水平井鉆具設(shè)計(jì)

1、水平井鉆具設(shè)計(jì)對(duì)設(shè)計(jì)一口水平井來(lái)說(shuō)在確定了最優(yōu)的造斜曲率剖面設(shè)計(jì)以后，下一個(gè)要解決的問(wèn)題是水平井段能夠鉆多長(zhǎng)，這個(gè)問(wèn)題涉及到阻力和扭矩。在一個(gè)給定的井眼條件下，當(dāng)鉆進(jìn)到已經(jīng)不能再轉(zhuǎn)動(dòng)鉆具而且鉆壓已不能連續(xù)維持鉆進(jìn)時(shí)，所能鉆達(dá)的即為最大水平段長(zhǎng)度。如果要達(dá)到或超過(guò)這個(gè)長(zhǎng)度，設(shè)計(jì)者首先必須弄清的是扭矩和阻力問(wèn)題，其次是鉆具的彎曲問(wèn)題，再者是鉆具設(shè)計(jì)中的一些考慮。這三方面的考慮就是鉆具的設(shè)計(jì)內(nèi)容。1 .磨擦扭矩和阻力許多作業(yè)者第一步所采取的方法是劃定水平段的長(zhǎng)度范圍，他們的概念是水平段長(zhǎng)度為500ft最穩(wěn)妥，1000ft為最合適，2000ft為雄心勃勃，4000ft相當(dāng)于創(chuàng)記錄。如果水平井段長(zhǎng)度達(dá)到

2、1000ft未必真正是阻力和扭矩的限制。在這個(gè)長(zhǎng)度內(nèi)與阻力、扭矩有關(guān)的作業(yè)問(wèn)題還可以是其他問(wèn)題，如巖屑的沉淀或井壁的粘卡等。當(dāng)我們?cè)谧饕豢谒骄淖顑?yōu)化費(fèi)用預(yù)算時(shí)，必須掌握實(shí)際的限制因素。影響扭矩和阻力限制的因素有以下幾點(diǎn)：2 .水平段的長(zhǎng)度；3 .鉆具設(shè)計(jì)；1) 加重鉆桿11) 在水平段的鉆桿111) 所需鉆壓112) 系數(shù)，鉆井液類型；113) 設(shè)備的能力；i) 扭矩ii) 提升能力iii) 頂部驅(qū)動(dòng)5.水平井鉆井工藝；i) 地面旋轉(zhuǎn)ii) 可控馬達(dá)系統(tǒng)如果設(shè)計(jì)的水平段長(zhǎng)度為2000ft,則需要考慮磨擦扭矩和阻力對(duì)鉆進(jìn)的影響，扭矩阻的力分析必須包括預(yù)測(cè)鉆具未接觸井底旋轉(zhuǎn)時(shí)的阻力和磨擦扭矩，

3、及地面旋轉(zhuǎn)鉆井，可控馬達(dá)鉆進(jìn)和起下鉆時(shí)的阻力因素，而且還要知道鉆具的各部分在井眼彎曲段由于彎曲負(fù)荷產(chǎn)生的應(yīng)力。圖11)磨擦扭矩和彎曲符合計(jì)算有效重量的分析圖1物理量關(guān)系式如下：%=WmsinFa=WfnCQS式中Fc一接觸力。lb;Fa一軸向力，lb；Wm在泥漿中的重量，lb;0傾斜角。(1)不帶工具接頭的管材在傾斜井中臨界彎曲力的計(jì)算其計(jì)算如下:i2550I.Wa(65.51Mw).sin萬(wàn)DTJ式中Fc臨界彎曲力，lb;Wa一管材在空氣中的重量,I一管材的慣性矩，in4;lb/ft;16As一管材的橫截面積,2ID2*E.I.Wm.sin-式中Fc臨界彎曲力，lb;E楊氏模量，30*106

4、Psi(鋼材)；I一管體的慣T矩，in4;Wm一管體在鉆井液中的重量，lb/in;R一管體與井眼的徑向間隙，in;0一井眼的傾角。(2)帶工具接頭的管材在傾斜井中的臨界彎曲力的計(jì)算其計(jì)算如下：Mw泥漿比重，lb/gal;Dh一井眼直徑，in；DTj一工具接頭外徑,0井眼傾斜角。(3)磨擦扭矩估算鉆具在井眼的斜直部分：OD.Wm.L.F.sin24鉆具在水平井段:鉆具在90度的彎曲段中,如果鉆壓ThODWm.L72<0.33WmR,貝U：To=OD.Wm.R72如果鉆壓0.33WmR,貝U：OD.Wm72.ROD八WOB460.33WmR式中T傾斜井中磨擦扭矩，ft.lb;Th一在水平井段

5、中未接觸井底旋轉(zhuǎn)時(shí)的磨擦扭矩，ft.lb;To在90度彎曲造斜井段內(nèi)造斜時(shí)的磨擦扭矩，ft.lb;OD旋轉(zhuǎn)鉆具的接頭外徑或鉆鋌外徑，in；L一鉆具長(zhǎng)度，ft;F磨擦系數(shù)，在估算公式中取0.33;0一井眼傾斜角；Wm一鉆具在鉆井液中的重量，lb/ft;R一總的造斜曲率半徑，ft;WOB一鉆壓lb。2.鉆具阻力計(jì)算1）鉆具下入時(shí)的阻力估算鉆具在傾斜井中的斜直段：D=WmLFsin0鉆具在水平井段：Dh=WmL/3鉆具在90度彎曲造斜段：W一R三Db=mWOB.e2-1=0.69*WmR/2WOB2式中D在傾斜井中的磨擦阻力，lb;DH一在水平井段中的磨擦阻力，lb;易一在90度彎曲造斜段中的磨擦阻

6、力，lb;W1一鉆具在鉆井液中的重量，lb;L一鉆具長(zhǎng)度，ft;F磨擦系數(shù)，在估算公式中取0.33;0一井眼傾斜角；R一造斜曲率半徑，ft.2）上提鉆具時(shí)阻力的估算鉆具在斜井中的斜直井段：D=WmLF.sin0鉆具在水平井段中：DH=Wm.L/3鉆具在90度彎曲造斜段中：當(dāng)FA<2.6WmRF或<0.88WmRDB=WmR/3當(dāng)FA<0.88WmRDB=WnR/3+0.69FA-0.88WmR式中D-上提阻力，lb;Wm鉆具在鉆井液中的重量，lb/ft;L一鉆具長(zhǎng)度，ft;F磨擦系數(shù)；0一井眼傾斜角；Dh一在水平段中的上提阻力，lb;Fa一在曲率終點(diǎn)的軸向張力符合，lb;Db

7、一在彎曲造斜段中上提阻力，lb;OD管體外徑，in；ID管體內(nèi)徑，in;3）彎曲鉆具的曲率其計(jì)算公式如下:BBULF.R*57,3*12*1002EI17190*F,(Dh-Dtj)BBUL=Ej式中Bbul一彎曲管子的曲率，度/100ft；F軸向負(fù)荷，lb;Dh一井眼直徑，inDtj一工具接頭外徑，in；R一徑向間隙值，R=(Dh-Dtj)/2;I一管子的慣性距，in4；E楊氏模量，30*106Psi(鋼材)。3.鉆具設(shè)計(jì)的限制水平鉆井鉆具是從張力、扭矩和疲勞限制三方面來(lái)限制鉆具的設(shè)計(jì)。限制項(xiàng)基本內(nèi)谷參考標(biāo)準(zhǔn)張力優(yōu)質(zhì)管材最低屈服強(qiáng)度的額定負(fù)荷API7g表2,4扭矩實(shí)際工具接頭連接扭矩值A(chǔ)PI

8、7g表2,12,圖2,12,25疲勞最大狗腿不超過(guò)API狗腿嚴(yán)重度的限制API7g圖6,1和6,2A,為鉆柱設(shè)計(jì)和作業(yè)限制而建議的措施1) API優(yōu)質(zhì)級(jí)鉆桿扭力和張力數(shù)據(jù)見API7g表2,42)建議最小的焊接工具接頭外徑和上扣扭矩接頭外徑和上扣扭矩API7g表2,12對(duì)API7g表2,12需要做如下說(shuō)明：量小井眼工具接頭中，由于特殊服務(wù)的要求、使用的外徑小于表中所列的那些外徑是可以接受的。F具接頭的幾何形狀顯示扭屈服率低于通用的0,80;- 對(duì)于用過(guò)的工具接頭建議上扣扭矩基于72000Psi應(yīng)力，對(duì)于用過(guò)井沒(méi)有磨損到最小外徑的工具接頭，建議上扣扭矩請(qǐng)參考上表；%計(jì)算新的或磨損的工具接頭抗扭強(qiáng)度

9、中，一般忽視工具接頭臺(tái)肩的斜面，這個(gè)測(cè)量厚度應(yīng)該是從錐口部分的內(nèi)徑表面的平面到母扣的外徑；文何一個(gè)工具接頭外徑小于API直徑的斜面，都應(yīng)該提供一個(gè)最小1/32in深45度的外部斜面，即：母扣臺(tái)肩的內(nèi)徑和公扣臺(tái)肩的外徑；- P指公扣限制的屈服值，b指母扣限制的屈服值，P或B表示那個(gè)工具接頭不能滿足管材80%的抗屈服值；W附加鉆桿比較，特定的工具接頭直徑要求能保持在工具接頭的抗扭矩強(qiáng)度，對(duì)很多鉆井服務(wù)工具接頭的抗扭強(qiáng)度，認(rèn)為是低于鉆桿可能是適當(dāng)?shù)模? EU指外加厚，U指內(nèi)加厚，IEU指內(nèi)外加厚，IF指內(nèi)平型，XH指特眼型，F(xiàn)H指貫眼型,NC指數(shù)字型。3)鉆柱設(shè)計(jì)和作業(yè)限制鉆柱設(shè)計(jì)和作業(yè)限制見API

10、7g圖2,12,25,B,關(guān)于井眼偏斜的限制疲勞破壞，大多數(shù)鉆桿的損壞是疲勞破壞，當(dāng)鉆桿在一個(gè)有井斜角和方位角改變的井3個(gè)因素。段，狗腿旋轉(zhuǎn)時(shí)鉆桿將蒙受疲勞，這個(gè)疲勞破壞量的大小取決于下面-在狗腿處鉆桿的拉力載荷。i） 數(shù)據(jù)：外徑為41/32in,重量為16.60lb的鉆桿（包括鉆具接頭在空氣中的實(shí)際重量為17.8lb/ft）,外徑為71/4in,內(nèi)徑為21/4in的鉆鋌（在空氣中的實(shí)際重量147lb/ft）鉆井液的密度：151lb/gal（浮力系數(shù)=0.771）狗腿深度：3000ft;期待的總深度：11600ft;鉆鋌的長(zhǎng)度：600ft;鉆桿在總深度中的長(zhǎng)度：11000ft;鉆鋌的長(zhǎng)度：10

11、0ft。ii） 解答：在狗腿處，鉆桿的拉力載荷為：T=（Ld-h）.qd+Lcqc.n式中Ld一鉆具在井眼內(nèi)的總長(zhǎng)，ft；h一狗腿深度，ft;L鉆鋌長(zhǎng)度，儲(chǔ)qd一鉆桿在空氣中的重量（包括接頭在內(nèi)），lb/ft;qc一鉆鋌在空氣中的重量，lb/ft;n一鉆井液的浮力系數(shù)。將上述數(shù)據(jù)代入公式得：T=（11000-3000）*17.8+100*147*0.771=1211241b可句腿嚴(yán)重度。*£狗腿處大量的周期性經(jīng)驗(yàn)，包括機(jī)械形狀和管材的自身性質(zhì)。自從管柱拉力被人認(rèn)為是關(guān)鍵以來(lái)，深井中的淺狗腿常成為問(wèn)題的主要來(lái)源。由于懸掛鉆鋌而引起的附加拉力載荷，因此旋轉(zhuǎn)離開井底作業(yè)是不可取的。Lubi

12、nski和Nchkolson已發(fā)表了計(jì)算鉆桿工具接頭上的力和要發(fā)生疲勞破壞的必要條件，在API疲勞-狗腿度圖中可以看出，曲線的左邊可能減少疲勞破壞。Schenck和Wilson報(bào)告了減小疲勞的計(jì)劃和鉆井的程序，那樣一個(gè)程序?qū)p小疲勞破壞是必須的。4.鉆具設(shè)計(jì)中的對(duì)策在水平井的鉆具設(shè)計(jì)中，在減少鉆具下部結(jié)構(gòu)和加重鉆桿重量的同時(shí)，盡可能提高有用的軸向重量，使水平段盡量鉆得長(zhǎng)些但又必須考慮到軸向重量所引起的鉆具彎曲，使鉆具彎曲限制在允許的范圍內(nèi)。因此，在中曲率半徑和短曲率半徑的水平井鉆進(jìn)中，從造斜開始點(diǎn)（KOP）到水平段終點(diǎn)之間的鉆具結(jié)構(gòu)是特殊的鉆具結(jié)構(gòu)。例如，在中曲率半徑的水平井中，EastmanChristensen公司加在MWD工具上的鉆具是帶有防磨節(jié)的抗壓縮強(qiáng)度的特殊鉆桿。同樣，在短曲率半徑的水平井中，從KOP到總的井深之間是使用柔性鉆桿和非轉(zhuǎn)動(dòng)的彎曲導(dǎo)管（前面已經(jīng)介紹）。中曲率半徑和短曲率半徑的水平井是使用特殊的鉆具鉆進(jìn)，不在我們所談鉆具設(shè)計(jì)之內(nèi)。長(zhǎng)曲率半徑水平井的鉆具結(jié)構(gòu)，目前各油公司及承