定向井下部钻具组合设计方法.docx

1、定向井下部钻具组合设计方法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/T505191 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。表1 钻头直径与相应的钻铤尺寸 mm（in）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(9 1/2) 158.8(6 1/4) 177.8(7)152.4(6) 104.8(4 1/8) 311.2(12 1/4) 203.2(8) 228.6(9)215.9(8 1/2)

3、 158.8(6 1/4) 444.5(17 1/2) 228.6(9)3.2无磁钻铤安放位置及长度的确定3.2.1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。3.2.2无磁钻铤长度的确定3.2.2.1根据图1确定施工井所在区域。3.2.2.2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：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

4、9.1m； 仪器位置距无磁钻铤底部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3进行确定。 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：无磁钻铤长度为18.3m；

5、 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；

6、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： pk G 1= （1） fcos式中：Gi

7、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；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，可采取加重钻杆、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：Fmax=2（9.8feIAsin/）1/2 (2)式中：Fmax钻杆开始弯曲时的临界压缩载荷，KN；E 弹性模量可取2.0591011N/,N/；钻井液浮力校正系数；管材的轴惯性矩，4；管材密度，3；管材横截面积，2；井斜角，（）；钻杆与

8、井眼间的间隙值，。钻杆稳定性设计所需的条件按式（）计算：maxp-Wcos （3）式中：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 117.5152.4 85.7 165.1200.0 127.0 212.7250.8 165.1 250.8311.2 196.9 311.244 4

9、.5 244.5 444.5660.4 304.84.3.1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。4.3.2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 98.4 127.0 165.1 196.9 244.5 () 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 mm ( )/100m mm ()/100m mm （）/100m mm （）/100m mm （）/100m 1.0 9.8 11.5 8

10、.2 8.2 5.7 4.1 1.5 120.7 11.5 152.4 15.6 215.9 11.5 244.4 12.3 311.2 8.2 44.5 7.4 2.0 13.1 18.0 14.8 16.4 11.5 9.8 2.5 16.4 16.4 14.84.4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

11、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 L1 L2 L3图6（a） 1.01.8 图6（b） 1.01.8 18.027.0 图6（c） 1.01.8 9.018.0 9.010.05.3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（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。5.4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，L2应相应的减小。5.5用单稳定器钻具组合钻进，当

12、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 稳定器安放高度 合基本形式 合基本形式 L1 L2 L3 L4 图7（a） 1.01.8 3.06.

13、0 9.018.0 9.027.0 图7（b） 1.01.8 4.59.0 9.018.0 图7（c） 1.01.8 9.610.0 6.3 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；

14、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 稳定器安放高度 合基本形式 L1 L2图8（a） 9.027.0 图8（b） 9.027.0 9.010.0图8（c） 0.81.0 18.027.07.2 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/T51721996中的第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

15、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Si 第i段钻柱的轴向力 N Mi 第i个稳定器处的钻柱内弯距 Nm Ri 第i个稳定器处的井壁反力 N R。 钻头处的井壁反力 N Qi 第I段钻柱的横向载荷 N/m Ii 第I段钻柱的惯性矩 m4 E 钻柱的弹性模量 N/m2 Pi 第I段钻柱在空气中单位

16、长度的重量 N/ m pa 钢材密度 g/cm3 pm 钻井液密度 g/cm3 a 井斜角 （） i 第I个稳定器与井壁间的半径差值 m Li 第I段钻柱的长度 m Yi 第I段钻柱的最大挠度 m Oo 钻头转角 radA1.2 计算公式A1.2.1 设共有n个稳定器，那么第i(I =1，2，.，n)个稳定器处的三弯矩方程为： aiLi Li Li+1 Li+1 Mi+1+2(i +i )Mi+ai+1 Mi+1 Ii Ii Ii+1 Ii+1 qiLi3 qi+1Li+13=i i+1 +6EQ i （A1） 4Ii 4Ii+1其中：i+1i-1 i+1i+1 Qi= Li Li+1 3 3

17、 a= nisin（2ui） 2ui2 3 3i= （2ui）2 2uitg（2ui） 3（tguiui）i= ui3 SiLi2 Ui=（ ）1/2 4EIiA.1.2.2 切点处的辅助方程为： MnLn+1 qn+1L3n+1 n+1n an+1+ n+1= (A2)6EIn+1 24EIn+1 Ln+1A.1.2.3第i个稳定器处的井壁反力Ri为：Ri=Ri+Ri （A3）其中： qiL2i 1Ri= +Mi+1Mi+Si（ii +1） 2 Li qi+1L2i+1 1Ri= +Mi+1MiSi+1（i+1i） 2 Li+1A1.2.4钻头处的侧向力pc为： qiL2i+1 1Pc=R0

18、=（ +MiSii） （A4）2 LiA1.2.5第i段钻柱的中点挠度Yi为： Yi=Y/i+Y/i+Y/i+Y/i(A5)其中： Mi+1Li2 1 1Y/I= 2（ ） 16EI i ui2cosui ui2 MiLi2 1 1Y/I= 2（ ） 16EI i ui2cosui ui2 1 u2i 5qiL4i cosu i 1 2Y/I= （ ） 384EIi 5ui4/24 (ii+1）Y/I=i+1+2A1.2.6 钻头转角0为：MiLi qiLi3 i 0= ai+ i+ （A6）6EI i 24EI i L i A1.2.7 各段钻柱的横向载荷表达通式为： qi=Pi(1 )si

19、na (A7) cA1.2.8各段钻柱的轴向载荷为： Li-1 Li mSi=Si-1(Pi-1 +Pi )(1 )cosa (A8) 2 2 cA2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有关参数，只有在一定的井斜角及钻压范围内使用才有效，即保证稳定器之间的钻铤发生弯曲变形后不与井壁接触。在其他参数不变的情况下，根据组合的实际(增斜及稳斜)能力，校核这套钻具组合在不与井壁接触时的允许最大井斜角。A2.3钻头侧向力等参数的计算，取决于井眼尺寸、稳定器的安放高度、稳定器的个数、稳定器之间的钻铤尺寸、稳定器的直径、井斜角、钻井参数及钻井液密度等因素。A2.4在采用连续梁法分析下部钻具组合时作了以下假设：a) 从钻头至顶部稳定器之上的1020m的井段为斜直井段，即井斜角一致，无方位角变化b) 刚性井壁c) 不考虑井壁与稳定器之间的摩擦d) 不考虑钻柱旋转的影响。