水平井钻具设计

1、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

2、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：2 .水平段的长度；3 .钻具设计；1) 加重钻杆11) 在水平段的钻杆111) 所需钻压112) 系数，钻井液类型；113) 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，

3、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。图11)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：%=WmsinFa=WfnCQS式中Fc一接触力。lb;Fa一轴向力，lb；Wm在泥浆中的重量，lb;0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:i2550I.Wa(65.51Mw).sin万DTJ式中Fc临界弯曲力，lb;Wa一管材在空气中的重量,I一管材的惯性矩，in4;lb/ft;16As一管材的横截面积,2ID2*E.I.Wm.sin-式中Fc临界弯曲力，lb;E杨氏模量，30*106

4、Psi(钢材)；I一管体的惯T矩，in4;Wm一管体在钻井液中的重量，lb/in;R一管体与井眼的径向间隙，in;0一井眼的倾角。(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：Mw泥浆比重，lb/gal;Dh一井眼直径，in；DTj一工具接头外径,0井眼倾斜角。(3)磨擦扭矩估算钻具在井眼的斜直部分：OD.Wm.L.F.sin24钻具在水平井段:钻具在90度的弯曲段中,如果钻压ThODWm.L72<0.33WmR,贝U：To=OD.Wm.R72如果钻压0.33WmR,贝U：OD.Wm72.ROD八WOB460.33WmR式中T倾斜井中磨擦扭矩，ft.lb;Th一在水平井段

5、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一钻具长度，ft;F磨擦系数，在估算公式中取0.33;0一井眼倾斜角；Wm一钻具在钻井液中的重量，lb/ft;R一总的造斜曲率半径，ft;WOB一钻压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=WmLFsin0钻具在水平井段：Dh=WmL/3钻具在90度弯曲造斜段：W一R三Db=mWOB.e2-1=0.69*WmR/2WOB2式中D在倾斜井中的磨擦阻力，lb;DH一在水平井段中的磨擦阻力，lb;易一在90度弯曲造斜段中的磨擦阻

6、力，lb;W1一钻具在钻井液中的重量，lb;L一钻具长度，ft;F磨擦系数，在估算公式中取0.33;0一井眼倾斜角；R一造斜曲率半径，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.sin0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<0.88WmRDB=WmR/3当FA<0.88WmRDB=WnR/3+0.69FA-0.88WmR式中D-上提阻力，lb;Wm钻具在钻井液中的重量，lb/ft;L一钻具长度，ft;F磨擦系数；0一井眼倾斜角；Dh一在水平段中的上提阻力，lb;Fa一在曲率终点的轴向张力符合，lb;Db

7、一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:BBULF.R*57,3*12*1002EI17190*F,(Dh-Dtj)BBUL=Ej式中Bbul一弯曲管子的曲率，度/100ft；F轴向负荷，lb;Dh一井眼直径，inDtj一工具接头外径，in；R一径向间隙值，R=(Dh-Dtj)/2;I一管子的惯性距，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。限制项基本内谷参考标准张力优质管材最低屈服强度的额定负荷API7g表2,4扭矩实际工具接头连接扭矩值API

8、7g表2,12,图2,12,25疲劳最大狗腿不超过API狗腿严重度的限制API7g图6,1和6,2A,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API7g表2,42)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API7g表2,12对API7g表2,12需要做如下说明：量小井眼工具接头中，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。F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；%计算新的或磨损的工具接头抗扭强度

9、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；文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；W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；- EU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

10、7g图2,12,25,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3个因素。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-在狗腿处钻杆的拉力载荷。i） 数据：外径为41/32in,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71/4in,内径为21/4in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：10

11、0ft。ii） 解答：在狗腿处，钻杆的拉力载荷为：T=（Ld-h）.qd+Lcqc.n式中Ld一钻具在井眼内的总长，ft；h一狗腿深度，ft;L钻铤长度，储qd一钻杆在空气中的重量（包括接头在内），lb/ft;qc一钻铤在空气中的重量，lb/ft;n一钻井液的浮力系数。将上述数据代入公式得：T=（11000-3000）*17.8+100*147*0.771=1211241b可句腿严重度。*£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。Lubi

12、nski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，EastmanChristensen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