一種通井底部鉆具組合確定方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種通井底部鉆具組合（通井BHA）確定方法，包括如下步驟：a.針對(duì)目標(biāo)井眼，測(cè)量井徑和井眼曲率特征，明確預(yù)入井套管幾何參數(shù)，測(cè)定通井BHA所用部件（鉆頭、鉆鋌、穩(wěn)定器）的幾何參數(shù)；b.根據(jù)變形能原理，考慮穩(wěn)定器的影響，建立彎曲井眼中管柱的彎曲應(yīng)變能模型；c.計(jì)算不同曲率井眼中通井BHA與待下入套管的彎曲應(yīng)變能；d.提出基于等效剛度系數(shù)的評(píng)價(jià)方法。這種方法可以充分反映井眼、通井BHA與套管的幾何特征及管柱的抗彎剛度的影響，所得通井BHA可以有效逼近待下入套管的彎曲應(yīng)變能。本發(fā)明方法適用于現(xiàn)場(chǎng)確定通井BHA，起到有效的通井效果，確保下套管作業(yè)的順利實(shí)施。
【專利說明】一種通井底部鉆具組合確定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于油氣鉆井井下管柱結(jié)構(gòu)確定【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說是一種通井底部鉆具組合(通井BHA)確定方法。

【背景技術(shù)】
[0002]實(shí)際鉆井作業(yè)中，套管下入遇阻是一個(gè)十分危險(xiǎn)的作業(yè)工況，原因在于套管的連接絲扣為細(xì)扣，無法承受高扭矩和多次上卸扣作業(yè)，易損壞失效甚至導(dǎo)致管柱落井復(fù)雜情況。特別是在一些復(fù)雜地質(zhì)情況下，長(zhǎng)時(shí)間通井可能引發(fā)其它井下復(fù)雜情況，延誤鉆井作業(yè)進(jìn)度或危及鉆井作業(yè)安全。因此，確保套管順利下入十分重要。在工程實(shí)際中，常采用通井BHA來修正井眼，光滑井壁，為套管順利下入做好準(zhǔn)備工作。
[0003]目前，在深井、超深井、大位移井及氣體鉆井等技術(shù)方面涉及鉆柱力學(xué)分析及通井BHA設(shè)計(jì)的研究工作已有很多，但是，關(guān)于通井BHA設(shè)計(jì)分析的文獻(xiàn)很少。目前利用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)匹配的方法設(shè)計(jì)通井鉆具組合，沒有考慮井眼軌跡特征和井徑特征，造成通井效果不理想。而現(xiàn)場(chǎng)通井BHA的設(shè)計(jì)依據(jù)更為缺乏。這也是套管下入遇阻復(fù)雜現(xiàn)象普遍存在的一個(gè)重要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，某油田為了提高巨厚礫石層鉆進(jìn)速度，在某井上利用氣體鉆井取得了很好的提速效果，但由于下套管作業(yè)遇阻和沒有合理的通井鉆具組合，用于通井作業(yè)的額外耗時(shí)在20天以上，大幅度削弱了氣體鉆井的效益。
[0004]因此，合理的確定通井BHA對(duì)于下套管作業(yè)，特別是對(duì)于深井、超深井以及氣體鉆井的下套管作業(yè)尤為重要。由于套管本體外徑大，管壁薄，剛度大，因此只有合理地選擇通井BHA的鉆鋌尺寸和穩(wěn)定器的數(shù)量，合理地設(shè)計(jì)通井BHA的結(jié)構(gòu)，才能近似匹配套管的抗彎剛度，達(dá)到有效通井的目的。本文基于彎曲應(yīng)變能的原理研究帶穩(wěn)定器BHA的等效剛度，設(shè)計(jì)與套管彎曲剛度相近的通井BHA，為套管的順利下入創(chuàng)造條件。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述問題，本發(fā)明提供了一種通井底部鉆具組合確定方法，適用于現(xiàn)場(chǎng)確定通井BHA，保證套管的順利下入。
[0006]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
一種通井底部鉆具組合確定方法，包括如下步驟:
a.針對(duì)目標(biāo)井眼，利用專用測(cè)量工具分別測(cè)定井徑和井眼曲率特征，測(cè)定預(yù)入井套管的幾何、物理參數(shù)，測(cè)定通井BHA所利用部件的幾何、物理參數(shù)；
b.根據(jù)變形能原理，考慮穩(wěn)定器的影響，建立彎曲井眼中管柱的彎曲應(yīng)變能模型；
c.計(jì)算不同曲率井眼中通井BHA與待下入套管的彎曲應(yīng)變能；
d.提出基于等效剛度系數(shù)的評(píng)價(jià)方法，能夠充分反映井眼、通井BHA與套管的幾何特征及管柱的抗彎剛度的影響，所得通井BHA能夠有效逼近待下入套管的彎曲應(yīng)變能。
[0007]所述步驟a中專用測(cè)量工具包括井斜測(cè)量設(shè)備(如電子單多點(diǎn)測(cè)斜儀，MWD/LWD測(cè)量工具等)、井徑測(cè)井工具、專用鉆具量規(guī)、專用材料強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備等。
[0008]所述步驟b中建立彎曲井眼中管柱的彎曲應(yīng)變能模型，具體包括下列步驟: bl.考慮通井BHA中具有較大幾何尺寸的穩(wěn)定器影響；
b2.考慮井眼特征對(duì)管柱端部的邊界約束條件:管柱在鉆頭處假設(shè)為固定端，另一端為自由端，但自由端需根據(jù)井眼特征限定其位移；
b3.建立與井眼曲率和井眼邊界約束相關(guān)的管柱彎曲應(yīng)變能模型。
[0009]⑴
itISpvLi 30d
式(I)為彎曲井眼中管柱的彎曲應(yīng)變能模型。式(2)為水平井眼中管柱的彎曲應(yīng)變能公式。式中:O6為通井BHA的彎曲應(yīng)變能，Mn。5 =,久為井眼直徑，m ;De為管柱






JSf
外徑，m。Α?為井眼曲率半徑，Hi5Mi為抗彎剛度，N.m2。下標(biāo)i用以區(qū)別穩(wěn)定器與鉆鋌的抗彎剛度。勾為分段長(zhǎng)度，m 為端部位移，m ；?為穩(wěn)定器個(gè)數(shù)。
[0010]所述步驟c中計(jì)算不同曲率井眼中通井BHA與待下入套管的彎曲應(yīng)變能，具體包括下列步驟:
Cl.假設(shè)井眼曲率及擴(kuò)徑系數(shù)不同，計(jì)算井眼中通井BHA的彎曲應(yīng)變能； c2.計(jì)算不同組合結(jié)構(gòu)的通井BHA在井眼中的彎曲應(yīng)變能； c3.計(jì)算不同井眼條件下，相應(yīng)套管的彎曲應(yīng)變能。
[0011]所述步驟d中提出的基于等效剛度系數(shù)的評(píng)價(jià)方法，具體包括下列步驟:等效剛度系數(shù)定義為通井BHA彎曲應(yīng)變能與套管彎曲應(yīng)變能的比值，當(dāng)?shù)刃偠认禂?shù)大于I時(shí)，說明通井BHA能夠達(dá)到通井的作用。
_UP_
[0012]U.H2 ^.(3)
取(I —紀(jì))
式中Ui為通井BHA的彎曲應(yīng)變能，Nm, Utm為套管的彎曲應(yīng)變能，Nm, 為套管的抗彎剛度，Nm2 ； St, A*為套管外徑，m。L為計(jì)算管柱的長(zhǎng)度，m。
[0013]本方法可以充分反映井眼、BHA與套管的幾何特征及管柱的抗彎剛度的影響，所得通井BHA可以有效逼近待下入套管的彎曲應(yīng)變能。
[0014]所述通井BHA包括鉆鋌、穩(wěn)定器和鉆頭。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
現(xiàn)有技術(shù)主要包括兩種:一種是以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)匹配的方法設(shè)計(jì)通井BHA，另一種是采用通井BHA與套管剛度匹配的計(jì)算公式。對(duì)于前者，不考慮井眼軌跡特征，按經(jīng)驗(yàn)配備通井BHA,其可能無法通過實(shí)際井眼，或通井效果達(dá)不到套管下入要求。對(duì)于后者，是把穩(wěn)定器作為鉸支，只考察鉆鋌部分、穩(wěn)定器部分的剛度加權(quán)累加結(jié)果與套管的剛度匹配關(guān)系，不僅未考慮井眼曲率的影響，同時(shí)也無法反井眼約束和井徑擴(kuò)大的影響。因此，此兩種方法用來設(shè)計(jì)通井BHA具有很大的局限性。
[0016]本發(fā)明提供的一種通井BHA確定方法，采用彎曲應(yīng)變能原理，考慮了井眼彎曲特征及穩(wěn)定器剛度和尺寸的影響，計(jì)算在不同井眼邊界約束和不同井眼曲率條件下，不同通井BHA與套管的彎曲應(yīng)變能，并計(jì)算通井BHA的等效剛度系數(shù)，隨后按等效剛度系數(shù)接近I或大于I的原則確定所需的通井BHA，為確保下套管作業(yè)的順利實(shí)施提供理論指導(dǎo)。
[0017]本發(fā)明實(shí)施例采用變形能原理，綜合考慮井眼曲率，邊界條件和穩(wěn)定器影響，通過等效剛度思想確定合理的通井BHA，對(duì)確保下套管作業(yè)的順利實(shí)施提供指導(dǎo)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是井眼中BHA撓曲線示意圖。
[0019]圖2a是某井三開采用228.6mm (9in)鉆鋌和三穩(wěn)定器通井BHA變形能及等效剛度系數(shù)。
[0020]圖2b是某井三開采用228.6mm (9in)鉆鋌和四穩(wěn)定器通井BHA變形能及等效剛度系數(shù)。
[0021]圖3a是某井三開采用279.4mm (Ilin)鉆鋌和三穩(wěn)定器通井BHA變形能及等效剛度系數(shù)。
[0022]圖3b是某井三開采用279.4mm (Ilin)鉆鋌和四穩(wěn)定器通井BHA變形能及等效剛度系數(shù)。

【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，但不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0024]本實(shí)施例以應(yīng)用于某一區(qū)塊X井的通井BHA設(shè)計(jì)為例對(duì)本發(fā)明方法進(jìn)行詳細(xì)說明，考察井眼直徑為431.8mm，井眼曲率為I?6° /30m。套管外徑為374.65mm，內(nèi)徑為337.35mm。使用兩種規(guī)格鉆鋌，外徑為228.6mm，內(nèi)徑為71.4mm的9in鉆鋌以及外徑為279.4mm,內(nèi)徑為76.2mm的Ilin鉆鋌,穩(wěn)定器外徑為429mm,穩(wěn)定器扶正條長(zhǎng)度為0.5m。計(jì)算通井BHA長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)套管長(zhǎng)度為40m。
[0025]實(shí)施例1
一種通井底部鉆具組合(BHA)確定方法，具體包括如下步驟:
使用228.6mm (9in)鉆鋌設(shè)計(jì)的三穩(wěn)定器通井BHA為:
431.8mm 鉆頭 + 228.6mm 鉆鋌 X 1.35m + 429mm 穩(wěn)定器 Χ0.8m + 228.6mm 鉆挺 X 10.76m + 429mm 穩(wěn)定器 Χ0.8m + 228.6mm 鉆挺 X 10.76m + 429mm 穩(wěn)定器 Χ0.8m +228.6mm鉆挺X…。
[0026]四穩(wěn)定器通井BHA為:
431.8mm 鉆頭 + 228.6mm 鉆鋌 X 1.35m + 429mm 穩(wěn)定器 Χ0.8m + 228.6mm 鉆挺 X 10.76m + 429mm 穩(wěn)定器 X 0.8m + 228.6mm 鉆挺 X 10.76m + 429mm 穩(wěn)定器 X 0.8m +228.6mm 鉆挺 X 10.76m + 429mm 穩(wěn)定器 X 0.8m + 228.6mm 鉆挺 X …。
[0027]利用公式(3)，可以計(jì)算得到彎曲井眼中通井BHA的等效剛度系數(shù)。由于邊界約束對(duì)等效剛度系數(shù)影響較大，因此，分別計(jì)算井眼擴(kuò)徑系數(shù)為1.0、1.18及強(qiáng)制管柱居中三種情況下的彎曲應(yīng)變能和等效剛度系數(shù)。三穩(wěn)定器通井BHA的彎曲應(yīng)變能及等效剛度系數(shù)如圖2a所示。四穩(wěn)定器通井BHA的彎曲應(yīng)變能及等效剛度系數(shù)如圖2b所示。
[0028]根據(jù)所得計(jì)算模型，以等效剛度系數(shù)大于I或接近I為原則，確定合理的通井BHA。
[0029]對(duì)于本實(shí)施例中X井預(yù)選的通井BHA，從圖2中可以看出，由228.6mm(9in)鉆鋌組成的通井BHA等效剛度所能適應(yīng)的井眼曲率范圍較小，當(dāng)井眼曲率大于1.8。/30m時(shí)，由四穩(wěn)定器9in鉆鋌組成的通井BHA的等效剛度也達(dá)不到套管下入的要求。
[0030]實(shí)施例2
使用279.4 mm(llin)鉆鋌設(shè)計(jì)的三穩(wěn)定器通井BHA為:
431.8mm 鉆頭 + 279.4mm 鉆挺 XL 35m + 429mm 穩(wěn)定器 Χ0.8m + 279.4mm 鉆挺 X 10.76m + 429mm 穩(wěn)定器 Χ0.8m + 279.4mm 鉆挺 X 10.76m + 429mm 穩(wěn)定器 Χ0.8m +279.4mm 鉆鋌 X 14.73m。
[0031]四穩(wěn)定器通井BHA為:
431.8mm 鉆頭 + 279.4mm 鉆挺 XL 35m + 429mm 穩(wěn)定器 Χ0.8m + 279.4mm 鉆挺 X 10.76m + 429mm 穩(wěn)定器 Χ0.8m + 279.4mm 鉆挺 X 10.76m + 429mm 穩(wěn)定器 X 0.8m +279.4mm 鉆鋌 X 10.76m + 429mm 穩(wěn)定器 X0.8m + 279.4mm 鉆鋌 X 3.17m。
[0032]不同井眼曲率下的通井BHA彎曲應(yīng)變能及等效剛度如圖3a、圖3b所示。
[0033]從圖3中可以看出，使用279.4mm (Ilin)鉆鋌和429mm穩(wěn)定器組合的通井BHA的彎曲應(yīng)變能大于同等條件下套管的彎曲應(yīng)變能，其等效剛度完全能夠滿足套管順利下入的要求。因此，選用279.4mm (Ilin)鉆鋌和429mm穩(wěn)定器組合的通井BHA。
【權(quán)利要求】
1.一種通井底部鉆具組合確定方法，其特征在于，包括如下步驟: a.針對(duì)目標(biāo)井眼，利用專用測(cè)量工具分別測(cè)定井徑和井眼曲率特征，測(cè)定預(yù)入井套管的幾何、物理參數(shù)，測(cè)定通井底部鉆具組合，即通井BHA所利用部件的幾何、物理參數(shù)； b.根據(jù)變形能原理，考慮穩(wěn)定器的影響，建立彎曲井眼中管柱的彎曲應(yīng)變能模型； c.計(jì)算不同曲率井眼中通井BHA與待下入套管的彎曲應(yīng)變能； d.提出基于等效剛度系數(shù)的評(píng)價(jià)方法，能夠充分反映井眼、通井BHA與套管的幾何特征及管柱的抗彎剛度的影響，所得通井BHA能夠有效逼近待下入套管的彎曲應(yīng)變能。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通井底部鉆具組合確定方法，其特征在于，所述步驟a中專用測(cè)量工具包括井斜測(cè)量設(shè)備、井徑測(cè)井工具、專用鉆具量規(guī)、專用材料強(qiáng)度測(cè)試設(shè)備。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通井底部鉆具組合確定方法，其特征在于，所述步驟b中建立彎曲井眼中管柱的彎曲應(yīng)變能模型，具體包括下列步驟: bl.考慮通井BHA中具有較大幾何尺寸的穩(wěn)定器影響； b2.考慮井眼特征對(duì)管柱端部的邊界約束條件:管柱在鉆頭處假設(shè)為固定端，另一端為自由端，但自由端需根據(jù)井眼特征限定其位移； b3.建立與井眼曲率和井眼邊界約束相關(guān)的管柱彎曲應(yīng)變能模型。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通井底部鉆具組合確定方法，其特征在于，所述步驟c中計(jì)算不同曲率井眼中通井BHA與待下入套管的彎曲應(yīng)變能，具體包括下列步驟: Cl.假設(shè)井眼曲率及擴(kuò)徑系數(shù)不同，計(jì)算井眼中通井BHA的彎曲應(yīng)變能； c2.計(jì)算不同結(jié)構(gòu)的通井BHA在井眼中的彎曲應(yīng)變能； c3.計(jì)算不同井眼條件下，相應(yīng)套管的彎曲應(yīng)變能。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的通井底部鉆具組合確定方法，其特征在于，所述步驟d中提出的基于等效剛度系數(shù)的評(píng)價(jià)方法，具體包括下列步驟:等效剛度系數(shù)定義為通井BHA彎曲應(yīng)變能與套管彎曲應(yīng)變能的比值，當(dāng)?shù)刃偠认禂?shù)大于I時(shí)，說明通井BHA能夠達(dá)到通井的作用。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、3、4、5任意一項(xiàng)所述的通井底部鉆具組合確定方法，其特征在于，所述通井BHA包括鉆鋌、穩(wěn)定器和鉆頭。
【文檔編號(hào)】E21B7/28GK104131782SQ201410327616
【公開日】2014年11月5日 申請(qǐng)日期:2014年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月10日
【發(fā)明者】狄勤豐, 王文昌, 李寧, 王春生, 王明杰, 陳鋒 申請(qǐng)人:上海大學(xué)