CN107740678A - 套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及的是套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，这种套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，将多折面斜向器运用下部钻具组合通过套管开窗段多折面斜向器的有限元仿真方法，所述多折面斜向器准备用于钻井套管开窗，计算下部钻具组合通过套管开窗段所述多折面斜向器时的受力情况，反复修改有限元模型中的参数，对所述多折面斜向器各段的长度和倾角参数进行优化设计，优化出新的多折面斜向器的窗口长度。本发明基于ANSYS有限元软件对下部钻具组合通过多折面斜向器进行模拟仿真计算，可以对斜向器各段的长度和倾角参数进行优化设计，可以优化出多折面斜向器的有效窗口长度，解决下部钻具组合通过套管开窗处遇阻、遇卡等问题。

Description

套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法

技术领域

本发明涉及石油钻采工程技术领域，具体涉及套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法。

背景技术

随着国际上越来越多的油田相继进入开发后期，在油气开采上面临着诸多相似的难题。不少油井产量大幅下降，水淹严重、套管损坏、油层构造复杂、井下事故等问题阻碍着人们对油井的正常开采。我国的高含水井、工程报废井等“老井”、“死井”的数量也在逐年增加，这极大的阻碍了我国对石油资源进行有效的开采利用，同时增加了油气的开发成本。其中许多报废井仍然具有很高的开采价值，如果对其进行有效的二次开发将会在很大程度上缓解我国资源紧张的问题，有利于经济的发展。目前，套管内侧钻开窗技术很好的解决了各大油田在油井开采的中后期面临的诸多难题。

套管开窗即在侧钻起始位置的原井套管上，打开一个与管外地层连通窗口的工艺过程。斜向器作为油井套管开窗侧钻的主要工具，自问世以来，人们一直在不断地改进完善它。它的固定方式有机械式和水泥式，有永久式和可回收式，有可循环的和不可循环的；它的斜面形状有平面和弧面的，有单一倾角的斜向器，也有多折面的斜向器。

为了减少定向钻进时钻具结构在套管的窗口处遇阻、遇卡等复杂情况的发生，人们希望套管开窗的窗口大一些、长一些，为侧钻大斜度定向井、水平井创造安全可靠的条件。长期以来人们主要从调整斜向器的倾角及选择开窗方法两方面进行了研究，但局限于斜向器斜面为单一倾角。近年来，人们设计了多折面斜向器，这种多折面斜向器突破了单一倾角的常规，以多折面组成倾斜面，可大大缩短窗口的总长，延长有效窗口长度，提高全角变化率，有利于安全施工。

多折面斜向器开窗的窗口有效长度，决定于期望值的长度，受限于斜向器总成的长度。有效窗口长度的期望值取决于所钻井的难易程度，钻具下部组合的复杂性，完井作业的难易等因素。有效窗口长度理论上是可以无限延长的，但延伸过长会增加斜向器总成的长度，给施工带来不便。因此，根据套管开窗侧钻井的工程实际需要，考虑成本等问题，在有限的斜向器总成的长度条件下，如何设计多折面斜向器各段的长度和倾角参数，找出有效窗口长度的极限值，便是摆在钻完井工程师面前的一大技术难题。

发明内容

本发明的一个目的是提供套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，这种套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法用于解决下部钻具组合通过套管开窗处遇阻、遇卡等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，将多折面斜向器运用下部钻具组合通过套管开窗段多折面斜向器的有限元仿真方法，所述多折面斜向器准备用于钻井套管开窗，计算下部钻具组合通过套管开窗段所述多折面斜向器时的受力情况，反复修改有限元模型中的参数，对所述多折面斜向器各段的长度和倾角参数进行优化设计，优化出新的多折面斜向器的窗口长度，具体为：

步骤一、基于ANSYS有限元软件，进行参数化建模，模型参数包括井眼轨迹参数、下部钻具组合参数、开窗套管参数、多折面斜向器参数；

（1）将井眼轨迹参数、下部钻具组合参数、开窗套管参数、多折面斜向器参数按照一定的格式输入到文本文件中，然后将参数读入并存放在ANSYS的二维数组中；

a、井眼轨迹参数包括三维井眼参数，三维井眼参数包括井深Lj、井斜角、方位角、垂深H、狗腿度；

b、下部钻具组合参数包括几何尺寸参数、材料参数等，几何尺寸参数包括马达弯角、各部件的外径Di、内经Do和长度L，包含的部件有钻头、扶正套、螺杆马达、扶正器、变扣、无磁钻铤、加重钻杆等；材料参数包括弹性模量E、密度ρs；

c、开窗套管参数包括套管内径DTi、外径DTo；

d、多折面斜向器参数包括段数N、各段长度、各段倾角；

（2）根据以上模型参数，将多折面斜向器倾角和螺杆马达弯角安放在同一个平面内，创建下部钻具组合模型，井眼轨迹线根据加密了的实测井眼几何尺寸建成光滑曲线；

（3）在套管开窗侧钻位置处创建多折面斜向器模型，根据井斜角、多折面斜向器各段长度和各段倾角，依次创建各折面的关键点和各折面的线段；

步骤二、选择BEAM188单元类型，划分单元，创建梁-梁接触，进行接触单元属性设置和接触计算参数设置；

步骤三、对开窗套管、多折面斜向器、开窗后的裸眼井眼施加约束边界条件，下部钻具组合模型施加位移和载荷边界条件；

（1）对开窗套管、多折面斜向器和开窗后的裸眼井眼施加约束边界条件，保留目标单元，将对应的梁单元删除；

（2）由于下部钻具组合模型的密度是考虑液体密度后的等效密度，施加重力加速度g；

（3）在下部钻具组合模型的上端施加下入位移量，通过循环程序在每一个计算时间内施加一定的位移量，每一个计算时间取1s，并输出计算结果。

步骤四、选择瞬态动力学分析类型，打开大变形选项，设置时间增量，设置收敛准则，进行模拟计算；

步骤五、查看下部钻具组合模型计算结果，判断是否满足强度条件和摩阻力条件；

（1）输出计算结果，提取下部钻具组合模型不同位置处位移、接触力、等效应力、轴向力、轴向应力及摩阻力，输出到文本文件中，并绘制变化曲线图和云图，观察曲线变化规律，

（2）查看下部钻具组合模型不同位置处的接触力；找出等效应力σ的极值并与许用应力[σ]进行比较，判断下部钻具组合模型是否满足强度要求，分析应力与多折面斜向器参数的关系；计算下部钻具组合模型的摩阻力F _f，与许用摩阻力[F _f]比较，判断能否顺利通过；

步骤六、重置多折面斜向器的各段长度和各段倾角参数，重复步骤一到步骤五，反复计算分析，确定多折面斜向器优化后的各段长度和倾角参数，找出有效窗口长度的极值。

上述方案中步骤二具体为：

（1）单元离散，下部钻具组合模型，使用弹性模型计算，采用BEAM188梁单元离散，并选取二次形函数。所述开窗套管、多折面斜向器和开窗后的裸眼井眼离散成具有一定孔面的BEAM188梁单元；

（2）创建接触关系，下部钻具组合模型外表面用CONTA176接触单元离散，开窗套管、多折面斜向器和裸眼井眼的内表面用TARGE170目标单元离散；下部钻具组合模型各部件外径不同，开窗套管、多折面斜向器、开窗后的裸眼井眼的各段内径也不同，存在多个环空间隙，创建多个梁-梁接触对；

（3）进行接触单元属性设置，其中K4设置成RBE3 MPC，K5设置成Default ICONT，K7设置成Impact contraint，K8设置成YES，K10设置成Each interation，K15设置成Active allthe time，接触算法采用增广拉格朗日乘子法；

（4）进行接触计算参数设置，摩阻系数μ取值0.2~0.4，法向接触刚度系数FKN取值0.001~0.1，切向接触刚度系数FKT取值0.001~0.1，渗透容差FTOLN取值0.1~1，接触张开刚度系数FKOP取值0.01~0.1。

上述方案中步骤四具体为：

（1）设置瞬态动力学分析类型，采用Newmark直接积分法进行瞬态动力学计算；

（2）时间增量的设置，在下部钻具组合模型的上端在单位时间1s内施加的下入位移量为0.01m~0.03m，使下部钻具组合模型缓慢下入，设置正常的时间增量为0.01s、最大的时间增量为0.1s、最小的时间增量为0.001s；

（3）设置收敛准则，力的收敛准则中Reference value of F设置为1e8，Toleranceabout VALUE设置为0.05，Convergence norm设置为L2 norm；位移收敛准则中Referencevalue of U设置为0.8，Tolerance about VALUE设置为0.05，Convergence norm设置为L2norm。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明是基于ANSYS有限元软件对下部钻具组合通过多折面斜向器进行模拟仿真计算，提出了有限元仿真方法，通过修改有限元模型中的参数，可以对斜向器各段的长度和倾角参数进行优化设计，可以优化出多折面斜向器的有效窗口长度。

2、本发明具有避免套管开窗多折面斜向器设计的盲目性，降低施工成本和风险，提高下部钻具组合通过套管开窗段的能力。

3、本发明具有操作简单、计算速度快、精度高等优点，能合理计算下部钻具组合通过套管开窗段多折面斜向器时的受力情况，便于指导多折面斜向器各段的长度和倾角的设计。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为下部钻具组合通过套管开窗段多折面斜向器的有限元模型；

图3为有效窗口长度为1.0m时下部钻具组合的弯曲变形云图，单位mm；

图4为有效窗口长度为1.0m时下部钻具组合的应力云图，单位Pa。

图中：1套管；2多折面斜向器；3下部钻具组合；4裸眼。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明：

结合图1所示，这种套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法：

步骤一、基于ANSYS有限元软件，进行参数化建模，模型参数包括井眼轨迹参数、下部钻具组合参数、开窗套管参数、多折面斜向器参数。

（1）将井眼轨迹参数、下部钻具组合参数、开窗套管参数、多折面斜向器参数按照一定的格式输入到文本文件中，然后将模型参数读入并存放在ANSYS的二维数组中。

a、三维井眼参数包括井深Lj、井斜角、方位角、垂深H、狗腿度，套管开窗后裸眼直径为8-¹/2in。

b、下部钻具组合参数包括几何尺寸参数、材料参数等，几何参数包括马达弯角、各部件的外径Di、内经Do和长度L，具体尺寸为8-¹/4〞PDC钻头+变扣（410*430）+6-³/4〞PDM（扶正套Φ206mm，马达弯角1.5°+6-³/4〞陀螺定向短节+6-¹/2〞钻铤*1柱+6-¹/2〞JAR+5〞加重钻杆+5〞钻杆；材料参数包括弹性模量E和密度ρs。

c、开窗套管参数包括套管内径DTi和外径DTo，套管规格为9-⁵/8in。

d、多折面斜向器参数包括段数N、各段长度、各段倾角。本实施方式斜向器共6段折面，从上到下各段长度初值依次为197mm、1300mm、497mm、590mm、76mm和2500mm，对应的各折面的倾角初值依次为11.5°、0.5°、2.9°、1.1°、14.7°和2.9°。

（2）根据以上参数，将多折面斜向器倾角和螺杆马达弯角安放在同一个平面内，转动坐标系使z轴的方向朝下，以坐标原点为套管开窗点，z轴方向为井下，下部钻具组合模型根据各部件长度建立在z轴方向。井眼轨迹线根据加密了的实测井眼几何尺寸建成光滑曲线。

（3）在套管开窗侧钻位置处创建多折面斜向器模型。首先将活动坐标系移到套管开窗侧钻位置处，然后根据井斜角和多折面斜向器折面的倾角，将活动坐标系z轴转到与多折面斜向器斜面重合的位置，然后根据此段折面的长度创建关键点、创建线，创建好第一个折面，在创建下一个折面时先把活动坐标系还原并移到上一个折面的下端，然后重复上述步骤创建多个折面。

步骤二、选择单元类型，划分单元，创建接触，进行接触单元属性设置和接触计算参数设置。

（1）单元离散。考虑到下部钻具组合模型不是完全刚性，使用弹性模型计算，采用BEAM188梁单元离散，并选取二次形函数。通过控制各线段的份数对下部钻具组合划分成一个个的梁单元。开窗套管、斜向器和开窗后的裸眼井眼也离散成具有一定孔面的BEAM188梁单元。

（2）开窗套管、斜向器、开窗后的裸眼井眼与下部钻具组合模型创建具有环空间隙的梁-梁接触关系。下部钻具组合模型外表面用CONTA176接触单元离散，开窗套管、斜向器和裸眼井眼的内表面用TARGE170目标单元离散。考虑到下部钻具组合模型各部件外径不同，开窗套管、斜向器、开窗后的裸眼井眼的各段内径也不同，存在多个环空间隙，创建多个梁-梁接触对。建立的下部钻具组合通过套管开窗段多折面斜向器的有限元模型如图2所示。有限元模型中可以看到套管2，多折面斜向器2，下部钻具组合3，裸眼4。

（3）进行接触单元属性设置。其中K4设置成RBE3 MPC，K5设置成Default ICONT，K7设置成Impact contraint，K8设置成YES，K10设置成Each interation，K15设置成Activeall the time，接触算法采用增广拉格朗日乘子法(Augmented Lagrangian Method)。

（4）进行接触计算参数设置。摩阻系数μ取值0.2~0.4，法向接触刚度系数FKN取值0.001~0.1，切向接触刚度系数FKT取值0.001~0.1，渗透容差FTOLN取值0.1~1，接触张开刚度系数FKOP取值0.01~0.1。

步骤三、对开窗套管、斜向器和开窗后的裸眼井眼施加约束边界条件，下部钻具组合施加位移和载荷边界条件。

（1）对开窗套管、斜向器和开窗后的裸眼井眼施加全固定，为了减少计算时间，保留目标单元，将对应的梁单元删除。

（2）由于下部钻具组合模型的密度是考虑液体密度后的等效密度，施加全重力加速度g即可。

（3）在下部钻具组合模型的上端施加下入位移量时，位移量越小，收敛越容易，但是计算越慢，故通过循环程序在每一个计算时间内施加一定的位移量，并输出计算结果。每一个计算时间取1s。

步骤四、选择瞬态动力学分析类型，打开大变形选项，设置时间增量，设置收敛准则，进行模拟计算。

（1）设置瞬态动力学分析类型。采用Newmark直接积分法进行瞬态动力学计算。

（2）时间增量的设置。时间增量影响收敛性，并且时间增量的大小影响仿真模拟的计算时间，所以应在保证收敛的条件下，尽量减小时间增量，在下部钻具组合的上端在单位时间1s内施加的下入位移量为0.01m~0.03m时，使下部钻具组合缓慢下入，一般设置正常时间增量为0.01s、最大时间增量为0.1s、最小时间增量为0.001s。

（3）设置收敛准则，包括力的收敛准则和位移收敛准则。力的收敛准则中Reference value of F设置为1e8，Tolerance about VALUE设置为0.05，Convergencenorm设置为L2 norm；位移收敛准则中Reference value of U设置为0.8，Tolerance aboutVALUE设置为0.05，Convergence norm设置为L2 norm。

步骤五、查看下部钻具组合模型计算结果，进行结果分析。判断是否满足强度条件和摩阻力条件。

（1）查看下部钻具组合模型是否穿出目标面，接触是否合理，是否满足实际情况。若存在异常，则分析异常的原因，修改对应的影响参数，重新计算，直至满足接触条件。

（2）输出计算结果。通过循环程序定义单元表，提取下部钻具组合模型不同位置处位移、接触力、等效应力、轴向力、轴向应力及摩阻力的计算结果，并以依次将下部钻具组合模型距离钻头的距离和以上结果数据，以各行各列的格式，输出到文本文件中，然后通过文本文件查看数据。同时输出下部钻具组合距钻头不同位置处位移、接触力、摩阻力、轴向力、轴向应力的变化曲线图和云图，观察曲线变化规律。

图3为有效窗口长度为1.0m时下部钻具组合的弯曲变形云图，单位mm；图4为有效窗口长度为1.0m时下部钻具组合的应力云图，单位Pa。图3和图4中的图（a）~图（d）分别是从套管窗口位置处下入1.0m、2.0m、3.0m和4.0m的云图结果。由3图可见，随下入距离的增加，侧向位移(x方向)逐渐增加。下入任意距离时，由上至下的侧向位移是逐渐增大的，说明下入过程中，螺杆钻具在井眼限制下是不断在弯曲的，由此而产生弯曲应力。从图4的应力图中的应力分布也可以看出，应力主要是由下部钻具组合通过套管开窗多折面斜向器产生弯曲变形导致的。

（3）查看下部钻具组合模型不同位置处的接触力的大小及变化趋势，找出极值的位置并分析产生极值的原因，是否与斜向器某个折面的长度或者倾角有关，以便对斜向器各折面的长度和倾角进行优化；找出等效应力σ的极值并与许用应力[σ]进行比较，看下部钻具组合模型是否满足强度要求，应力是否主要是由弯曲引起的弯曲应力，由于弯曲应力主要是由斜向器倾角引起，分析应力与斜向器参数的关系，以便对斜向器各参数进行优化；计算整个下部钻具管柱串的摩阻力F _f，与许用摩阻力[F _f]比较，判断能否顺利通过。

步骤六、根据以上实施方式步骤，下部钻具组合马达弯角为1.5°的条件下，反复计算了不同有效窗口长度的计算结果，确定出最小有效窗口长度应取1m以上，才能顺利通过套管开窗段。同时对比分析了1.75°和2.0°马达弯角通过套管开窗多折面斜向器的能力，计算结果汇总见下表1。1.75°马达弯角对应的有效窗口长度为1.0m，2.0°马达弯角对应的有效窗口长度为1.5m。

表1 多折面斜向器对下部钻具组合通过能力的影响

注：（1）下部钻具组合屈服应力取552MPa，安全系数取1.65，许用应力[σ]=335MPa。（2）许用摩阻力[F _f]=20kN。

所述套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法还适合于任意下部钻具组合的钻井管柱，钻具组合还包括不同的马达钻具规格、马达弯角等。

所述套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法还适合于斜向器的斜面可以是一段，可以是任意多段的多折面的各段长度和倾角的设计。

Claims (3)

1.一种套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，其特征在于：所述套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，将多折面斜向器运用下部钻具组合通过套管开窗段多折面斜向器的有限元仿真方法，所述多折面斜向器准备用于钻井套管开窗，计算下部钻具组合通过套管开窗段所述多折面斜向器时的受力情况，反复修改有限元模型中的参数，对所述多折面斜向器各段的长度和倾角参数进行优化设计，优化出新的多折面斜向器的窗口长度，具体为：

步骤一、基于ANSYS有限元软件，进行参数化建模，模型参数包括井眼轨迹参数、下部钻具组合参数、开窗套管参数、多折面斜向器参数；

（1）将井眼轨迹参数、下部钻具组合参数、开窗套管参数、多折面斜向器参数按照一定的格式输入到文本文件中，然后将参数读入并存放在ANSYS的二维数组中；

a、井眼轨迹参数包括三维井眼参数，三维井眼参数包括井深Lj、井斜角、方位角、垂深H、狗腿度；

b、下部钻具组合参数包括几何尺寸参数、材料参数等，几何尺寸参数包括马达弯角、各部件的外径Di、内经Do和长度L，包含的部件有钻头、扶正套、螺杆马达、扶正器、变扣、无磁钻铤、加重钻杆等；材料参数包括弹性模量E、密度ρs；

c、开窗套管参数包括套管内径DTi、外径DTo；

d、多折面斜向器参数包括段数N、各段长度、各段倾角；

（2）根据以上模型参数，将多折面斜向器倾角和螺杆马达弯角安放在同一个平面内，创建下部钻具组合模型，井眼轨迹线根据加密了的实测井眼几何尺寸建成光滑曲线；

（3）在套管开窗侧钻位置处创建多折面斜向器模型，根据井斜角、多折面斜向器各段长度和各段倾角，依次创建各折面的关键点和各折面的线段；

步骤二、选择BEAM188单元类型，划分单元，创建梁-梁接触，进行接触单元属性设置和接触计算参数设置；

步骤三、对开窗套管、多折面斜向器、开窗后的裸眼井眼施加约束边界条件，下部钻具组合模型施加位移和载荷边界条件；

（1）对开窗套管、斜向器和开窗后的裸眼井眼施加约束边界条件，保留目标单元，将对应的梁单元删除；

（2）由于下部钻具组合模型的密度是考虑液体密度后的等效密度，施加重力加速度g；

（3）在下部钻具组合模型的上端施加下入位移量，通过循环程序在每一个计算时间内施加一定的位移量，每一个计算时间取1s，并输出计算结果；

步骤四、选择瞬态动力学分析类型，打开大变形选项，设置时间增量，设置收敛准则，进行模拟计算；

步骤五、查看下部钻具组合模型计算结果，判断是否满足强度条件和摩阻力条件；

（1）输出计算结果，提取下部钻具组合模型不同位置处位移、接触力、等效应力、轴向力、轴向应力及摩阻力，输出到文本文件中，并绘制变化曲线图和云图，观察曲线变化规律，

（2）查看下部钻具组合模型不同位置处的接触力；找出等效应力σ的极值并与许用应力[σ]进行比较，判断下部钻具组合模型是否满足强度要求，分析应力与多折面斜向器参数的关系；计算下部钻具组合模型的摩阻力F _f，与许用摩阻力[F _f]比较，判断能否顺利通过；

步骤六、重置多折面斜向器的各段长度和各段倾角参数，重复步骤一到步骤五，反复计算分析，确定多折面斜向器优化后的各段长度和倾角参数，找出有效窗口长度的极值。

2.根据权利要求1所述的套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，其特征在于：所述的步骤二具体为：

（1）单元离散，下部钻具组合模型，使用弹性模型计算，采用BEAM188梁单元离散，并选取二次形函数；所述开窗套管、多折面斜向器和开窗后的裸眼井眼离散成具有一定孔面的BEAM188梁单元；

（2）创建接触关系，下部钻具组合模型外表面用CONTA176接触单元离散，开窗套管、多折面斜向器和裸眼井眼的内表面用TARGE170目标单元离散；下部钻具组合模型各部件外径不同，开窗套管、多折面斜向器、开窗后的裸眼井眼的各段内径也不同，存在多个环空间隙，创建多个梁-梁接触对；

（3）进行接触单元属性设置，其中K4设置成RBE3 MPC，K5设置成Default ICONT，K7设置成Impact contraint，K8设置成YES，K10设置成Each interation，K15设置成Active allthe time，接触算法采用增广拉格朗日乘子法；

（4）进行接触计算参数设置，摩阻系数μ取值0.2~0.4，法向接触刚度系数FKN取值0.001~0.1，切向接触刚度系数FKT取值0.001~0.1，渗透容差FTOLN取值0.1~1，接触张开刚度系数FKOP取值0.01~0.1。

3.根据权利要求1所述的套管开窗侧钻井多折面斜向器设计方法，其特征在于：所述的步骤四具体为：

（1）设置瞬态动力学分析类型，采用Newmark直接积分法进行瞬态动力学计算；

（2）时间增量的设置，在下部钻具组合模型的上端在单位时间1s内施加的下入位移量为0.01m~0.03m，使下部钻具组合模型缓慢下入，设置正常的时间增量为0.01s、最大的时间增量为0.1s、最小的时间增量为0.001s；

（3）设置收敛准则，力的收敛准则中Reference value of F设置为1e8，Toleranceabout VALUE设置为0.05，Convergence norm设置为L2 norm；位移收敛准则中Referencevalue of U设置为0.8，Tolerance about VALUE设置为0.05，Convergence norm设置为L2norm。