CN104131782B - 一种通井底部钻具组合确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种通井底部钻具组合（通井BHA）确定方法，包括如下步骤：a.针对目标井眼，测量井径和井眼曲率特征，明确预入井套管几何参数，测定通井BHA所用部件（钻头、钻铤、稳定器）的几何参数；b.根据变形能原理，考虑稳定器的影响，建立弯曲井眼中管柱的弯曲应变能模型；c.计算不同曲率井眼中通井BHA与待下入套管的弯曲应变能；d.提出基于等效刚度系数的评价方法。这种方法可以充分反映井眼、通井BHA与套管的几何特征及管柱的抗弯刚度的影响，所得通井BHA可以有效逼近待下入套管的弯曲应变能。本发明方法适用于现场确定通井BHA，起到有效的通井效果，确保下套管作业的顺利实施。
Description
技术领域
本发明属于油气钻井井下管柱结构确定技术领域，具体地说是一种通井底部钻具组合（通井BHA）确定方法。
背景技术
实际钻井作业中，套管下入遇阻是一个十分危险的作业工况，原因在于套管的连接丝扣为细扣，无法承受高扭矩和多次上卸扣作业，易损坏失效甚至导致管柱落井复杂情况。特别是在一些复杂地质情况下，长时间通井可能引发其它井下复杂情况，延误钻井作业进度或危及钻井作业安全。因此，确保套管顺利下入十分重要。在工程实际中，常采用通井BHA来修正井眼，光滑井壁，为套管顺利下入做好准备工作。
目前，在深井、超深井、大位移井及气体钻井等技术方面涉及钻柱力学分析及通井BHA设计的研究工作已有很多，但是，关于通井BHA设计分析的文献很少。目前利用经验系数匹配的方法设计通井钻具组合，没有考虑井眼轨迹特征和井径特征，造成通井效果不理想。而现场通井BHA的设计依据更为缺乏。这也是套管下入遇阻复杂现象普遍存在的一个重要原因。据统计，某油田为了提高巨厚砾石层钻进速度，在某井上利用气体钻井取得了很好的提速效果，但由于下套管作业遇阻和没有合理的通井钻具组合，用于通井作业的额外耗时在20天以上，大幅度削弱了气体钻井的效益。
因此，合理的确定通井BHA对于下套管作业，特别是对于深井、超深井以及气体钻井的下套管作业尤为重要。由于套管本体外径大，管壁薄，刚度大，因此只有合理地选择通井BHA的钻铤尺寸和稳定器的数量，合理地设计通井BHA的结构，才能近似匹配套管的抗弯刚度，达到有效通井的目的。本文基于弯曲应变能的原理研究带稳定器BHA的等效刚度，设计与套管弯曲刚度相近的通井BHA，为套管的顺利下入创造条件。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种通井底部钻具组合确定方法，适用于现场确定通井BHA，保证套管的顺利下入。
为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：
一种通井底部钻具组合确定方法，包括如下步骤：
a.针对目标井眼，利用专用测量工具分别测定井径和井眼曲率特征，测定预入井套管的几何、物理参数，测定通井BHA所利用部件的几何、物理参数；
b.根据变形能原理，考虑稳定器的影响，建立弯曲井眼中管柱的弯曲应变能模型；
c.计算不同曲率井眼中通井BHA与待下入套管的弯曲应变能；
d.提出基于等效刚度系数的评价方法，能够充分反映井眼、通井BHA与套管的几何特征及管柱的抗弯刚度的影响，所得通井BHA能够有效逼近待下入套管的弯曲应变能。
所述步骤a中专用测量工具包括井斜测量设备（如电子单多点测斜仪，MWD/LWD测量工具等）、井径测井工具、专用钻具量规、专用材料强度测试设备等。
所述步骤b中建立弯曲井眼中管柱的弯曲应变能模型，具体包括下列步骤：
b1.考虑通井BHA中具有较大几何尺寸的稳定器影响；
b2.考虑井眼特征对管柱端部的边界约束条件：管柱在钻头处假设为固定端，另一端为自由端，但自由端需根据井眼特征限定其位移；
b3.建立与井眼曲率和井眼边界约束相关的管柱弯曲应变能模型。
(1)
(2)
式（1）为弯曲井眼中管柱的弯曲应变能模型。式（2）为水平井眼中管柱的弯曲应变能公式。式中：为通井BHA的弯曲应变能，Nm。，为井眼直径，m；为管柱外径，m。为井眼曲率半径，m；为抗弯刚度，N.m2。下标i用以区别稳定器与钻铤的抗弯刚度。为分段长度，m；为端部位移，m；为稳定器个数。
所述步骤c中计算不同曲率井眼中通井BHA与待下入套管的弯曲应变能，具体包括下列步骤：
c1.假设井眼曲率及扩径系数不同，计算井眼中通井BHA的弯曲应变能；
c2.计算不同组合结构的通井BHA在井眼中的弯曲应变能；
c3.计算不同井眼条件下，相应套管的弯曲应变能。
所述步骤d中提出的基于等效刚度系数的评价方法，具体包括下列步骤：等效刚度系数定义为通井BHA弯曲应变能与套管弯曲应变能的比值，当等效刚度系数大于1时，说明通井BHA能够达到通井的作用。
(3)
式中：为通井BHA的弯曲应变能，Nm，为套管的弯曲应变能，Nm，为套管的抗弯刚度，Nm2；，为套管外径，m。为计算管柱的长度，m。
本方法可以充分反映井眼、BHA与套管的几何特征及管柱的抗弯刚度的影响，所得通井BHA可以有效逼近待下入套管的弯曲应变能。
所述通井BHA包括钻铤、稳定器和钻头。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
现有技术主要包括两种：一种是以经验系数匹配的方法设计通井BHA，另一种是采用通井BHA与套管刚度匹配的计算公式。对于前者，不考虑井眼轨迹特征，按经验配备通井BHA，其可能无法通过实际井眼，或通井效果达不到套管下入要求。对于后者，是把稳定器作为铰支，只考察钻铤部分、稳定器部分的刚度加权累加结果与套管的刚度匹配关系，不仅未考虑井眼曲率的影响，同时也无法反井眼约束和井径扩大的影响。因此，此两种方法用来设计通井BHA具有很大的局限性。
本发明提供的一种通井BHA确定方法，采用弯曲应变能原理，考虑了井眼弯曲特征及稳定器刚度和尺寸的影响，计算在不同井眼边界约束和不同井眼曲率条件下，不同通井BHA与套管的弯曲应变能，并计算通井BHA的等效刚度系数，随后按等效刚度系数接近1或大于1的原则确定所需的通井BHA，为确保下套管作业的顺利实施提供理论指导。
本发明实施例采用变形能原理，综合考虑井眼曲率，边界条件和稳定器影响，通过等效刚度思想确定合理的通井BHA，对确保下套管作业的顺利实施提供指导。
附图说明
图1是井眼中BHA挠曲线示意图。
图2a是某井三开采用228.6mm(9in)钻铤和三稳定器通井BHA变形能及等效刚度系数。
图2b是某井三开采用228.6mm(9in)钻铤和四稳定器通井BHA变形能及等效刚度系数。
图3a是某井三开采用279.4mm(11in)钻铤和三稳定器通井BHA变形能及等效刚度系数。
图3b是某井三开采用279.4mm(11in)钻铤和四稳定器通井BHA变形能及等效刚度系数。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述，但不作为对本发明的限定。
本实施例以应用于某一区块x井的通井BHA设计为例对本发明方法进行详细说明，考察井眼直径为431.8mm，井眼曲率为1~6°/30m。套管外径为374.65mm，内径为337.35mm。使用两种规格钻铤，外径为228.6mm，内径为71.4mm的9in钻铤以及外径为279.4mm，内径为76.2mm的11in钻铤，稳定器外径为429mm，稳定器扶正条长度为0.5m。计算通井BHA长度和对应套管长度为40m。
实施例1
一种通井底部钻具组合（BHA）确定方法，具体包括如下步骤：
使用228.6mm(9in)钻铤设计的三稳定器通井BHA为：
431.8mm钻头+228.6mm钻铤×1.35m+429mm稳定器×0.8m+228.6mm钻铤×10.76m+429mm稳定器×0.8m+228.6mm钻铤×10.76m+429mm稳定器×0.8m+228.6mm钻铤×…。
四稳定器通井BHA为：
431.8mm钻头+228.6mm钻铤×1.35m+429mm稳定器×0.8m+228.6mm钻铤×10.76m+429mm稳定器×0.8m+228.6mm钻铤×10.76m+429mm稳定器×0.8m+228.6mm钻铤×10.76m+429mm稳定器×0.8m+228.6mm钻铤×…。
利用公式（3），可以计算得到弯曲井眼中通井BHA的等效刚度系数。由于边界约束对等效刚度系数影响较大，因此，分别计算井眼扩径系数为1.0、1.18及强制管柱居中三种情况下的弯曲应变能和等效刚度系数。三稳定器通井BHA的弯曲应变能及等效刚度系数如图2a所示。四稳定器通井BHA的弯曲应变能及等效刚度系数如图2b所示。
根据所得计算模型，以等效刚度系数大于1或接近1为原则，确定合理的通井BHA。
对于本实施例中x井预选的通井BHA，从图2中可以看出，由228.6mm(9in)钻铤组成的通井BHA等效刚度所能适应的井眼曲率范围较小，当井眼曲率大于1.8°/30m时，由四稳定器9in钻铤组成的通井BHA的等效刚度也达不到套管下入的要求。
实施例2
使用279.4mm(11in)钻铤设计的三稳定器通井BHA为：
431.8mm钻头+279.4mm钻铤×1.35m+429mm稳定器×0.8m+279.4mm钻铤×10.76m+429mm稳定器×0.8m+279.4mm钻铤×10.76m+429mm稳定器×0.8m+279.4mm钻铤×14.73m。
四稳定器通井BHA为：
431.8mm钻头+279.4mm钻铤×1.35m+429mm稳定器×0.8m+279.4mm钻铤×10.76m+429mm稳定器×0.8m+279.4mm钻铤×10.76m+429mm稳定器×0.8m+279.4mm钻铤×10.76m+429mm稳定器×0.8m+279.4mm钻铤×3.17m。
不同井眼曲率下的通井BHA弯曲应变能及等效刚度如图3a、图3b所示。
从图3中可以看出，使用279.4mm(11in)钻铤和429mm稳定器组合的通井BHA的弯曲应变能大于同等条件下套管的弯曲应变能，其等效刚度完全能够满足套管顺利下入的要求。因此，选用279.4mm(11in)钻铤和429mm稳定器组合的通井BHA。
Claims (6)
1.一种通井底部钻具组合确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
a.针对目标井眼，利用专用测量工具分别测定井径和井眼曲率特征，测定预入井套管的几何、物理参数，测定通井底部钻具组合，即通井BHA所利用部件的几何、物理参数；
b.根据变形能原理，考虑稳定器的影响，建立弯曲井眼中管柱的弯曲应变能模型；
c.计算不同曲率井眼中通井BHA与待下入套管的弯曲应变能；
d.提出基于等效刚度系数的评价方法，能够充分反映井眼、通井BHA与套管的几何特征及管柱的抗弯刚度的影响，所得通井BHA能够有效逼近待下入套管的弯曲应变能。
2.根据权利要求1所述的通井底部钻具组合确定方法，其特征在于，所述步骤a中专用测量工具包括井斜测量设备、井径测井工具、专用钻具量规、专用材料强度测试设备。
3.根据权利要求1所述的通井底部钻具组合确定方法，其特征在于，所述步骤b中建立弯曲井眼中管柱的弯曲应变能模型，具体包括下列步骤：
b1.考虑通井BHA中具有较大几何尺寸的稳定器影响；
b2.考虑井眼特征对管柱端部的边界约束条件：管柱在钻头处假设为固定端，另一端为自由端，但自由端需根据井眼特征限定其位移；
b3.建立与井眼曲率和井眼边界约束相关的管柱弯曲应变能模型。
4.根据权利要求1所述的通井底部钻具组合确定方法，其特征在于，所述步骤c中计算不同曲率井眼中通井BHA与待下入套管的弯曲应变能，具体包括下列步骤：
c1.假设井眼曲率及扩径系数不同，计算井眼中通井BHA的弯曲应变能；
c2.计算不同结构的通井BHA在井眼中的弯曲应变能；
c3.计算不同井眼条件下，相应套管的弯曲应变能。
5.根据权利要求1所述的通井底部钻具组合确定方法，其特征在于，所述步骤d中提出的基于等效刚度系数的评价方法，具体包括下列步骤：等效刚度系数定义为通井BHA弯曲应变能与套管弯曲应变能的比值，当等效刚度系数大于1时，说明通井BHA能够达到通井的作用。
6.根据权利要求1、3、4、5任意一项所述的通井底部钻具组合确定方法，其特征在于，所述通井BHA包括钻铤、稳定器和钻头。
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