基于垂直钻井系统的新型钻具组合及钻进参数优化方法

1.本发明属于石油钻井工程领域，尤其涉及垂直井井斜控制技术研究及应用领域，具体涉及一种基于垂直钻井系统的新型钻具组合及钻进参数优化方法。


背景技术：

2.井斜问题是油气钻井过程中一个非常重要的实际问题，尤其是在高陡构造、断层、盐层等地质条件，由于其地层条件复杂、钻进难度大，严重时导致中途填井重钻或报废，导致钻井周期长，钻井成本高，甚至达不到勘探开发的目的。为了解决井斜问题，钻井技术人员提出了钟摆钻具、满眼钻具、偏心钻具、偏轴钻具等防斜纠斜技术。但随着油气开发、地质勘探难度的不断增大，上述防斜纠斜技术展现了他们的局限性。如钟摆钻具为了达到纠斜效果，降低其钻压，导致其钻进速度大大降低。满眼钻具通过增加钻具的刚度和尺寸，使钻具在井内保持居中，从而减小钻头的偏斜角，从而减小和限制因钻柱弯曲产生的增斜力，同时增加稳定器的数量，限制钻头的横向移动，从而达到纠斜降斜的目的。然而利用满眼钻具需要至少3个稳定器，在钻进过程中会大大增加其摩擦力。
3.自动垂直钻井技术不需要人为干预而自动跟踪预定的井眼轨迹，可以成功解决高陡构造、大倾角复杂地层的防斜纠斜难题。为了实现防斜打快，通常在垂直钻井系统的上方安放一根低速大扭矩螺杆钻具，该钻具组合为“钻头01+垂钻工具02+钻柱扶正器03+直螺杆钻具04+上部钻柱05”，如附图1所示。采用该钻具组合需要先解决两个重要问题。一方面，使用螺杆钻具时垂钻工具的芯轴转速较高，这就要求垂钻系统使用高速轴承，国产垂钻系统目前还缺少高速轴承；另一方面，使用螺杆钻具时启动载荷比较大，对螺杆钻具的工作能力要求高，需要使用进口特制螺杆钻具，增加钻井成本。为避免垂钻系统轴承失效以及使用高成本的特制螺杆钻具，本发明提供一种基于垂直钻井系统的新型钻具组合及钻进参数优化方法，不仅有助于提高现有垂直钻井系统的纠斜能力，还能避免垂钻系统轴承失效以及使用高成本的特制螺杆钻具，实现防斜打快和降低钻井成本的双重目的。


技术实现要素：

4.为避免垂钻系统轴承失效以及使用高成本的特制螺杆钻具，提高钻井系统的纠斜能力，本发明给出一种基于垂直钻井系统的新型钻具组合及钻进参数优化方法，提高现有垂直钻井系统的纠斜能力，还能避免垂钻系统轴承失效以及使用高成本的特制螺杆钻具，实现防斜打快和降低钻井成本的双重目的。
5.一种基于垂直钻井系统的新型钻具组合，所述新型钻具组合由钻头、直螺杆钻具、垂钻工具、短钻铤、钻柱扶正器和上部钻柱依次连接而成，所述垂钻工具上设置有导向翼肋，所述垂直钻井系统为指向式钻井系统，垂直钻井系统产生的导向合力将所述垂钻工具从井眼低边推向井眼高边，钻头转角方向指向井眼低边。
6.进一步地，采用所述新型钻具组合之后，若导向力由井眼高边指向井眼低边，尽管钻头侧向力小于0，但是钻头转角和井斜变化率均大于0，钻进效果是增斜，若导向力由井眼
低边指向井眼高边，尽管钻头侧向力大于0，但是钻头转角和井斜变化率均小于0，钻进效果是降斜。
7.采用所述的基于垂直钻井系统的新型钻具组合的钻进参数优化方法，所述钻进参数优选方法包括以下步骤：
8.步骤1、根据钻井地层需要选择直螺杆钻具的长度、钻头型号和钻柱扶正器的直径；
9.步骤2、选择中等钻压和中等导向力，基于钻具组合力学模型及平衡趋势造斜率预测方法，预测出不同短钻铤长度对应的井斜变化率并选择短钻铤长度；
10.步骤3、根据地层特性选择适应地层特性的钻压值，基于钻具组合力学模型及平衡趋势造斜率预测方法，预测不同导向力对应的井斜变化率并选择适合的导向力；
11.步骤4、根据确定的短钻铤长度和导向力进行钻进，在钻进过程中根据实际需要适时调整钻压或导向力进行地层钻进，增大钻压或导向力均有助于提高纠斜能力，反之可以减小钻压或导向力。
12.进一步地，将整个下部钻具组合分为3跨梁、3个支座，钻头中心至直螺杆钻具上端面为第1跨梁，垂钻工具下端面至钻柱扶正器中心为第2跨梁，钻柱扶正器中心以上部分为第3跨梁，所述3个支座为虚支座、钻柱扶正器、上部钻柱与井壁的接触点，所述虚支座在所述直螺杆钻具与垂钻工具连接处，所述钻具组合力学模型为：
[0013][0014][0015]
q3l
34
x(u3)+8m3y(u3)l
32
+4m2z(u3)l
32
＝24ei3[kl3(l1+l
21
+l
22
+l3)-y3+y2]
ꢀꢀꢀ
(3)
[0016][0017]
式中：mi为第i支座(i＝1～3)处内弯矩；
[0018]
x(ui)、y(ui)、z(ui)为第i跨梁柱的放大因子；
[0019]ii
、qi、li分别为第i跨梁的惯性矩、线重、长度；l21和l22分别代表垂钻工具和短钻铤的长度
[0020]
f为导向合力；
[0021]
yi为第i个支座的纵坐标；
[0022]
pi为各跨梁所受的轴向力；
[0023]
k为井眼曲率；
[0024]
e为弹性模量。
[0025]
进一步地，通过求解所述钻具组合的力学模型，得到钻头侧向力和钻头转角计算公式：
[0026]
[0027][0028]
式中：nb为钻头侧向力；
[0029]at
为钻头转角；
[0030]
pb为钻压。
[0031]
进一步地，根据求得的钻头侧向力和钻头转角，利用钻头与地层交互作用模型，计算出钻进趋势角，所述钻进趋势角ar计算公式见式为
[0032][0033]
式中，ib为钻头各向异性指数。
[0034]
进一步地，所述第2跨梁包括垂钻工具、短钻铤和半个钻柱扶正器。
[0035]
进一步地，按照平衡趋势造斜率预测方法求出所述钻具组合和钻进参数对应的造斜率。
[0036]
进一步地，所述钻进参数包括钻压和推靠合力。
[0037]
进一步地，所述造斜率的数值小于0时称为降斜率。
[0038]
有益效果，垂钻系统产生的导向合力将垂钻工具从井眼低边推向井眼高边(与现有导向力和钻头侧向力方向完全相反，不利于纠斜)，钻头转角方向指向井眼低边(与现有钻头转角指向完全相反，有利于纠斜)。通过优化钻具组合和钻进参数使钻头转角对纠斜效果的正面影响远大于钻头侧向力对应的负面影响，确保新型钻具组合有很强的纠斜能力。本发明不仅有助于提高现有垂直钻井系统的纠斜能力，还能避免垂钻系统轴承失效以及使用高成本的特制螺杆钻具，实现防斜打快和降低钻井成本的双重目的。
附图说明
[0039]
图1现有技术中垂钻系统的钻具组合示意图；
[0040]
图2新型垂钻系统的钻具组合示意图；
[0041]
图3现有垂钻钻具组合纠斜原理示意图；
[0042]
图4新型垂钻钻具组合纠斜原理示意图；
[0043]
图5新型垂钻钻具组合力学分析示意图；
[0044]
图6纠斜效果随短钻铤长度变化规律图；
[0045]
图7纠斜效果随钻压变化规律图；
[0046]
图8纠斜效果随导向力变化规律图；
[0047]
图9平衡趋势造斜率预测方法的基本流程图。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0049]
(1)新型钻具组合整体设计方案及使用方法
[0050]
一种基于垂直钻井系统的新型钻具组合，所述新型钻具组合由钻头1、直螺杆钻具
5、垂钻工具2、短钻铤7、钻柱扶正器4和上部钻柱6依次连接而成，所述垂钻工具上设置有导向翼肋3。
[0051]
现有钻具组合为“钻头01+垂钻工具02+钻柱扶正器04+直螺杆钻具05+上部钻柱06”，垂钻工具上设置有导向翼肋03，如图1所示，新型钻具组合的基本形式为“钻,01+直螺杆钻具05+垂钻工具02+短钻铤07+钻柱扶正器04+上部钻柱06”，见图2。该钻具组合将现有垂直钻井系统由推靠式工作原理变成指向式工作原理，使用方法和纠斜原理与现有钻具组合完全不同，见图3和图4。本发明中垂钻系统产生的导向合力将垂钻工具从井眼低边推向井眼高边(与现有导向力和钻头侧向力方向完全相反，不利于纠斜)，钻头转角方向指向井眼低边(与现有钻头转角指向完全相反，有利于纠斜)。本发明通过优化钻具组合和钻进参数使钻头转角对纠斜效果的正面影响远大于钻头侧向力对应的负面影响，确保新型钻具组合有很强的纠斜能力。本发明不仅有助于提高现有垂直钻井系统的纠斜能力，还能避免垂钻系统轴承失效以及使用高成本的特制螺杆钻具，实现防斜打快和降低钻井成本的双重目的。
[0052]
某实例分析结果见图6。可以看出，采用新型钻具组合之后，若导向力仍然由井眼高边指向井眼低边(图例后缀“下推”)，尽管钻头侧向力小于0，但是钻头转角和井斜变化率均大于0，实际钻进效果是增斜，而不是降斜；若导向力改然由井眼低边指向井眼高边(图例后缀“上推”)，尽管钻头侧向力大于0，但是钻头转角和井斜变化率均小于0，实际钻进效果是降斜。
[0053]
(2)钻具组合力学模型分析及求解
[0054]
采用纵横弯曲梁法建立钻具组合受力分析模型，见图5。基于推靠式垂钻工具的结构和工作原理，将垂钻工具及导向力作用等效为一个集中力作用，将螺杆钻具与垂钻工具连接处等效为一个虚支座，将整个下部钻具组合分为3跨梁、3个支座(虚支座、钻柱扶正器、钻柱与井壁上切点)。其中，钻头中心至螺杆钻具上端面为第1跨梁，垂钻工具下端面至钻柱扶正器中心为第2跨梁(包括垂钻工具、短钻铤及半个钻柱扶正器)，钻柱扶正器以上钻柱为第3跨梁。
[0055]
最终得到钻具组合力学模型对应的基本方程组：
[0056][0057][0058]
q3l
34
x(u3)+8m3y(u3)l
32
+4m2z(u3)l
32
＝24ei3[kl3(l1+l
21
+l
22
+l3)-y3+y2]
ꢀꢀ
(3)
[0059][0060]
式中：mi为第i支座(i＝1～3)处内弯矩；
[0061]
x(ui)、y(ui)、z(ui)为每第i跨梁柱的放大因子；
[0062]ii
、qi、li分别为第i跨梁的惯性矩、线重、长度；
[0063]
f为导向合力；
[0064]
yi为第i个支座的纵坐标。
[0065]
pi为各跨梁所受的轴向力；
[0066]
k为井眼曲率。
[0067]
求解上述方程组之后可以求出钻头侧向力和钻头转角：
[0068][0069][0070]
(3)平衡趋势造斜率预测方法求解
[0071]
利用下部钻具组合力学模型可以求出钻头侧向力和钻头倾角，然后利用钻头与地层交互作用模型可以计算出钻进趋势角，为造斜率预测提供基础数据。
[0072]
钻进趋势角(ar)计算公式见式(7)。
[0073][0074]
式中，ib为钻头各向异性指数；其他变量含义同前文。
[0075]
最后按照平衡趋势造斜率预测方法的基本流程求出当前钻具组合和钻进参数对应的造斜率，平衡趋势造斜率预测流程如图9所示，先给出造斜率估计值，然后求解rsbha力学模型，求出其钻头侧向力和钻头转角；然后求出井斜趋势角ar后判断是否满足|ar|≈0；若满足该条件则停止试算，试算结果对应的井眼曲率就是给定钻井条件的造斜率；否则就重新估计造斜率并重复上述过程，直至满足试算终止条件。
[0076]
此时求得的造斜率就是当前条件下垂钻系统对应井斜变化率(该值小于0时称为降斜率)。该造斜率预测方法集成了钻具组合力学模型、钻头与地层交互作用模型，能够综合考虑钻具结构，井眼几何形状，钻进参数，钻头及地层特性等因素对造斜率影响，能够揭示新型垂钻组合纠斜能力的影响因素及规律。
[0077]
(4)钻具组合与钻进参数优化
[0078]
通过编程求解上述力学模型及给定条件对应的井斜变化率，能够分析钻具组合结构参数(每跨梁长度、扶正器直径及位置)、钻压、导向力、钻头各向异性、地层各项异性指数对纠斜效果的影响规律。基于造斜率影响因素及规律分析能够优化钻具组合设计并优选钻进参数，获得最佳纠斜效果。
[0079]
以某国产垂钻系统为例，默认计算参数：钻头直径333.5mm、当前井斜角1
°
；垂钻工具外径230mm、导向力15kn；螺杆钻具长度9.45m；短钻铤长度5.0m；扶正器直径329mm；钻压120kn；钻头各向异性指数0.04。短钻铤长度、钻压、导向力对纠斜效果影响规律分别见图6(图例后缀“上推”)、图7和图8。可以看出，适当加长短钻铤、适当增大钻压和导向力均有助于提高纠斜能力。
[0080]
采用基于垂直钻井系统的新型钻具组合的钻进参数优化方法，所述钻进参数优选
方法包括以下步骤：
[0081]
步骤1、根据钻井地层需要选择直螺杆钻具的长度、钻头型号和钻柱扶正器的直径；
[0082]
步骤2、选择中等钻压和中等导向力，基于钻具组合力学模型及平衡趋势造斜率预测方法，预测出不同短钻铤长度对应的井斜变化率并选择短钻铤长度；
[0083]
步骤3、根据地层特性选择适应地层特性的钻压值，基于钻具组合力学模型及平衡趋势造斜率预测方法，预测不同导向力对应的井斜变化率并选择适合的导向力；
[0084]
步骤4、根据确定的短钻铤长度和导向力进行钻进，在钻进过程中根据实际需要适时调整钻压或导向力进行地层钻进，增大钻压或导向力均有助于提高纠斜能力，反之可以减小钻压或导向力。
[0085]
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。