CN103590811B - 一种大位移井钻柱卡点测量实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大位移井钻柱卡点测量实验装置及测试方法，该实验装置包括模拟井筒套管段、模拟井筒裸眼段、模拟钻柱和测量仪器。本发明的实验装置结构简单，安装和操作方便，其用数理统计法分析水垂比λ对卡点位置的修正系数η的影响，建立η与λ的关系曲线η=f(λ)，尽可能的修正大位移井的钻井过程中钻头受力状态复杂、钻柱接头及井眼轨迹变化对测量误差的影响，再利用剪切胡克定律计算卡点位置，从而提高了测试精度。
Description
技术领域
本发明属于地下资源钻采工程技术领域，尤其涉及一种大位移井钻柱卡点测量实验装置及方法。
背景技术
水垂比不小于2的大位移井广泛应用于海上油田的开采和海油陆采，成为提高油气采收率和降低“吨油”开采成本的有效手段。大位移钻井过程中，卡钻是发生频率最高、处理花费时间最长和造成经济损失最大的钻井事故之一。
目前测量钻柱卡点的方法有提拉理论计算法和专门的测卡仪测量法。其中，提拉理论计算法是现场对钻柱进行提拉，测量拉力与拉伸长度，根据弹性材料的胡克定律，计算卡点以上钻柱的长度；而专门的测卡仪靠自身重力下入井内，测卡仪依靠管柱的扭转应力或拉伸应力的变化而使其磁场发生改变，自由段发生扭转其磁场发生变化，被卡段不发生扭转其磁场强度不发生变化，据此可以测得卡点位置。
利用上述的测量钻柱卡点的方法中，提拉理论计算法所使用的卡点理论计算公式，主要用于直井或者井身结构简单的大斜度井，还难以用于大位移井中进行卡点预测。而专门的测卡仪测量法所使用的专用测卡仪价格昂贵，且测卡仪靠自身重力下入，在一般在直井中使用可以下到一定深度，在大位移井中很难下入到需要测量的深度。大位移井中的管柱受力状态复杂，如果管柱变形严重，管柱与井壁或套管的接触力能够克服对管柱的提拉或扭转，卡点测量误差较大。如果地层本身对磁场有较强的干扰，将会造成更大的测量误差。
因此，在目前的实际应用中，还没有发现一种有效的针对大位移井钻柱卡点测量实验装置及方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大位移井钻柱卡点测量实验装置及方法，以解决现有技术中缺少针对大位移井钻柱卡点测量实验装置及方法的问题。
一种大位移井钻柱卡点测量实验装置，包括模拟井筒套管段、模拟井筒裸眼段、模拟钻柱和测量仪器，其中：
所述模拟井筒套管段和模拟井筒裸眼段相接形成贯通的通道；
所述模拟钻柱的钻头端可操作的穿过所述通道至所述水平段的端部并固定，形成模拟的卡点位置；
所述模拟钻柱的自由端与所述测量仪器连接，用于测量实验数据。
相应地，本发明还提供了一种大位移井钻柱卡点测试方法，包括如下步骤：
步骤S100、将大位移井钻柱卡点测量实验装置的部件配合组装；
步骤S200、扭转模拟钻柱，读取测量仪器的测量值，根据不同的水垂比λ测量对应卡点位置的测量值，用数理统计法分析水垂比λ对卡点位置的修正系数η的影响，从而建立η与λ的关系曲线η=f(λ)；
步骤S300、根据剪切胡克定律，并结合卡点位置修正系数η的函数关系式，得出最终确定卡点位置的公式从而计算最终的卡点位置；其中，
L－卡点位置；
G－模拟钻柱的切变模量；
Ip－模拟钻柱的极惯性矩；
－模拟钻柱的扭转角，弧度；
T－模拟钻柱扭矩；
极惯性矩按下式计算：
D－模拟钻柱的外径，d－模拟钻柱的内径。
与现有技术相比，本发明实施例的优点在于：
本发明的大位移井钻柱卡点测量实验装置，结构简单，安装和操作方便，其用数理统计法分析水垂比λ对卡点位置的修正系数η的影响，建立η与λ的关系曲线η=f(λ)，尽可能的修正大位移井的钻井过程中钻头受力状态复杂、钻杆接头及井眼轨迹变化对测量误差的影响，从而提高测试精度。
本发明的大位移井钻柱卡点测试方法，利用η与λ的关系曲线η=f(λ)；通过水垂比λ的修正，使得利用剪切胡克定律计算大位移井钻柱卡点测试方法的测量精度提高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的大位移井钻柱卡点测量实验装置的结构示意图；
图2为图1的本发明实施例提供的水垂比λ的坐标示意图；
图3为本发明实施例的模拟钻柱为空心等直圆杆时在一定的扭矩作用下变形的示意图；
图4为本发明实施例提供的大位移井钻柱卡点测试方法的流程示意图。
具体实施方式
下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的一种大位移井钻柱卡点测量实验装置，包括模拟井筒套管段4、模拟井筒裸眼段7、模拟钻柱6和测量仪器10，其中：（即所述模拟井筒包括直井段、弯曲段和水平段，其中直井段和弯曲段为套管段，水平段为模拟地层裸眼段，两者贯通连接；）
所述模拟井筒套管段4和模拟井筒裸眼段7相接形成贯通的通道；所述模拟钻柱6的钻头端可操作的穿过所述通道至所述模拟井筒裸眼段7的端部固定，形成模拟的卡点位置；所述模拟钻柱6的自由端与所述测量仪器10连接，用于测量实验数据。
在本发明实施例中，该大位移井钻柱卡点测量实验装置主要由模拟井筒、模拟钻柱和测量仪器组成。模拟井筒包括直井段、弯曲段和水平段，弯曲段的曲率可调；结合图2，横坐标x代表水平位移，纵坐标y代表垂直深度，两者的比值即可得到不同的水垂比λ，即水垂比λ是定向井井眼的水平位移与垂直深度之比，水垂比>=2的定向井才称为大位移井。每根钻杆的长度是一定的，多根钻杆连接起来才等于整个井眼的长度。较佳地，在本实施例中，水垂比λ最初设定为2。根据不同的水垂比λ测量对应卡点位置的测量值，用数理统计法分析水垂比λ对卡点位置的修正系数η的影响，建立η与λ的关系曲线η=f(λ)，尽可能的修正大位移井的钻井过程中钻头受力状态复杂，及地表的磁场对测量的干扰形成的测量误差的影响，从而提高测试精度。
较佳地，所述模拟井筒套管段和模拟井筒裸眼段相接形成贯通的通道；所述模拟钻柱的钻头端可操作的穿过所述通道至所述模拟井筒裸眼段的端部固定，形成模拟的卡点位置；所述模拟钻柱的自由端与所述测量仪器连接，用于测量实验数据。本发明的实施例的实验装置，结构简单，成本低廉，经曲线η=f(λ)修正后的测量精度高。
下面对上述大位移井钻柱卡点测量实验装置做进一步详细的说明：
较佳地，所述测量仪器10包括刻度盘3和与所述刻度盘3配合使用的扭转角指针1；所述扭转角指针1的一端固定于所述模拟钻柱6上，所述扭转角指针1的另一端指向所述刻度盘3的表盘，用于测量模拟钻柱6的扭转角度值。
较佳地，所述刻度盘3安装于所述模拟井筒套管段4上；所述刻度盘3的表盘中心紧固有带中心孔的安装座30，所述安装座30的中心孔与所述模拟井筒套管段4连通。
较佳地，所述测量仪器10还包括扭矩测量仪2；所述模拟钻柱6与所述安装座30的中心孔间隙配合后伸出，模拟钻柱6能在中心孔内自由转动，旋转角度范围为0～360度，且所述模拟钻柱6的伸出端与所述扭矩测量仪2相连，用于测量模拟钻柱6在扭转过程中的扭矩值。
较佳地，所述扭矩测量仪2为扭力扳手，可显示所测扭矩值的大小，操作方便。当然，在其他实施例中，扭矩测量仪2也可以为其他的形式。
较佳地，所述模拟井筒套管段4的曲率可调；所述模拟井筒裸眼段7的外层为钢制圆管或PVC管制备，内部用水泥砂浆充填并有通孔，水平角度可调；所述模拟钻柱6由多段等长的管状钻柱组成，并由接头5通过螺纹连接；所述模拟钻柱6的固定端由固定器8可拆卸的固定连接，使用方便。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了提供一种大位移井钻柱卡点测试方法，由于此方法解决问题的原理基于前述大位移井钻柱卡点测量实验装置结构基础，重复之处不再赘述。
如图3和图4所示，本发明实施例还提供一种大位移井钻柱卡点测试方法，包括如下步骤：
步骤S100、将大位移井钻柱卡点测量实验装置的部件配合组装；
步骤S200、扭转模拟钻柱6，读取测量仪器10的测量值，根据不同的水垂比λ测量对应卡点位置的测量值，用数理统计法分析水垂比λ对卡点位置的修正系数η的影响，从而建立η与λ的关系曲线η=f(λ)；
步骤S300、根据剪切胡克定律，并结合卡点位置修正系数η的函数关系式，得出最终确定卡点位置的公式从而计算最终的卡点位置，其中，
L－卡点位置（m）；
G－模拟钻柱6的切变模量，其中，钢材一般取80×109Pa；
Ip－模拟钻柱6的惯性矩，m4；
－模拟钻柱6的扭转角，弧度；
T为模拟钻柱6的扭矩,（N·m）；
极惯性矩按下式计算：
D－模拟钻柱6的外径（m），d－模拟钻柱6的内径（m）。
较佳地，步骤S100还包括：
步骤S101、根据测试所需的水垂比λ，选取模拟井筒套管段4的长度和弯曲曲率，及模拟井筒裸眼段7的长度；
步骤S102、将选取的所述模拟井筒套管段4和模拟井筒裸眼段7相接形成贯通的通道；
步骤S103、将模拟钻柱6沿模拟井筒套管段4的端部穿入所述通道内，至所述模拟井筒裸眼段7的末端固定，形成模拟的卡点位置；
需要说明的是，为了测量准确计算方便，在实施例中，模拟钻柱6为空心等直圆杆，其材料为钢材。
步骤S104、将测量仪器10安装于所述模拟钻柱6的自由端。
较佳地，所述步骤S104具体包括：
转动所述测量仪器10的扭力扳手，使得所述模拟钻柱6在0～360度的范围内扭转，并通过所述扭力扳手直接读取扭矩值；
所述测量仪器10的扭转角指针1随所述模拟钻柱6的扭转而在所述测量仪器10的刻度盘3上转动，读取对应的扭转角度值。
较佳地，所述步骤S103具体包括：
选取多段等长的钻柱，通过接头5的螺纹连接，形成整段的所述模拟钻柱6，安装和使用方便。
本发明实施例的测试方法，利用η与λ的关系曲线η=f(λ)；通过水垂比λ的修正，使得利用剪切胡克定律计算大位移井钻柱卡点测试方法的测量精度提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种大位移井钻柱卡点测量实验装置，其特征在于，包括模拟井筒套管段(4)、模拟井筒裸眼段(7)、模拟钻柱(6)和测量仪器(10)，其中：
所述模拟井筒套管段(4)和模拟井筒裸眼段(7)相接形成贯通的通道；
所述模拟钻柱(6)的钻头端可操作的穿过所述通道至所述模拟井筒裸眼段(7)的端部并固定，形成模拟的卡点位置；
所述模拟钻柱(6)的自由端与所述测量仪器(10)连接，用于测量实验数据；
所述模拟井筒套管段(4)的曲率可调；
所述模拟井筒裸眼段(7)的外层为钢制圆管或PVC管制备，内部用水泥砂浆充填并有通孔，水平角度可调；
所述模拟钻柱(6)由多段等长的管状钻柱组成，并由接头(5)通过螺纹连接；所述模拟钻柱(6)的固定端由固定器(8)可拆卸的固定连接。
2.如权利要求1所述的大位移井钻柱卡点测量实验装置，其特征在于，
所述测量仪器(10)包括刻度盘(3)和与所述刻度盘(3)配合使用的扭转角指针(1)；
所述扭转角指针(1)的一端固定于所述模拟钻柱(6)上，所述扭转角指针(1)的另一端指向所述刻度盘(3)的表盘。
3.如权利要求2所述的大位移井钻柱卡点测量实验装置，其特征在于，
所述刻度盘(3)安装于所述模拟井筒套管段(4)上；
所述刻度盘(3)的表盘中心紧固有带中心孔的安装座(30)，所述安装座(30)的中心孔与所述模拟井筒套管段(4)连通。
4.如权利要求3所述的大位移井钻柱卡点测量实验装置，其特征在于，
所述测量仪器(10)还包括扭矩测量仪(2)；
所述模拟钻柱(6)与所述安装座(30)的中心孔间隙配合后伸出，所述模拟钻柱(6)的伸出端与所述扭矩测量仪(2)相连。
5.如权利要求4所述的大位移井钻柱卡点测量实验装置，其特征在于，
所述扭矩测量仪(2)为扭力扳手，可显示所测扭矩值的大小。
6.一种大位移井钻柱卡点测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S100、将大位移井钻柱卡点测量实验装置的部件配合组装；
步骤S200、扭转模拟钻柱(6)，读取测量仪器(10)的测量值，根据不同的水垂比λ测量对应卡点位置的测量值，用数理统计法分析水垂比λ对卡点位置的修正系数η的影响，从而建立η与λ的关系曲线η＝f(λ)；
步骤S300、根据剪切胡克定律，并结合卡点位置修正系数η的函数关系式，得出最终确定卡点位置的公式从而计算最终的卡点位置；其中，
L－卡点位置；
G－模拟钻柱(6)的切变模量；
Ip－模拟钻柱(6)的极惯性矩；
－模拟钻柱(6)的扭转角，弧度；
T－模拟钻柱(6)扭矩；
极惯性矩按下式计算：
D－模拟钻柱(6)的外径，d－模拟钻柱(6)的内径。
7.如权利要求6所述的大位移井钻柱卡点测试方法，其特征在于，所述步骤S100还包括：
步骤S101、根据测试所需的水垂比λ，选取模拟井筒套管段(4)的长度和弯曲曲率，及模拟井筒裸眼段(7)的长度；
步骤S102、将所述模拟井筒套管段(4)和模拟井筒裸眼段(7)相接形成贯通的通道；
步骤S103、将模拟钻柱(6)沿模拟井筒套管段(4)的端部穿入所述通道内，至所述模拟井筒裸眼段(7)的末端固定，形成模拟的卡点位置；
步骤S104、将测量仪器(10)安装于所述模拟钻柱(6)的自由端。
8.如权利要求7所述的大位移井钻柱卡点测试方法，其特征在于，所述步骤S104具体包括：
转动所述测量仪器(10)的扭力扳手，使得所述模拟钻柱(6)在0～360度的范围内扭转，并通过所述扭力扳手直接读取扭矩值；
所述测量仪器(10)的扭转角指针(1)随所述模拟钻柱(6)的扭转而在所述测量仪器(10)的刻度盘(3)上转动，读取对应的扭转角度值。
9.如权利要求8所述的大位移井钻柱卡点测试方法，其特征在于，所述步骤S103具体包括：
选取多段等长的钻柱，通过接头(5)的螺纹连接，形成整段的所述模拟钻柱(6)。
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