r>[0109]式中，rbw为井眼半径与加重钻杆半径之差，m;其余符号同前。
[0110] 当钻柱螺旋屈曲因子Ch< 1时，钻柱未发生螺旋屈曲；钻柱螺旋屈曲因子越小，螺 旋屈曲风险也越低。当钻柱螺旋屈曲因子(^=1，钻柱处于临界螺旋屈曲状态。当钻柱螺 旋屈曲因子ch> 1时，钻柱发生螺旋屈曲；钻柱螺旋屈曲因子越大，螺旋屈曲程度越严重。
[0111] 本发明将水平段起点处钻柱屈曲因子定义为"水平段钻柱屈曲因子"，本发明中该 因子既是水平段屈曲判别指标，也是倒装钻具组合设计关键参数之一。
[0112] 本发明以水平井设计轨道为例，将水平段屈曲因子作为倒装钻具组合设计关键参 数，选择最常用的3种井眼和钻具配合、造斜率和摩擦系数，给出了水平井倒装钻具组合设 计图表1和调整策略，可根据水平段钻柱屈曲因子大小合理选择加重钻杆下入深度及使用 长度。本发明中给出的设计图表1具有通用性、实用性和借鉴作用。本发明总结出的水平 井常用倒装钻具组合设计方案，见表1。
[0113]表 1
[0114]
[0115]
[0116] 表1中：?对应于钻具组合1，?对应于钻具组合，@对应于钻具组合3。
[0117] ①井眼和钻具配合形式
[0118] 钻具组合1 :(p215,9mm钻头+(pl72mm弯螺杆钻具+cp2〇8mm稳定器+(pl27mm无磁承压 钴杆X1根+LWD+(pl27mm无磁承压钴杆xl根+(pl27mm钴杆x长度待定+tpl27mm加重钻杆、 长度待定+(pl27mm钻杆。其中，q)127mm钻杆壁厚9. 19mm、线密度29.Okg/m;_(pl27rafn加重 钻杆壁厚25. 4mm、线密度73. 5kg/m。该钻具组合在钻井现场最常用。
[0119] 钻具组合2 :tpl52.4mm钻头+(pl20rnm弯螺杆钻具+q>148mm稳定器+(pl〇1.6mm无磁承 i±.钴杆X1根+LWD十(|)1〇1.6111111无磁承压钻杆xl根+(p88.9mm钻杆>长度待定十988.9111111加重. 钻杆x长度待定+q>88.9mm钻:杆b其中，钻杆壁厚9. 19mm、线密度19. 8kg/m; 加重钻杆壁厚18. 25mm、线密度37. 7kg/m。该钻具组合在非常规油气（低渗透、页 岩油气、煤层气等）开发中最常用。
[0120] 钻具组合3 : 〇 152. 4mm钻头+〇 120mm弯螺杆钻具+〇 148mm稳定器+〇 101. 6_ 无磁承压钻杆X1根+LWD+C> 101. 6mm无磁承压钻杆X1根+C>88. 9mm钻杆X长度待定 + 0 88. 9mm加重钻杆X长度待定+C>88. 9mm钻杆。其中，〇 101. 6mm钻杆壁厚8. 55mm、线密 度20. 8kg/m101. 6mm加重钻杆壁厚18. 25mm、线密度44. 2kg/m。该钻具组合在非常规油 气开发中较常用，采用? 101. 6mm钻杆和0101.6mm加重钻杆之后，不仅井眼间隙减小了， 钻具刚度也提高了，二者的螺旋屈曲临界载荷明显提高了，有助于延伸水平段长度，当水平 段较长（大于1000m)时有明显优势。
[0121] ②井眼轨道设计参数
[0122] 中半径、二维三段式水平井设计轨道；造斜点井斜角0° ;水平段井斜角90° ;造 斜率 6° -12° /30m(默认值 9° /30m)。
[0123] 以水平段起点钻柱螺旋屈曲因子（简称"水平段钻柱屈曲因子"）综合反映钻压和 水平段长度大小。取水平段钻柱屈曲因子At= 0.1-0. 9。
[0124] ③其他相关参数
[0125] 钻柱与井壁之间摩擦系数取值是否合理，对钻柱轴向力计算结果影响很大。通常 情况下，裸眼段摩擦系数取0. 25-0. 35 (默认值0. 3)、套管段摩擦系数取0. 2-0. 3 (默认值 0.25)。钻井液密度影响钻柱浮重和钻柱屈曲临界载荷。本例中取钻井液密度1.2g/cm3。
[0126] 通过上述说明可看出，在给定全部设计参数（包括轨道设计参数、钻具组合参数、 摩擦系数、钻井液密度等）之后，本发明可以有两种方法合理选择加重钻杆下入深度及使 用长度。
[0127] 方法1 :按给定设计参数和本发明所给设计流程和步骤，逐步计算出水平井造斜 段钻柱屈曲因子，取造斜段钻柱屈曲因子为0. 9 (预留10%安全储备）迭代求解加重钻杆下 入深度对应井斜角，进而求解出造斜点钻柱轴向力及加重钻杆使用长度。
[0128] 方法2:按给定设计参数先求出水平段钻柱屈曲因子，然后按说明书给出的设计 图表1，直接查出加重钻杆下入深度及使用长度。必要时可以依据相近设计结果，采用插值 方法，或按说明书中给出的调整策略，适当调整加重钻杆下入深度及使用长度。
【主权项】
1. 一种水平井倒装钻具组合设计方法，其特征在于包括以下步骤： (1) 给定全部设计参数；设计参数包括造斜点井斜角、造斜率、水平段井斜角、水平段 长度、钻柱与井壁之间摩擦系数、井眼尺寸、普通钻杆及加重钻杆参数、滑动钻进钻压、钻井 液密度； (2) 按式⑴计算水平段起点处钻柱轴向力； Ft= ( y sin a t-cos a t) qLt+ffs (I) 式中，FtS水平段起点处钻柱轴向力，N;y为钻柱与井壁之间摩擦系数；at为水平段 井斜角，° ;q为水平段钻柱每米重量，N/m;LtS水平段长度，m;Ws为滑动钻进钻压，N; (3) 按式（2)计算水平段起点处钻柱螺旋屈曲因子，简称水平段屈曲因子；式中，Cht为水平段屈曲因子；Fht为水平段钻柱螺旋屈曲临界载荷，N;E为钻柱弹性模 量，N/m2;I为钻柱惯性矩，mSr,为水平段井眼半径与钻柱半径之差，m; (4) 判断水平段钻柱是否螺旋屈曲；若水平段屈曲因子cht< 1. 0,则水平段钻柱未螺旋 屈曲，转下一步；若水平段屈曲因子Cht多1. 0,则水平段钻柱处于螺旋屈曲状态，应调整设 计参数，转步骤（2); (5) 按式（3)计算造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子；式中，Chp为造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子；a为井斜角，°;a1为参考点 井斜角，5° <a10°;a。为钻柱自由下滑临界井斜角，°，临界井斜角a。=arctan(1/ y) ;R为造斜半径，m;造斜半径R= 1719/K，K为造斜率，° /30m; (6) 判断造斜段普通钻杆是否螺旋屈曲；若参考点钻柱屈曲因子chp (Ci1)彡1.0,则造 斜段普通钻杆有较明显螺旋屈曲，转下一步；若参考点钻柱屈曲因子Chp(Q1) < 1.0,则普 通钻杆均未螺旋屈曲，或者轻微螺旋屈曲，指定加重钻杆下入深度并按式（4)计算加重钻 杆使用长度，完成水平井倒装钻具组合设计； Lw=R*aW(4) 式中，1^为加重钻杆使用长度，m;a 指定的加重钻杆下入深度处井斜角，°;井斜 角cU彡a 1，ai为参考点井斜角，5°彡a1彡10° ; (7) 计算加重钻杆下入深度对应井斜角；令Chp (a)= 0. 9,利用式（3)给出加重钻杆下 入深度对应井斜角迭代求解公式，见式（5.a)和（5.b)，二者任选其中之一即可；(8) 按式（6)计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力；式中，Fw为计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力，N; (9) 按式（7)计算加重钻杆井段钻柱螺旋屈曲因子；式中，Chw为加重钻杆段钻柱螺旋屈曲因子；qA加重钻杆每米重量，N/m;rbw为井眼半 径与加重钻杆半径之差，m; (10) 判断加重钻杆是否螺旋屈曲；若参考点钻柱螺旋屈曲因子Chw(Ci1) < 1.0,则加 重钻杆均未螺旋屈曲，或者轻微螺旋屈曲，加重钻杆下入深度合适，转下一步；若参考点钻 柱螺旋屈曲因子Chw (aJ彡1. 0,则加重钻杆有较明显螺旋屈曲，应调整设计参数，转步骤 (2)； (11) 按式⑶计算造斜点处钻柱轴向力；式中，Fk为造斜点处钻柱轴向力，N;a。为造斜点处井斜角，° ; (12) 按式（9)计算加重钻杆使用长度，完成水平井倒装钻具组合设计；式中，1^为加重钻杆使用长度，m;sN为安全系数，取sN= 1. 1-1. 2,确保中性点位于加 重钻杆上。2.根据权利要求1所述的一种水平井倒装钻具组合设计方法，其特征在于，步骤（12) 中：在某些情况下，若按式（9)求出的加重钻杆使用长度使得整个直井段都不足以安放加 重钻杆时，或加重钻杆有可能螺旋屈曲而影响钻压传递效率时，在造斜点附近使用钻铤。
【专利摘要】本发明公开了一种水平井倒装钻具组合设计方法，包括以下步骤：给定全部设计参数；计算水平段起点处钻柱轴向力；计算水平段起点处钻柱螺旋屈曲因子；判断水平段钻柱是否螺旋屈曲；计算造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子；判断造斜段普通钻杆是否螺旋屈曲；计算加重钻杆下入深度对应井斜角；计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力；计算加重钻杆井段钻柱螺旋屈曲因子；判断加重钻杆是否螺旋屈曲；计算造斜点处钻柱轴向力；计算加重钻杆使用长度。采用本发明方法设计出的钻具组合可以避免下部钻柱螺旋屈曲、降低摩擦阻力、提高钻压传递效率和水平段延伸能力。
【IPC分类】E21B7/06, E21B47/022
【公开号】CN105221071
【申请号】CN201510610918
【发明人】史玉才, 薛磊, 管志川, 廖华林, 席传明, 初众, 张晨, 苗在强
【申请人】中国石油大学(华东)
【公开日】2016年1月6日
【申请日】2015年9月23日
【公告号】CN105221071B