水平井钻具设计.docVIP

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。 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： 水平段的长度； 钻具设计； 加重钻杆 在水平段的钻杆 所需钻压 磨擦系数，钻井液类型； 钻井设备的能力； 扭矩 提升能力 顶部驱动 5．水平井钻井工艺； 地面旋转 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。 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; FA—轴向力，lb; Wm—在泥浆中的重量，lb; θ—倾斜角。 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)； 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。 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； 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。 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。 钻具阻力计算 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. 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FA2.6WmRF或0.88WmR DB=WmR/3 当FA0.88WmR 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； 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； 管子的惯性距，in4； E—杨氏模量，30＊106psi（钢材）。 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