CN101260783A - 预弯曲动力学防斜打快钻井方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种预弯曲动力学防斜打快钻井方法。它是采用带预弯曲结构钻具组合以地面驱动方式，从钻头的防斜力和变化规律分析出发，确定钻具组合、工艺操作规程、安全性分析和检测，实现防斜打快钻井。本发明的防斜打快钻井方法，在实际作业中使用，钻压比钟摆极限钻压提高50％以上，机械钻速得到较大幅度提高，最高达700％。

Description

预弯曲动力学防斜打快钻井方法

技术领域

本发明涉及一种新的石油钻探用直井防斜打快新方法，特别是使用带预弯曲防斜打快钻具组合的地面旋转驱动的防斜打快新方法。

技术背景

石油勘探中直井易斜是一个百年难题。随着油气资源勘探难度的增加，易斜高陡易斜构造油气资源的勘探开发逐步受到重视，但其勘探速度受到井斜问题的严重制约。现有的常规防斜方法如钟摆、满眼等都是通过减少钻具组合的变形来达到防止井斜或降低井斜的目的，其防斜力或降斜力计算都是采用的静力学方法。而国外的垂直钻井系统虽然可以很好的实现防斜打快目的，但其使用成本很高，许多油田都无力使用这一技术。一种低成本的高效防斜打快技术更适合我国国情。而事实上，钻进作业过程中，钻具组合在井眼中的变形不可避免，能否充分利用这种变形来实现低成本防斜打快目的？这是已有技术存在的一个急待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的问题，提供一种预弯曲动力学防斜打快钻井方法，能提高钻压和钻速，从而提高生产效率。

为了达到上述目的，本发明的构思是：

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

利用特殊的带预弯曲结构钻具组合的动力学行为来实现防斜打快目的。这种带预弯曲结构的钻具组合利用其预置变形引导钻具组合以有序的涡动方式在井下运动，从而使钻头上的动态侧向力具有防斜力特征，并且远远大于常规钟摆钻具组合的降斜力。具体发明内容包括：

一种预弯曲动力学防斜打快钻井方法，其特征在于采用带预弯曲结构的钻具组合，以地面驱动的方式，从钻头的防斜力和变化规律分析出发，确定钻具组合、工艺操作规程、安全性分析和检测，实现防斜打快钻井；具体步骤如下：

1)、根据待钻地层的井斜特征情况，根据经验初步确定一套钻具组合，并确定其静态防斜力大小(见图2中步骤1)；

2)、在固定其它参数情况下，改变任一结构参数，确定对应的静态防斜力大小，并找出最大静态防斜力对应的结构参数。结构参数是指稳定器外径、稳定器位置、弯角大小和位置(见图2中步骤2)；

3)、根据具有最大静态防斜力的结构参数和井场现有工具储备，确定钻具组合(见图2中步骤3)；

4)、针对确定的钻具组合，计算在不同钻压和转速时的动态防斜力，并找出具有最大动态防斜力时的施工参数(即钻压和转速)(见图2中步骤4)；

5)、根据动态防斜力值和实际钻井条件(如钟摆极限钻压)，确定合理施工参数(钻压、转速)(见图2中步骤5)；

6)、确定防斜打快作业操作规程(见图2中步骤6)。

在完成以上步骤后，就可把钻具组合下入井中，根据确定的操作规程进行防斜打快钻进作业。

本发明的原理：利用带预弯结构的钻具组合进行的防斜打快钻井方法，其中包括复合钻井防斜打快钻井方法(即利用带单弯螺杆的钻具组合进行的防斜打快方法)。预弯曲动力学防斜打快钻具组合一般带有两个稳定器和一个预弯曲短节，见图1。这种预弯曲钻具组合在井下的涡动特征见图11和图12。由此引起的钻头动态侧向力见图13，体现为很大的防斜力。正是这种很大的防斜力使得这种防斜打快钻井方法可以在较大的钻压下实现防斜打快目的。

具体实施过程如下：

1、根据待钻地层的井斜特征情况和实际经验初步确定一套钻具组合，利用下列计算模型计算钻具组合可以提供的静态防斜力大小(图2中步骤1)；

钻具组合的静力学微分方程如下：

E_iI_iU″″_i＝-M_tiV″′_i+(q_ilcosα_i-B_i)U″_i+q_iU′_icosα_i+q_isinα_i    (1)

E_iI_iV″″_i＝M_tiU″′_i+(q_ilcosα_i-B_i)V″_i+q_iV′_icosα_i              (2)

式中： ${\left(\mathrm{}\right)}^{\′}=\frac{d\left(\right)}{\mathrm{dl}},$ ${\left(\mathrm{}\right)}^{\′\′}=\frac{d^2\left(\right)}{{\mathrm{dl}}^2},$ ${\left(\right)}^{\′\′\′}=\frac{d^3\left(\right)}{{\mathrm{dl}}^3},$ ${\left(\mathrm{}\right)}^{\′\′\′\′}=\frac{d^4\left(\right)}{{\mathrm{dl}}^4}$

$B_i=B_1-\underset{j=1}{\overset{i=1}{\mathrm{\Σ}}}(q_i{L}_j{\cos \mathrm{\α}}_j-N_j{f}_a)$

$M_{\mathrm{ti}}=M_{t1}-\frac{f_t{D}_w}{2}\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{N}_j$

$f_a=\frac{2v}{\sqrt{{4v}^2{\left({\mathrm{wD}}_w\right)}^2}}f$

$f_t=\frac{{\mathrm{wD}}_W}{\sqrt{{4v}^2+{\left({\mathrm{wD}}_w\right)}^2}}f$

l-------沿钻柱轴线的曲线坐标，以i段钻柱的底端为起点；

E_i------i钻柱的弹性模量；

I_i------i段钻柱的截面惯矩；

M_ti-----i段钻柱所受扭矩，i＝1时为钻头扭矩；

q_i------i段钻柱在钻井液中的线重度；

α_i------i段钻柱所在井段的井斜角；

U_i------i段钻柱在x方向的位移或坐标；

V_i------i段钻柱在y方向的位移或坐标；

B_i------i段钻柱下部z方向的压力，压为正，i＝1时为钻压；

L_j------j段钻柱的长度；

N_j------j个稳定器与井壁的接触压力；

f-------稳定器与井壁的摩擦系数；

v-------钻速；

w-------钻柱自转角速度；

D_w------井径。

边界条件及连续条件：

(1)、钻头处

根据笛卡尔参考坐标系的取法，钻头位移为零，钻头与地层间无弯矩作用，为此

U₁(0)＝0

V₁(0)＝0   (3)

U″₁(0)＝0

V″₁(0)＝0

(2)、稳定器处

在各稳定器或接触点处，钻柱位于井眼中心或在某一方向上偏移井眼中心一定距离，稳定器两侧钻柱的位移及其一次导数连续、弯矩连续。

U_i(L_i)＝U_i+1(0)＝X_i+e_cicosδ_i

V_i(L_i)＝V_i+1(0)＝Y_i+e_cisinδ_i

U′_i(L_i)＝U′_i+1(0)    (4)

v′_i(L_i)＝V′_i+1(0)

E_iI_iU″_i(L_i)＝E_i+1I_i+1U″_i+1(0)

E_iI_iV″_i(L_i)＝E_i+1I_i+1V″_i+1(0)

式中：

e_ci--------偏心距；

δ_i---------偏斜角；

X_i--------稳定器或接触点处井眼轴线的x方向的坐标；

Y_i--------稳定器或接触点处井眼轴线的y方向的坐标；

(3)、切点处

钻柱在切点处的状态是很难精确计算的，但一般认为在切点处钻柱躺在井壁下侧，斜率和曲率与井眼轴线的斜率和曲率基本一致，为此，

$U_n\left(L_n\right)=X_n+\frac{D_w-D_{\mathrm{on}}}{2}$

V_n(L_n)＝Y_n

U′_n(L_n)≈X′_n(5)

V′_n(L_n)≈Y′_n

U″_n(L_n)≈X″_n

V″_n(L_n)≈Y″_n

式中，D_on为切点处钻柱外径。

(4)、井壁约束

钻柱变形受到井壁的限制，对任意一点均必须满足

$\sqrt{{(U_i-X)}^2+{(V_i-Y)}^2}\≤\frac{D_w-D_{\mathrm{oi}}}{2}---\left(6\right)$

式中，D_oi为i段钻柱外径。

钻头的侧向力模型：

(1)、钻头的增井斜力：

S_x1＝E₁I₁U₁(0)+M_tiV₁(0)+B₁U₁(0)    (7)

(2)、钻头的增方位力：

S_y1＝-E₁I₁V″′₁(0)+M_tiU″₁(0)-B₁V′₁(0)    (8)

对于带预弯曲结构的下部钻具组合来说，由于其弯曲结构的存在，使得其在任何一个瞬态的受力变形都有其独特的特征。这个特征主要来源于预弯曲结构的弯曲面。引用滑动导向钻具组合导向钻井的概念，这个弯曲面就是导向工具面，这里定义为工具面，其相对于井眼高边的夹角(从高边顺时针计)定义为工具面角。这样，带预弯曲结构的钻具组合旋转钻井时其特点可以归纳为一个工具面不断有规律改变的过程，其总体导向效果可以用钻柱旋转一周内的钻头上的合侧向力矢量来表述。

设带预弯曲结构的钻具组合在某一时刻的工具面角为ω，在这一工具面角位置可计算出钻头上的造斜力为F_α(ω)，方位力为F_φ(ω)。取钻具组合旋转一周为研究对象，ω的取值范围为0～2π，均匀取值。设计算点数为n，则工具面角变化步长为Δω＝2π/n。计算点数应大于或等于36。钻具组合旋转一周内在钻头上作用的导向合力F_s为：

$F_s=\frac{1}{n}\sqrt{{F_{\mathrm{s\α}}}^2+{F_{\mathrm{s\φ}}}^2}---\left(9\right)$

式中：F_sα为合造斜力， $F_{\mathrm{s\α}}=\underset{\mathrm{\ω}=0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{\α}\left(\mathrm{\ω}\right)},$ 单位为kN；F_sφ为合方位力， $F_{\mathrm{s\φ}}=\underset{\mathrm{\ω}=0}{\overset{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\Σ}}}{F}_{\mathrm{\φ}\left(\mathrm{\ω}\right)},$ 单位为kN；导向合力方向角(导向合力与高边的夹角)为：

α_s＝arctan(F_sφ/F_sα)    (10)

F_α(ω)为公式(7)中的S_x1，F_φ(ω)为公式(8)中的S_y1。

静态防斜力计算流程见图3。

2、通过一系列计算，寻找对应最大防斜力的各结构参数，包括稳定器外径、稳定器位置、弯角大小和位置，具体情况如下：

1)其它参数不变，使下稳定器(2)外径分别比井径小0mm，1mm，2mm，...，10mm，计算对应的静态防斜力，找出具有最大静态防斜力的下稳定器外径；

2)其它参数不变，使上稳定器(5)外径分别比井径小0mm，1mm，2mm，...，10mm，计算对应的静态防斜力，找出具有最大静态防斜力的上稳定器外径；

3)其它参数不变，使下稳定器(2)距钻头(1)端面距离分别为0.5m，0.6m，0.7m，...，1.0m，计算对应的静态防斜力，计算对应的静态防斜力，找出具有最大静态防斜力的下稳定器(2)距钻头(1)端面距离；

4)其它参数不变，使下稳定器(2)与上稳定器(5)之间距离分别为6m，7m，8m，...，20m，计算对应的静态防斜力，找出具有最大静态防斜力的下稳定器(2)与上稳定器(5)之间距离；

5)其它参数不变，使预弯短节(3)或单弯螺杆(8)弯点距下稳定器(2)的距离分别为1.0m，1.2m，1.3m，...，1.6m，计算对应的静态防斜力，找出具有最大静态防斜力的弯点距下稳定器(2)的距离；

6)其它参数不变，使预弯短节(3)或单弯螺杆(8)的弯角分别为0.5°，0.55°，0.6°，...，1.5°，计算对应的静态防斜力，找出具有最大静态防斜力的弯角大小。

3、根据具有最大静态防斜力的结构参数和井场现有工具储备，确定钻具组合；

由上面计算得到了具有最大防斜力的结构参数，就可以配置钻具组合。但由于井场储备的钻铤、稳定器、预弯曲短节等有限，又不能随意改变井场储备的钻具，因此，要通过调整结构参数使其能符合井场储备的钻具，又能达到尽可能大的静态防斜力，最终确定实用的钻具组合。

4、针对确定的钻具组合，计算在不同钻压和转速时的动态防斜力，并找出具有最大动态防斜力时的施工参数(即钻压和转速)。钻头上的动态防斜力计算流程见图4，具体方法如下：

预弯曲动力学防斜打快钻具组合在井眼中的特征可以近似用图5表示，两个稳定器间的中点处钻铤横截面的投影见图6。以该位置对应的井眼轴线为原点建立直角坐标系o-xyz，oz指向井底方向，oy指向井眼高边方向。预弯曲短节的存在、加工制造过程中的误差和可能存在的弯曲变形，使得钻柱的质心与其几何中心有偏差。质心相对几何中心的偏差用偏心距e₀表示，如图7所示。用直角坐标(x，y)和极坐标(q，θ)可描述出钻柱的几何中心的位置，则质心的直角坐标位置可表示为(x+e₀cos(Ωt)，y+e₀sin(Ωt))，其中Ω为钻铤旋转速度，t为时间。

钻铤运动时所受的惯性力包括两部分：钻铤旋转产生的惯性力(作用于钻铤的质心上)；钻井液运动产生的惯性力作用于几何中心，可用下式表示：

F_mx＝-(m+m_f)x″+mΩ²e₀cos(Ωt)

(11)

F_my＝-(m+m_f)y″+mΩ²e₀sin(Ωt)

式中m为钻铤的等效质量；m_f为钻井液的等效质量。此外，流体拖拽会产生一个阻力：

$F_{\mathrm{dx}}=-c_f\sqrt{(x^{\′2}+y^{\′2})}{x}^{\′}---\left(12\right)$

$F_{\mathrm{dy}}={-c}_f\sqrt{(x^{\′2}+y^{\′2})}{y}^{\′}---\left(13\right)$

式中c_f为流体等效粘滞系数。

稳定器和井壁接触会导致一个恢复力F_k，如果忽略摩擦，恢复力指向井眼中心。然而，由于摩擦力的作用，使恢复力的方向变为未知。如图8所示，稳定器几何中心的角位移和钻铤的几何中心的角位移相差一个β角。若假设稳定器沿着井壁滑动，β就可消失。假定摩擦系数为μ，根据库仑准则，可得到稳定器与井壁接触力与接触点法线之间的夹角φ：

φ＝tan^-1(μ)    (14)

φ为摩擦角。恢复力可表示为：

F_k＝-kp    (15)

其与井壁接触力大小相等，方向相反。根据图8，可得到恢复力的径向、切向分量的极坐标表达式：

F_kr＝-kpcos(β)

                                         q＞s₀    (16)

F_kt＝-kpsin(β)

式中k为所研究钻铤部分的等效抗弯刚度系数，p为钻铤几何中心与稳定器中心的距离：

p＝qcos(β)+s₀cos(γ)＝qcos(β)-s₀cos(φ)   (17)

β，γ如图8所示。q为钻铤几何中心的径向变形，s₀为稳定器与井壁之间的间隙：

s₀＝(D_h-D_s)/2    (18)

式中D_h为井径，D_s为稳定器外径。

由受力平衡关系F_m+F_d+F_k＝0，可推导得预弯曲动力学防斜打快钻具组合的动力学模型：

[β(r″+irθ″+2ir′θ′-rθ′²)+ξ|r′+irθ′|(r′+irθ′)+Q_k]exp(iθ)    (19)

                                               ＝(ε+aζ)η²exp(iητ+iξ₀)-iQ_g

式中，r＝q/c₀，β＝(m+m_f)/m，δ＝s₀/c₀，ε＝e₀/c₀，η＝Ω/ω，ξ＝c_fc₀/m，τ＝wt，c₀为钻铤与稳定器之间的间隙：c₀＝(D_h-D₀)/2。ζ＝s₁/c₀，s₁为BHA预弯曲造成的初始挠度，a为钻杆初始挠度对转子质心的影响因子，若假设初始弯曲为正弦曲线时a＝2/π，其反映预弯曲程度的影响。ω为钻铤的固有频率： $\mathrm{\ω}=\sqrt{k/m}.$ 井斜角α_i的影响由Q_g表示：

Q_g＝-imgf_bsin(α_i)/(c₀k)    (20)

Q_k为反映恢复力影响的项，有以下三种情况：

1)当0≤r≤δ+ζ时，

Q_k＝0    (21)

2)当δ+ζ＜r≤1时，

Q_k＝r-δ-ζ+iφ(δ-δ²/r)    (22)

3)当r＞1时，

Q_k＝r-δ+iφ(δ-δ²/r)+(1+iSμ_c)ρ(r-1)+υr′    (23)

式中：υ是一个无量纲化井壁阻尼系数，它与弹力恢复系数有关。S为符号函数，其表达式为：

S＝sign(θ′+ηR_c)    (24)

假设开始时系统处于静止状态，根据方程式(19)～(24)即可确定后继时刻的r(t)和θ(t)，并将它们作用到代表下部钻具组合的三维运动梁模型上(见图9)，由此求得井壁对钻头的反力(钻头防斜力的反作用力)：

F_b＝f[r(t)，θ(t)；EI_i，L_i，δ_j]，i＝1，2，3；j＝1，2    (25)

式中：EI_i为各段梁的抗弯刚度，L_i为各段梁的长度，δ_j为扶正器与井壁的间隙。

在图9所示的模型上，钻头简化为球型铰约束，在上扶正器以上的长度L3由开始时上部钻柱与井壁相切的条件(挠角为零)确定，并且在后继时刻保持上端的挠角为零。扶正器的长度不计，井壁对扶正器的约束为动态约束，接触与否和r(t)的大小有关，在每个时间步都要进行判断。r(t)的作用点与钻铤的预弯曲形状有关，一般在预弯曲短节附近。此外，系统中与质量有关的动力学效应、以及碰撞效应，已经包含在从式(19)～(24)解出的r(t)和θ(t)之中。

钻头动态防斜力的计算流程见图4。确定具有最大防斜力的施工参数(钻压、转速)的方法如下：

固定结构参数，设置转速为60r/min，使钻压分别为50kN，60kN，70kN，...，200kN，计算对应的动态防斜力，找出具有最大动态防斜力的钻压值；

固定结构参数不变，设置钻压为50kN，使转速分别为30r/min，40r/min，50r/min，...，150r/min，计算对应的动态防斜力，找出具有最大动态防斜力的转速值；

5、根据动态防斜力值和实际钻井条件，确定合理施工参数(钻压、转速)；

考虑实际钻井设备的承受能力和可能提供的钻井施工参数，结合具有最大动态防斜力的施工参数，确定合理的施工参数(钻压、转速大小)。其中钟摆极限钻压是最大的限制因素，一般以钟摆极限钻压的1.5倍来确定实际钻压大小。

6、确定防斜打快作业操作规程。

考虑防斜打快目的和作业的安全性、可实施性，确定防斜打快作业操作规程，包括参数调整方法、井斜监测安排、防止复杂情况出现的措施等。

本发明与已有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：本发明采用带预弯曲结构钻具组合，以地面旋转驱动方压，从钻头的防斜力和变化规律出发，确定钻具和工艺操作规程，在实际作业中使用，在控制住井斜的同时，钻压比钟摆极限钻压提高50％以上，机械钻速得到较大幅度提高，最高达700％，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明一个实施例用的钻具组合的结构示意图。

图2是本发明的防斜打快钻井方法流程图。

图3是静态防斜力计算流程图。

图4是动态防斜力计算流程图。

图5是井眼中的钻具组合的示意图。

图6是图5中A-A处截面投影图。

图7是涡动钻柱横截面示意图。

图8是涡动钻柱横截面位置坐标图。

图9是钻柱三维运动梁模型图。

图10是非等力合成模型计算的防斜力曲线图。

图11是钻铤形心的涡动轨迹图。

图12是钻铤形心的涡动速度时程曲线图。

图13是钻头动态测面力时程曲线图。

具体实施方式

本发明的一个优选实施例结合附图详述如下：

参见图1，本预弯曲动力学防斜打快钻井方法采用图1所示的带预弯曲结构的钻具组合是：一个钻头(1)连接一个下稳定器(2)，下稳定器连接一个预弯短节(3)，预弯短节(3)通过一根短钻铤(4)与一个上稳定器(5)连接，上稳定器(5)通过钻铤(6)与上部钻柱连接。上部钻柱一般是由钻铤、钻杆及其它井下工具连接构成。

参见图2，本预弯曲动力学防斜打快钻井方法的具体步骤如下：

1、根据待钻地层的井斜特征情况，根据经验初步确定一套钻具组合：

钻具组合结构参数如下：Φ215.9mm钻头+Ф210特制稳定器+Φ159mm预弯短节(1.0°)×0.6m+Φ159mm钻铤×6m+Φ214mm稳定器+Φ178mm钻铤+.........。

可用钻井液密度为1.2g/m³。当前位置井斜角为3°。

根据以上参数计算静态防斜力的大小。静态防斜力大小计算结果见图10。从图中可以看出该钻具组合具有较大的防斜力F_s＝-11.09kN。

2、确定对应最大静态防斜力的结构参数。具体优化结果如下：

近钻头稳定器外径D_s1＝210mm，距钻头端面距离L₁＝1m；

双稳定器外径D_s1＝214mm；距近钻头稳定器距离L₂＝16m；

弯角大小θ＝1°，距近钻头稳定器位置L₂₁＝1.1m。

3、根据井场储备和上面确定的结构参数，确定钻具组合如下：

Φ215.9mm钻头×0.25m+Φ210特制稳定器×1.8m+Φ159mm预弯短节(1.0°)×0.6m+Φ159mm短钻铤×6m+Φ214mm稳定器×1.6m+Φ178mm钻铤×81m+.........。

4、计算动态防斜力，并确定具有最大动态防斜力的施工参数；

计算结果见图11～图13，钻头动态侧向力为F_bys＝-5.4675kN。

图11示出钻铤等效质量中心所在横截面的几何中心(简称形心)的涡动轨迹图。

图12示出钻铤涡动角速度时程曲线。这两个图反映的是预弯曲动力学防斜打快钻具组合的涡动特征。

图13示出钻头上的动态侧向力的时程曲线。反映出预弯曲动力学防斜打快钻具组合的涡动在钻头上形成了大小不一致但具有很强规律性的侧向冲击载荷，对上井壁的冲击载荷在数值上明显小于对下井壁的冲击载荷。正是这种动态冲击载荷的不均衡性，导致这种钻具组合具有较好的防斜能力。

优化的钻井施工参数为：

钻压W＝100kN；

转速N＝60r/min。

5、根据动态防斜力值和实际钻井条件，确定合理施工参数(钻压、转速)；

实际钻井设备的承受能力对上述钻压和转速没有限制，但该地区的钟摆极限钻压只有50kN，因此最后可确定的合理施工参数为：

钻压W＝75kN；

转速N＝60r/min。

6、确定操作规程；

根据钻具组合及施工参数，建立如下操作规程：

◆由于螺杆及预弯曲短节处于较为复杂的工作条件，因而必须注意使用安全问题，特别是防脱扣、防掉；

◆严密监测井眼轨迹，刚开始时加密测斜，定向井每30m测斜一次，直井每50m测斜一次，待摸清规律后可以放宽测斜井段，以便尽可能地保证井身质量一次合格；

◆起始井斜角应控制在2°以内，如不满足应设法达到这一指标；

◆施工方和井队必须十分重视此项试验。施工方必须派专人负责进行该项试验工作，井队必须密切配合；

◆每根单根划眼一次，并适当循环，保证井眼清洁，确保井眼安全，防止卡钻等事故的发生；

◆保证泥浆性能，搞好泥浆的润滑性、造壁性、悬浮性、携带性、抑制性，含砂必须控制在0.3％以下；

◆每钻150～200m短拉一次，短拉遇阻严防提死，控制遇阻吨位小于100kN，保证井眼的畅通。

◆如使用螺杆时，在泥浆泵的进出口和钻杆上使用滤清器，严防胶皮等杂物进入螺杆。在井口应对螺杆进行试运行，下钻要严格控制速度，防止螺杆倒转倒开钻具，同时观察泥浆的返出情况，如返出量增大，说明旁通阀被堵，此时每下500m灌浆一次；

◆如钻遇夹层，应及时调整钻井参数，保护钻头，待穿过夹层后恢复正常钻井。

Claims (6)

1.一种预弯曲动力学防斜打快钻井方法，其特征在于采用带预弯曲结构的钻具组合，以地面驱动的方式，从钻头的防斜力和变化规律分析出发，确定钻具组合、工艺操作规程、安全性分析和检测，实现防斜打快钻井；具体步骤如下：

a.根据待钻地层的井斜特征情况和实际经验初步确定一套钻具组合，并确定其静态防斜力大小；

b.在固定其它参数情况下，改变任一结构参数，确定对应的静态防斜力大小，并找出最大静态防斜力对应的结构参数；结构参数是指稳定器外径、稳定器位置、弯角大小和位置；

c.根据具有最大静态防斜力的结构参数和井场现有工具储备，确定钻具组合；

d.针对确定的钻具组合，计算在不同钻压和转速时的动态防斜力，并找出具有最大动态防斜力时的施工参数，即钻压和转速；

e.根据动态防斜力值和实际钻井条件，确定合理施工参数，即钻压、转速；

f.确定防斜打快作业操作规程。

2.根据权利要求1所述的预弯曲动力学防斜打快钻井方法，其特征在于所述的带预弯曲结构钻具组合是：一个钻头(1)连接一个下稳定器(2)，下稳定器(2)连接一个预弯短节(3)，预弯短节(3)通过一根短钻铤(4)与一个上稳定器(5)连接，上稳定器(5)通过钻铤(6)与上部钻柱连接。

3.根据权利要求1所述的预弯曲动力学防斜打快钻井方法，其特征在于所述的步骤1中的确定其静态防斜力大小，由下列公式(1)～(5)计算。

下部钻具组合三维小扰度静力分析微分方程组为：

E_iI_iU″″_i＝-M_tiV″′_i+(q_ilcosα_i-B_i)U″_i+q_iU′_icosα_i+q_isinα_i  (1)

E_iI_iV″″_i＝M_tiU″′_i+(q_ilcosα_i-B_i)V″_i+q_iV′_icosα_i            (2)

钻头旋转过程中某一瞬时的侧向力计算模型为：

S_x1＝E₁I₁U″′₁(0)+M_tiV″₁(0)+B₁U′₁(0)                          (3)

S_y1＝-E₁I₁V″′₁(0)+M_tiU″₁(0)-B₁V′₁(0)                         (4)

钻头旋转一周的合导向力为：

$F_s=\frac{1}{n}\sqrt{{E_{\mathrm{s\α}}}^2+{F_{\mathrm{s\φ}}}^2}---\left(5\right)$

公式(1)～(5)中的参数含义为：

式中： ${\left(\mathrm{}\right)}^{\′}=\frac{d\left(\right)}{\mathrm{dl}},$ ${\left(\mathrm{}\right)}^{\′\′}=\frac{d^2\left(\right)}{{\mathrm{dl}}^2},$ ${\left(\mathrm{}\right)}^{\′\′\′}=\frac{d^3\left(\right)}{{\mathrm{dl}}^3},$ ${\left(\mathrm{}\right)}^{\′\′\′\′}=\frac{d^4\left(\right)}{{\mathrm{dl}}^4}$

$B_i=B_1-\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}(q_j{L}_j{\cos \mathrm{\α}}_j-N_j{f}_a)$

$M_{\mathrm{ti}}=M_{t1}-\frac{f_t{D}_w}{2}\underset{j=1}{\overset{i-1}{\mathrm{\Σ}}}{N}_j$

$f_a=\frac{2v}{\sqrt{{4v}^2+{\left(w{D}_w\right)}^2}}f$

$f_t=\frac{{\mathrm{wD}}_W}{\sqrt{{4v}^2+{\left({\mathrm{wD}}_w\right)}^2}}f$

l-------沿钻柱轴线的曲线坐标，以i段钻柱的底端为起点；

E_i------i段钻柱的弹性模量；

I_i------i段钻柱的截面惯矩；

M_ti-----i段钻柱所受扭矩，i＝1时为钻头扭矩；

q_i------i段钻柱在钻井液中的线重度；

α_i------i段钻柱所在井段的井斜角；

U_i------i段钻柱在x方向的位移或坐标；

V_i------i段钻柱在y方向的位移或坐标；

B_i------i段钻柱下部z方向的压力，压为正，i＝1时为钻压；

L_j------j段钻柱的长度；

N_j------j个稳定器与井壁的接触压力；

f-------稳定器与井壁的摩擦系数；

v-------钻速；

w-------钻柱自转角速度；

D_w------井径。

4.根据权利要求1所述的预弯曲动力学防斜打快钻井方法，其特征在于所述的步骤2中的确定对应最大防斜力的各结构参数，包括稳定器外径、稳定器位置、弯角大小和位置，具体是指：

a.其它参数不变，使下稳定器(2)外径分别比井径小0mm，1mm，2mm，…，10mm，计算对应的静态防斜力，找出具有最大静态防斜力的下稳定器外径；

b.其它参数不变，使上稳定器(5)外径分别比井径小0mm，1mm，2mm，…，10mm，计算对应的静态防斜力，找出具有最大静态防斜力的上稳定器外径；

c.其它参数不变，使下稳定器(2)距钻头(1)端面距离分别为0.5m，0.6m，0.7m，…，1.0m，计算对应的静态防斜力，计算对应的静态防斜力，找出具有最大静态防斜力的下稳定器(2)距钻头(1)端面距离；

d.其它参数不变，使下稳定器(2)与上稳定器(5)之间距离分别为6m，

7m，8m，…，20m，计算对应的静态防斜力，找出具有最大静态防斜力的下稳定器(2)与上稳定器(5)之间距离；

e.其它参数不变，使预弯短节(3)或单弯螺杆(8)弯点距下稳定器(2)的距离分别为1.0m，1.2m，1.3m，…，1.6m，计算对应的静态防斜力，找出具有最大静态防斜力的弯点距下稳定器(2)的距离；

f.其它参数不变，使预弯短节(3)或单弯螺杆(8)的弯角分别为0.5°，0.55°，0.6°，…，1.5°，计算对应的静态防斜力，找出具有最大静态防斜力的弯角大小。

5.根据权利要求1所述的预弯曲动力学防斜打快钻井方法，其特征在于所述的步骤5中即对已确定的钻具组合进行动态防斜力计算，确定具有最大动态防斜力时的施工参数——钻压、转速的具体方法。

结构参数不变，转速为60r/min，使钻压分别为50kN，60kN，70kN，…，200kN，计算对应的动态防斜力，找出具有最大动态防斜力的钻压值；

结构参数不变，钻压为50kN，使转速分别为30r/min，40r/min，50r/min，…，150r/min，计算对应的动态防斜力，找出具有最大动态防斜力的转速值；

动态防斜力特征按方程(6)计算：

F_b＝f[r，θ]，i＝1，2，3；j＝1，2    (6)

公式(6)中r、θ为弯点处形心的动态运动半径和相位角，随时间t动态变化，由(7)式计算：

[β(r″+irθ″+2ir′θ′-rθ′²)+ξ|r′+irθ′|(r′+irθ′)+Q_k]exp(iθ)    (7)

                                               ＝(ε+aζ)η²exp(iητ+iξ)-iQ_g

式(7)中式中，r＝q/c₀，q为钻铤几何中心的径向变形，c₀为钻铤与稳定器之间的间隙：c₀＝(D_h-D₀)/2，D_h为井径，D_s为稳定器外径；β＝(m+m_f)/m，m为钻铤的等效质量；m_f为钻井液的等效质量；δ＝s₀/c₀，s₀为稳定器与井壁之间的间隙：s₀＝(D_h-D_s)/2，D_s为稳定器外径。ε＝e₀/c₀，e₀为质心相对钻柱几何中心的偏差；η＝Ω/ω，Ω为钻铤旋转速度，ω为钻铤的固有频率： $\mathrm{\ω}=\sqrt{k/m},$ k为所研究钻铤部分的等效抗弯刚度系数；ξ＝c_fc₀/m，c_f为流体等效粘滞系数；τ＝wt；ζ＝s₁/c₀，s₁为BHA预弯曲造成的初始挠度；a为钻杆初始挠度对转子质心的影响因子，若假设初始弯曲为正弦曲线时a＝2/π，其反映预弯曲程度的影响；Q_g＝-imgf_bsin(α_i)/(c₀k)α_i为井斜角，f_b为浮力系数；Q_k为反映恢复力影响的项，有以下三种情况：当0≤r≤δ+ζ时，Q_k＝0；当δ+ζ＜r ≤1时，Q_k＝r-δ-ζ+iφ(δ-δ²/r)；当r＞1时，Q_k＝r-δ+iφ(δ-δ²/r)+(1+iSμ_c)ρ(r-1)+υr′；

式中：υ是一个无量纲化井壁阻尼系数，它与弹力恢复系数有关。S为符号函数。

6.根据权利要求1所述的预弯曲动力学防斜打快钻井方法，其特征在于所述的步骤6中确定防斜打快作业操作规程：

①注意安全问题，特别是螺杆及预弯曲短节防脱扣、防掉；

②严密监测井眼轨迹，定向井每30m测斜一次，直井每50m测斜一次；

③起始井斜角控制在2°以内；

④施工方与井队配合此项试验；

⑤每根单根划眼一次，并适当循环，确保安全；

⑥保证泥浆性能，含砂控制在0.3％以下；

⑦每钻150～200m短拉一次，控制遇阻吨位小干100KN；

⑧使用螺杆时，在泥浆泵的进出口和钻杆上使用滤清器，每下500m灌浆一次；

⑨如钻遇夹层，应及时调整钻井参数，保护钻头，待穿过夹层后恢复正常钻井。

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