.99 878.76 7.01 963.45 65.80 3
38、521.67 92.72 67.66 2705.91 398.65 887.85 2.75 973.24 65.82 3530.67 92.00 67.36 2705.54 402.09 896.16 2.60 982.23 65.84 3540.45 92.48 67.26 2705.16 405.86 905.18 1.50 992.00 65.85 3549.89 92.41 67.04 2704.75 409.52 913.87 0.73 1001.43 65.86 3559.73 92.51 67.54 2
39、704.33 413.31 922.94 1.55 1011.26 65.88 3569.87 91.10 68.30 2704.01 417.12 932.33 4.74 1021.39 65.90 3579.57 89.72 67.98 2703.94 420.74 941.33 4.38 1031.08 65.92 3588.49 87.80 68.11 2704.14 424.07 949.60 6.47 1039.99 65.94 3598.88 87.21 67.64 2704.59 427.98 959.
40、22 2.18 1050.37 65.95 3608.06 87.70 67.50 2705.00 431.48 967.70 1.67 1059.53 65.97 3617.37 88.18 67.54 2705.33 435.04 976.29 1.55 1068.83 65.98 3627.48 89.28 67.25 2705.55 438.92 985.62 3.38 1078.94 66.00 3637.15 88.66 67.46 2705.73 442.64 994.55 2.03 1088.60 6
41、6.01 3645.80 88.35 67.50 2705.95 445.96 1002.53 1.08 1097.25 66.02 3656.36 88.32 66.77 2706.26 450.06 1012.26 2.07 1107.80 66.03 3665.98 88.14 66.60 2706.56 453.86 1021.09 0.77 1117.42 66.04 3675.70 88.80 67.02 2706.82 457.69 1030.02 2.41 1127.13 66.04 3684.75 8
42、9.38 67.15 2706.96 461.21 1038.36 1.97 1136.18 66.05 3694.89 88.86 66.63 2707.12 465.19 1047.68 2.18 1146.32 66.06 3703.99 89.17 66.89 2707.27 468.78 1056.04 1.33 1155.41 66.06 3714.32 88.04 65.99 2707.52 472.91 1065.51 4.19 1165.74 66.07 3723.11 88.18 65.13 270
43、7.81 476.54 1073.51 2.97 1174.53 66.06 3732.16 88.76 64.64 2708.06 480.38 1081.70 2.52 1183.57 66.05 3742.07 89.11 64.88 2708.24 484.61 1090.66 1.28 1193.48 66.04 3752.18 87.80 65.71 2708.51 488.83 1099.84 4.60 1203.58 66.04 3761.15 88.04 65.40 2708.84 492.54 11
44、08.00 1.31 1212.54 66.03 3770.77 88.62 65.14 2709.12 496.56 1116.74 1.98 1222.16 66.03 3780.31 89.79 64.62 2709.25 500.61 1125.37 4.03 1231.70 66.02 3790.89 89.97 64.81 2709.27 505.13 1134.94 0.74 1242.27 66.01 3800.73 90.31 64.80 2709.25 509.32 1143.84 1.04 125
45、2.11 66.00 3809.86 90.83 64.79 2709.16 513.21 1152.10 1.71 1261.24 65.99 3819.73 90.31 66.11 2709.06 517.31 1161.08 4.31 1271.11 65.98 3829.24 90.86 66.31 2708.96 521.15 1169.78 1.85 1280.62 65.99 3834.48 91.41 66.01 2708.86 523.26 1174.57 3.59 1285.86 65.99 3850.00 91.00 66.50 2708.53 529.51 1188.78 1.23 1301.37 65.99 3865.52 91.00 66.50 2708.26 535.70 1203.01 0.00 1316.89 66.00 14
©2010-2026 宁波自信网络信息技术有限公司 版权所有
客服电话：0574-28810668 投诉电话：18658249818
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490
关注我们 ：
