定向井下部钻具组合设计方法

1、SY/T56191999定向井下部钻具组合设计方法代替 SY/T561993Method of bottom hole assembly design in directional wells1 范围本标准规定了井斜角小于 60°的定向井下部钻具组合的设计方法。本标准适用于陆上石油、 天然气及地质勘探钻定向井钻具组合设计， 侧钻井及大斜度井的下部钻具组合设计也可参照使用。2 引用标准下列标准所包含的条文，通过在本标准中引用而构成为本标准的条 文。本标准出版时。所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使 用下列标准最新版本的可能性。SY/T5051 91 钻具稳定器SY/T5172

2、1996 直井下部钻具组合设计方法3 钻铤尺寸及重量的确定3.1 钻铤尺寸的确定3.1.1在斜井段使用的最下一段（应大于27m钻铤的刚度应适用于设 计的井眼曲率。3.1.2 入井的下部钻具组合中，钻铤的外径应能满足打捞作业。3.1.3 钻头直径与相应钻铤尺寸范围的要求见表 1。钻头直径钻铤直径钻头直径钻铤直径120.7(4 3/4)79.4(3 1/8)241.3(9177.8(1/2)7)158.8(6 1/4)152.4(6)104.8(4 1/8)311.2(1228.6(2 1/4)9)203.2(8)215.9(8 1/2)158.8(6 1/4)444.5(17 1/2)228.6

3、(9)3.2无磁钻铤安放位置及长度的确定321无磁钻铤安放位置无磁钻铤的安放位置应根据钻具组合的特性（造斜、增斜、稳斜或降 斜）、具体尺寸和连接螺纹类型，使之尽可能接近钻头。322无磁钻铤长度的确定322.1根据图1确定施工井所在区域。322.2施工井在1区时，无磁钻铤长度根据图2进行确定。图2（ a）为光钻铤组合。在曲线A以下:3 进行确定无磁钻铤长度为 9.1m； 仪器位置距无磁钻铤底部 3.3m。 在曲线 A 以上： 无磁钻铤长度为 18.3m； 仪器位置距无磁钻铤底部 13.6m； 图 2(b) 为满眼或螺杆钻具组合 在曲线 B 以下： 无磁钻铤长度为 9.1m； 仪器位置距无磁钻铤底

4、部 4.5m； 在曲线B和C之间： 无磁钻铤长度为 18.3m； 仪器位置距无磁钻铤底部 6.6m； 在曲线C以上： 无磁钻铤长度为 27.4m； 仪器位置距无磁钻铤底部 13.7m； 3223施工井在 2 区时，无磁钻铤长度根据图图 3 2 区无磁钻铤长度选择图 图3 (a)为光钻铤组合。在曲线 A 以下： 无磁钻铤长度为 9.1m； 仪器位置距无磁钻铤底部 3.3m。 在曲线 A 以上： 无磁钻铤长度为 18.3m； 仪器位置距无磁钻铤底部 14.6m； 图3 (b)为满眼或螺杆钻具组合。 在曲线 B 以下： 无磁钻铤长度为 9.1m； 仪器位置距无磁钻铤底部 4.5m； 在曲线B和C之间

5、： 无磁钻铤长度为 18.3m； 仪器位置距无磁钻铤底部 6.6m； 在曲线C和D之间： 无磁钻铤长度为 27.4m； 仪器位置距无磁钻铤底部 13.7m； 在曲线D以上： 无磁钻铤长度为 36.5m； 仪器位置距无磁钻铤底部 15.7m。3.2.2.4 施工井在 3 区时，无磁钻铤长度根据图 4 进行确定图 4 3 区无磁钻铤长度选择图 图4(a)为光钻铤组合。在曲线 A 以下： 无磁钻铤长度为 9.1m； 仪器位置距无磁钻铤底部 3.3m。在曲线A和B之间：无磁钻铤长度为 18.3m； 仪器位置距无磁钻铤底部 4.5m； 在曲线 B 以上：无磁钻铤长度为 27.4m； 仪器位置距无磁钻铤底

6、部 13.7m； 图4 (b)为满眼或螺杆钻具组合。在曲线 C 以下： 无磁钻铤长度为 18.3m； 仪器位置距无磁钻铤底部 6.6m。在曲线C和D之间: 当无磁钻铤长度为27.4m时；仪器位置距无磁钻铤底部13.7m; 当无磁钻铤长度为18.3m时；仪器位置距无磁钻铤底部 6.6m; 在曲线D和E之间：当无磁钻铤长度为36.5m时；仪器位置距无磁钻铤底部15.7m； 当无磁钻铤长度为27.4m时；仪器位置距无磁钻铤底部13.7m； 在曲线E以上：无磁钻铤长度为91.5m;仪器位置距无磁钻铤底部45.7m。3.3钻铤重量的确定3.3.1常规定向井中钻铤重量的确定根据设计的最大钻压，确定所需钻铤

7、的总重量，再确定钻铤尺寸和 长度。所需钻铤在空气中的总重量按式（1）计算：pkG1= (1)fCOSa式中：Gi所需钻铤在空气中的总重量，kN;p设计的最大钻压，kN;k安全系数，可取1.21.5 ;f钻井液浮力校正系数；a井斜角，（°）。3.3.2深定向井及难度较大定向井中钻铤重量的确定。为了减少钻柱的扭矩、摩擦阻力以及高密度钻井液造成粘附卡钻的 可能性，可米取加重钻杆、普通钻杆和铝合金钻杆代替钻铤加钻压，但 应进行稳定性分析计算。钻杆开始弯曲时的临界压缩载荷按式（2）计算:Fma>=2 (9.8fel p Asin a / 丫)1/2(2)式中:Fmax钻杆开始弯曲时的临界

8、压缩载荷，KNE 弹性模量可取 2.059 X 1011N/ m2 ,N/ m2；f钻井液浮力校正系数；I管材的轴惯性矩，m ;p管材密度，1/m 3；A官材横截面积，mm ;a 井斜角，(°)；丫钻杆与井眼间的间隙值，mm。钻杆稳定性设计所需的条件按式(3)计算:式中:F max> p-WCOSa ( 3)p设计的最大钻压， kN；W 下部钻具组合钻杆以下钻铤的浮重，kN；应用式( 2)和式( 3)确定钻铤、加重钻杆、普通钻杆和铝合金钻杆重量。4 螺杆钻具定向造斜钻具组合的设计4.1 螺杆钻具定向造斜钻具组合的基本形式见图 5。4.2 钻头直径与相应的螺杆钻具尺寸范围按表 2

9、 要求组合。4.3 弯接头角度的确定。表2螺杆钻具组合mm钻头直径螺杆钻具直径117.5152.485.7165.1 200.0127.0212.7250.8165.1250.8311.2196.9311.244 4.5244.5444.5660.4304.8431弯接头可按表3的数据，同时结合本地区的地质特性、钻井实践等因素选取。432弯接头规格的配备：通常应配备1.0 ° ,1.5 ° ,2.0 ° ,2.5 ° ,3.0 °等规格。表3螺杆钻具组合预计造斜率（弯接头式）弯接头工具尺寸，mm角度98.4127.0165.1196.9244.

10、5(° )井径造斜率井径造斜率井径造斜率井径造斜率井径造斜率井径造斜率mm(')/100m rim (° )/100mmm ( °)/100m mm(°)/100 m mn (°)/100m mm(°)/100m1.09.811.58.23.25.74.11.5 120.7 11.5 152.415.6215.9 11.5244.4 12.3 3-1.2 8.244.57.42.013.118.C14.816.411.59.82.516.416.414.84.4弯壳体螺杆钻具应结合本地区的地质特性、钻井实践选用4.5钻头与螺杆

11、钻具之间尽可能不用配合接头。4.6使用图5（d）型螺杆钻具组合时，可通过调节下稳定器的位置来调节工具的造斜率。5转盘钻增斜钻具组合的设计5.1转盘钻增斜钻具组合可选用三种基本形式（见图 6）,基本尺寸要 求见表4。5.2稳定器组合的受力分析及安放位置的计算，推荐使用纵横弯曲连 续梁法，其计算公式见附录 A （标准的附录）。表4 转盘钻增斜钻具组合稳定器安放高度增斜钻具组稳定器安放高度合基本形式_1L2L3图 6（ a）1.0 1.8图 6 (b)1.0 1.818.027.0图 6( c)1.0 1.89.018.09.010.05.3调整钻头侧向力的方法：a） 调整钻头与近钻头稳定器的距离

12、（距离越短，造斜力越大，但不小于1.0m）；b） 调整稳定器之间的距离；c） 调整钻铤尺寸；d） 调整稳定器与井壁的间隙；e） 调整钻压。L25.4使用多稳定器增斜时，当井斜角增大到使第二稳定器失效前,应相应的减小5.5用单稳定器钻具组合钻进，当井斜角小时（小于30°）,钻具组合的方位稳定性较差，使用中应慎重。5.6下部钻具组合刚度增大时，应逐个增加稳定器进行通井，划眼。5.7短钻铤的配备：应配备1.0，2.0，3.0，4.5，6.0 m等规格的短 钻铤。6转盘钻稳斜钻具组合的设计6.1转盘钻稳斜钻具组合有三种基本形式（见图 7）基本尺寸要求见 表5。6.2图7（ c）型钻具组合推存

13、在井斜角30°以上使用。1 钻头；2短钻铤；3稳定器；4 无磁钻铤；5普通钻铤图7转盘钻稳斜钻具组合基本形式表5转盘钻稳斜钻具组合稳定安放高度m稳斜钻具组稳疋器安放冋度合基本形式合基本形式LiL2L3L4图 7（a）.0 1.83.06.09.018.09.027.C图7(b)1.01.84.59.09.018.0 图7(c1.01.89.610.06.3在硬地层或研磨地层中稳斜钻进时，如扭矩大或钻头及稳定器的直径磨损严重，可把螺旋稳定器换成滚轮稳定器。6.4长井段及大井斜角中稳斜钻进时，应采用微增斜钻具组合钻进， 以平衡钟摆降斜力，达到长井段稳斜目的。6.5为加强稳斜效果，可将近钻

14、头稳定器串联使用。6.6可采用转盘钻（转速为50 r/min左右）加弯壳体螺杆钻具稳斜。 7转盘钻降斜钻具组合的设计7.1转盘钻降斜钻具组合有三种基本行式（见图8），基本尺寸要求见表6。1-钻头；2无磁钻铤；3 普通钻铤；4稳定器图8转盘钻降斜钻具组合基本形式表6转盘钻降斜钻具组合稳定器安放高度m降斜钻具组 合基本形式L稳定器安放高度1L2图 8 (a)9.027.0图 8（ b）9.027.09.010.0图 8（ c）0.81.018.027.07.2调整侧向力的方法：a）增加近钻头稳定器到钻头的距离；b）减小稳定器的直径；c）控制钻压。稳定器安放位置的计算按 SY/T5172-1996中

15、的第3章执行。7.3如钟摆钻具组合降斜无效，可用井底动力钻具组合降斜。7.4选用图8（c）型钻具组合时，下稳定器尺寸比上稳定器小。8稳定器的要求8.1稳定器的外型结构见SY/T5051。8.2在软地层中，一般应选用支撑面宽、扶正条较长的螺旋稳定器;在硬地层中，一般应选用支撑面窄、扶正条较短的螺旋稳定器。8.3在阻卡严重的地区，可采用可变径稳定器附录A（标准的附录）纵横弯曲连续梁法A1纵横弯曲连续梁法A1.1纵横弯曲连续梁法计算所使用的符号和单位（见表 A1）表A1纵横弯曲连续梁法计算所使用的符号和单位符号名称单位S第i段钻柱的轴向力NMi第i个稳定器处的钻柱内弯距N mRi第i个稳定器处的井壁

16、反力NR。钻头处的井壁反力NQ i :第I段钻柱的横向载荷N/mI i第1段钻柱的惯性矩m""4E钻柱的弹性模量N/m2P i第1段钻柱在空气中单位长度的重量N/ mPa钢材密度g/cm3Pm，钻井液密度g/cm3a井斜角(°) 丫 i第1个稳定器与井壁间的半径差值mL i第1段钻柱的长度m第I段钻柱的最大挠度O o钻头转角radA1.2计算公式A1.2.1设共有个稳定器，那么第i(I =1, 2,.,n)个稳定器处的三弯矩方程为：Li+1 +2( Ba i LiI iq=y丄3 i iLB i )M Ii+1 Li+1i+1Li +a+1i+1i+1丫 i+1i

17、+13+6EQi+1(A1)4I4Ii其中：Ay i+1 Ay i-1Q i= _i+1Li3i+1a=isin3(2Ui)23y i=Si=(4EI 丫 i+1 Ay i+1i+1(2u) 2u i22u itg (2ui)(tgui UiiLi2 i i3Ui)1/2A.1.2.2切点处的辅助方程为:MLn+16EIn+1qan+1 +24EII 3n+1n+1Ay n+1 Ay nn+1丫 n+1 =L(A2)n+1A.1.2.3个稳定器处的井壁反力R为:其中:R=R +R 丄2i i(A3)=+Mi+1 M+S(AyLi Ay i +1 )2 L2+Mi+1 M S+1i+1i+11(

18、Ay i+1 Ay i)i+1A1.2.4钻头处的侧向力pc为：1+M Si Ay i )Y为:i L2i+1(A4)A1.2.5第i段钻柱的中点挠度Yi=Yi+/+*+/(A5)其中： M i+i LiYi二 16EI iMiLi2i+116EI i1 5q iL4iYi=1 12( ' 2 2 u i cosuiu i1 1 2 ( 2 2 u i cosuiu i2uicosu i 1 2(4384EI i5u i /24 丫 i 丫 i+1 )Y i = Ay i+1 +i+1A1.2.6钻头转角B 0为:A1.2.73ML q i Li丫 iai 丫 i+ 6EI i 24EI i L 各段钻柱的横向载荷表达通式为：Pqi 二R(1 )sina0 o=A1.2.8P c 各段钻柱的轴向载荷为：Li-1 L ip mS 二S1 (Pi-1 +R)(1 2 2i-1)cosa(A6)(A7)(A8)A2使用说明A2.1采用纵横弯曲连续梁法编制的计算机程序，可以较为精确地作出直井中的光钻铤组合、满眼钻具组合、钟摆钻具结合，以及定向井中的转盘钻增斜钻具组合、稳斜钻具组合、降斜钻具组合的设计计算和分析计算。A2.2采用计算机程序计算的