一种石油钻机大钩载荷的计算方法

文档序号:10471317阅读:2109来源:国知局
一种石油钻机大钩载荷的计算方法
【专利摘要】本发明公开了一种石油钻机大钩载荷的计算方法,包括如下步骤:a.求取入井管柱底部的总水平位移;b.求取垂直引起的作用力;c.求取水平引起的作用力;d.计算大钩载荷。本发明实现用于预测石油钻机大钩载荷的一种方法,通过井眼轨道或规迹、入井管柱的特性参数等已知条件,确保了计算结果的可靠性;通过经验模型和模型折算系数,确保了数据计算结果的精度;为工程技术人员钻机选型和钻井施工安全评估提供了帮助。
【专利说明】
-种石油钻机大钩载荷的计算方法
技术领域
[0001] 本发明设及油气井工程领域,特别是一种石油钻机大钩载荷的计算方法。
【背景技术】
[0002] 大钩载荷指大钩所承受的轴向力。它是钻机选型及设备配套的重要基础数据之 一,也是进行钻井施工安全评估的重要依据之一。因此,钻井时有效预测大钩载荷是非常重 要的。从钻井、完井及处理复杂事故等过程中,大钩所承受的载荷包括钻机起升系统和管柱 自重、钻井液作用的浮力、弯曲井段弯曲力、井壁作用的摩阻力及遇阻遇卡活动时冲击力等 多种力。其中,弯曲力、摩阻力和冲击力计算相对比较复杂。
[0003] 目前,现有石油行业推荐标准SY/T 5724-2008《套管柱结构与强度设计》和公开专 著《油气井管柱力学与工程》(中国石油大学出版社,2006年10月出版),公开了直井、二维井 眼和Ξ维井眼的轴向力计算模型,将井眼轨道或轨迹划分为N个微元段,根据静载荷的平衡 原理和不同的数学模型,进行递推计算出不同管柱在不同工况下的轴向力。运种计算方法, 根据不同的井眼轨迹和管柱组合进行微小单元计算并叠加求解,可靠性高,得到钻井行业 技术人员认可。不足之处是计算模型复杂,计算过程繁琐,需要借助专业软件方可得到结 果,不利于钻井作业现场使用。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的在于提供一种石油钻机大钩载荷的计算方法,W解决目前采用的计 算模型复杂、计算过程繁琐等问题。
[0005] 本发明解决其技术问题采用的技术方案是:一种石油钻机大钩载荷的计算方法, 它包括如下步骤:
[0006] a.根据井眼轨道或轨迹确定关键井深点的数量;
[0007] b.获取计算的基本数据;
[000引C.求取垂直引起的作用力Τν,单位为牛;计算公式为:
[0009]
[0010] 式中:j为垂直分段变量,无量纲;qej为第j段垂直管柱单位长度有效重量,单位为 N/m; ΔΗν^为第j段井眼垂直增量,单位为米;
[OOW d.求取水平引起的作用力Th,单位为牛;分为W下子步骤:
[0012] ①、求取入井管柱底部的总水平位移化,单位为米;计算公式为:
[0013]
[0014] 式中:i为井深分段变量,无量纲;Ni为第i点的北坐标,Ni-i为第i-1点的北坐标,Ei 为i点的东坐标,Ei-i为第i -1点的东坐标,单位为米;
[001引②、求取水平引起的作用力Th,单位为牛;计算公式为:
[0016]
[0017] 式中:λ为模型折算系数,无量纲;k为水平分段变量,Wk为第k段摩阻系数,无量纲; qek为第k段水平管柱单位长度有效重量,单位为N/m; Hhk为第k段水平位移长度,单位为米;
[0018] e.计算大钩载荷T,单位为牛;计算公式为:
[0019] T = Tv±Th
[0020] 式中符号"±"的使用方式:当上提管柱时,使用V'号;当下放管柱或钻进时,使用 当管柱静止时,水平引起的作用力化取零计算。
[0021] 所述步骤C中,垂直分段变量j的上边界m是由入井管串在垂直方向表现出的不同 单位长度重量的数量确定。
[0022] 所述步骤C中,垂直管柱单位长度有效重量qej是根据W下公式求取:
[0023]
[0024] 式中:qsj为第j段管柱在空气中的单位长度重量,单位为kg/m; Pd为钻井液密度,单 位为g/cm3; Ps为管柱管材密度,单位为g/cm3;
[0025] 管柱在空气中的单位长度重量qsj是根据钻具组合参数中的管柱特性参数确定;
[0026] 钻井液密度Pd是根据工程设计或现场实际使用钻井液密度确定;
[0027] 管柱管材密度Ps是根据管柱的特性参数确定。
[0028] 所述步骤C中,井眼垂深增量ΔΗν^是根据入井管串在井眼轨道或轨迹对应垂直深 度确定。
[0029] 所述骤d中,井深分段变量i的上边界η是根据井眼轨道或轨迹的关键井深点数量 减1确定。
[0030] 所述骤d中,水平分段变量k的上边界Ρ是根据入井管串在井眼水平方向表现出的 不同单位长度重量确定。
[0031] 所述步骤d中,模型折算系数λ是回归求取或推荐使用1.6-2.0中的某一数值;
[0032] 所述步骤d中,水平管柱单位长度有效重量qek是根据W下公式求取:
[0033]
[0034] 式中:qsk为第k段管柱在空气中的单位长度重量,单位为kg/m; Pd为钻井液密度,单 位为g/cm3; Ps为管柱管材密度,单位为g/cm3;
[0035] 管柱在空气中的单位长度重量qsk是根据钻具组合参数中的管柱特性参数确定;
[0036] 钻井液密度Pd是根据工程设计或现场实际使用钻井液密度确定;
[0037] 管柱管材密度Ps是根据管柱的特性参数确定。
[0038] 本发明的有益效果是:本发明通过利用井眼轨道或轨迹、入井管柱的特性参数等 条件数据,确保了计算结果的可靠性;通过利用模型折算系数,确保了数据计算结果的精 度;能满足石油行业工程技术人员钻机选型和钻井施工安全评估的需求,依据该发明的计 算方法制作计算器计算即可求取大钩载荷。
【具体实施方式】
[0039] 实施例1
[0040] 任何一个井眼均有垂直井深和水平位移两个参数,入井的管柱主要由钻杆、加重 钻杆和钻挺等钻井管柱或套管柱构成;大钩载荷基于W上数据作为主要已知条件,根据发 明模型分别计算出垂直、水平引起的作用力,叠加或减求取即为不同工况下的大钩载荷。
[0041] 它包括如下步骤:
[0042] a.根据井眼轨道或轨迹确定关键井深点的数量;
[0043] b.获取计算的基本数据;
[0044] C.求取垂直引起的作用力Τν,单位为牛;计算公式为:
[0045]
[0046] 式中:j为垂直分段变量,无量纲;qej为第j段垂直管柱单位长度有效重量,单位为 N/m; ΔΗν^为第j段井眼垂直增量,单位为米;
[0047] d.求取水平引起的作用力化,单位为牛;分为W下子步骤:
[004引1、求取入井管柱底部的总水平位移化,单位为米;计算公式为:
[0049]
[0050] 式中:i为井深分段变量,无量纲;Ni为第i点的北坐标,Ni-i为第i-1点的北坐标,Ei 为i点的东坐标,Ei-i为第i -1点的东坐标,单位为米;
[0051] 2、求取水平引起的作用力化,单位为牛;计算公式为:
[0化2]
[0053] 式中:λ为模型折算系数,无量纲;k为水平分段变量,Wk为第k段摩阻系数,无量纲; qek为第k段水平管柱单位长度有效重量,单位为N/m; Hhk为第k段水平位移长度,单位为米;
[0054] e.计算大钩载荷T,单位为牛;计算公式为:
[0055] T = Tv±Th
[0056] 式中符号"±"的使用方式:当上提管柱时,使用V'号;当下放管柱或钻进时,使用 当管柱静止时,水平引起的作用力化取零计算。
[0057] 本发明通过利用井眼轨道或轨迹、入井管柱的特性参数等条件数据,确保了计算 结果的可靠性;通过利用模型折算系数,确保了数据计算结果的精度;能满足石油行业工程 技术人员钻机选型和钻井施工安全评估的需求,依据该发明的计算方法制作计算器计算即 可求取大钩载荷。
[0化引实施例2
[0059] 所述步骤b中,获取的计算基本数据:完钻井深、垂深、井身结构(包括开次、井眼尺 寸、井深、套管外径及下深)、井眼轨道或数据(包括测深、垂深、井斜角、方位角、北坐标、东 坐标、全角变化率)、钻具组合参数(包括钻具名称、外径、单根长度、单位长度重量、数量、长 度),使用钻井液密度体系名称,密度;
[0060] 所述步骤C中,垂直分段变量j的上边界m是由入井管串在垂直方向表现出的不同 单位长度重量的数量确定。例如,入井管串垂直方向上为18根Φ 88.9mm钻杆+21根Φ 127mm 加重钻杆+36根Φ 127mm钻杆,其单位长度重量分别为19.80、75.27、32.6化g/m,则垂直分段 变量j的上边界m是3;
[0061] 所述步骤c中,垂直管柱单位长度有效重量qej是根据W下公式求取:
[0062]
[0063] 式中:qsj为第j段管柱在空气中的单位长度重量,单位为kg/m; Pd为钻井液密度,单 位为g/cm3; Ps为管柱管材密度,单位为g/cm3;
[0064] 管柱在空气中的单位长度重量qsj是根据钻具组合参数中的管柱特性参数确定;
[0065] 钻井液密度Pd是根据工程设计或现场实际使用钻井液密度确定;
[0066] 管柱管材密度Ps是根据管柱的特性参数确定,例如钢材的密度为7.85g/cm3;
[0067] 所述步骤C中,井眼垂深增量ΔΗν^是根据入井管串在井眼轨道或轨迹对应垂直深 度确定。
[006引实施例3
[0069] 所述骤d中,井深分段变量i的上边界η是根据井眼轨道或轨迹的关键井深点数量 减1确定。例如某井井眼轨道关键井深点数量为8,则上边界η值为7;
[0070] 所述骤d中,水平分段变量k的上边界Ρ是根据入井管串在井眼水平方向表现出的 不同单位长度重量确定。例如,某井324m总水平位移化的钻具管串为討良Φ 88.9mm钻杆+9根 (1)127111111加重钻杆+24根(1)127111111钻杆,其单位长度重量分别为19.80、75.27、32.6化肖/111,单 根Φ88.9mm钻杆、Φ 127mm加重钻杆、Φ 127mm钻杆的长度均为9m,则水平分段变量P是3,总 水平位移化划分的段长分别是27m、81m、216m;
[0071] 所述步骤d中,模型折算系数λ是回归求取或推荐使用1.6-2.0中的某一数值;
[0072] 所述步骤d中,摩阻系数Wk是根据表1的参考值确定或者回归求取;
[0073] 表1摩阻系数经验参考值
[0074]
[0075] 所述步骤d中,水平管柱单位长度有效重量qek是根据W下公式求取:
[0076]
[0077] 式中:qsk为第k段管柱在空气中的单位长度重量,单位为kg/m; Pd为钻井液密度,单 位为g/cm3; Ps为管柱管材密度,单位为g/cm3;
[0078] 管柱在空气中的单位长度重量qsk是根据钻具组合参数中的管柱特性参数确定;
[0079] 钻井液密度Pd是根据工程设计或现场实际使用钻井液密度确定;
[0080] 管柱管材密度Ps是根据管柱的特性参数确定,例如钢材的密度为7.85g/cm3;
[0081 ] 实施例4
[0082] 本实施例根据一口水平井井A数据计算石油钻机大构载荷,对本发明作进一步的 描述:
[0083] a.根据井A轨道确定关键井深点的数量为6;
[0084] b.获取计算的基本数据:
[00化](1)井A井身结构数据如表2所示,井眼完钻井深:4443.00m,垂深:3461.00m。
[0086] 表2井A井身结构数据表
[0087]
[0088] (2)井A井眼轨道数据表如表3所示。
[0089] 表3井眼轨道数据表
[0090]
[0091] (3)井A钻至4443.00m时的二开钻具组合及钻具特性参数数据如表4所示。
[0092] 表4钻具组合及钻具特性参数
[0093]
[0094] c.计算垂直引起的作用力Tv:
[00巧]计算公式为:
[0096]
[0097] 式中:由于入井管串在垂直方向表现加重钻杆和钻杆两种。因此,垂直分段变量j 的上边界m为2,第1段垂直管柱为外径127.00mm的加重钻杆,单位长度重量qsi为75.2化g/m, 井眼垂深增量A Hvi是334.80m(36根钻杆,单根长度9.30m);第2段垂直管柱为外径127.00mm 的钻杆,单位长度重量qsi为32.6化g/m,井眼垂深增量Δ Hv2是3126.20m(垂深3461.00m与第 1段井眼垂深增量334.80m的差值);钻井液密度Pd为1.25g/cm3,管柱管材密度Ps为7.85g/ cm3。则
[0098] 9.81 X (1-1.25^7.85) X (75.27X334.80+32.62X3126.20)
[0099] =1048943.00N
[0100] d.计算水平引起的作用力化:
[0101] 第一步:求取入井钻柱底部的总水平位移化。
[0102] 计算公式为:
[0103]
[0104] 式中:井深分段变量i的上边界η为5;第1点的北坐标No为Om,东坐标Eo为Om;第2点 的北坐标化为Om,东坐标El为Om;第3点的北坐标化为62.89m,东坐标E2为-21.35m;第4点的 北坐标N4为83.59m,东坐标E4为-28.38m;第5点的北坐标N4为434.00m,东坐标E4为- 147.00m;第6点的北坐标化为11化.66m,东坐标Es为-380.48m。贝IJ
[0105]
[0106] 第二步:求取水平引起的作用力化。计算公式为:
[0107]
[0108] 式中:模型折算系数λ取1.85 ;钻井液密度Pd为1.25g/cm3,管柱管材密度Ps为 7.85g/cm3;钻井液体系为聚合物水基类,查表1可知套管内摩阻系数取0.2,裸眼段摩阻系 数取0.3,模型折算系数取1.85。由于入井管串在水平方向表现无磁钻挺、加重钻杆和钻杆3 种。因此,水平分段变量k的上边界P为3。第1段水平管柱为无磁钻挺,摩阻系数μι为0.3,单 位长度重量qsi为149.1 Ikg/m,水平位移长度化1为9.15m( 1根钻挺,单根长度9.15m);第2段 水平管柱为加重钻杆,摩阻系数μ2为0.3,单位长度重量qsi为75.2化g/m,水平位移长度化2为 83.70m(9根加重钻杆,单根长度9.30m);第3段水平管柱为钻杆,摩阻系数μ3为0.3,单位长 度重量qsi为32.6化g/m,水平位移长度化2为1095.37m(总水平位移1188.22m与第1、2段井眼 水平位移长度9.15、83.70m的差值)。则
[0109] 9.81X1.85X(1-1.25^7.85)
[0110] X (0.3 X 149.11 X 9.15+0.3 X 75.27 X 83.7
[0111] +0.3X32.62X1095.37)
[0112] =198646.20N
[0113] e.计算上提钻具时的大钩载荷T。计算公式为:
[0114] T = Tv+Th
[0115] 垂直引起的作用力Tv为1048943.00N,水平引起的作用力Th为198646.20N。贝IJ
[0116] 1048943.00+198646.20 = 1247589.20N= 1247.59kN
[0117] 计算结果的误差分析:
[0118] 利用目前大型专业软件计算的结果为1201.45kN,比较误差约3.84%;实际钻井现 场指重表监测数据为1222. OOkN,比较误差约2.09%。
【主权项】
1. 一种石油钻机大钩载荷的计算方法,它包括如下步骤: a. 根据井眼轨道或轨迹确定关键井深点的数量; b. 获取计算的基本数据; c. 求取垂直引起的作用力IV,单位为牛;计算公式为:式中:j为垂直分段变量,无量纲;Qej为第j段垂直管柱单位长度有效重量,单位为N/m; A Hvj为第j段井眼垂直增量,单位为米; d. 求取水平引起的作用力Th,单位为牛;分为以下子步骤: ① 、求取入井管柱底部的总水平位移Hh,单位为米;计算公式为:式中:i为井深分段变量,无量纲;Ni为第1点的北坐标,Ni-i为第i-Ι点的北坐标,EAiA 的东坐标,Ei-i为第i-1点的东坐标,单位为米; ② 、求取水平引起的作用力Th,单位为牛;计算公式为:式中:λ为模型折算系数,无量纲;k为水平分段变量,yk为第k段摩阻系数,无量纲;(^为 第k段水平管柱单位长度有效重量,单位为N/m; Hhk为第k段水平位移长度,单位为米; e. 计算大钩载荷T,单位为牛;计算公式为: T = TV土Th 式中符号" ±"的使用方式:当上提管柱时,使用"+"号;当下放管柱或钻进时,使用; 当管柱静止时,水平引起的作用力Th取零计算。2. 根据权利要求1所述的一种石油钻机大钩载荷的计算方法,其特征是:所述步骤c中, 垂直分段变量j的上边界m是由入井管串在垂直方向表现出的不同单位长度重量的数量确 定。3. 根据权利要求1所述的一种石油钻机大钩载荷的计算方法,其特征是:所述步骤c中, 垂直管柱单位长度有效重量qg是根据以下公式求取:式中:qsj为第j段管柱在空气中的单位长度重量,单位为kg/m; pd为钻井液密度,单位为 g/cm3; ps为管柱管材密度,单位为g/cm3; 管柱在空气中的单位长度重量qsj是根据钻具组合参数中的管柱特性参数确定; 钻井液密度Pd是根据工程设计或现场实际使用钻井液密度确定; 管柱管材密度PS是根据管柱的特性参数确定。4. 根据权利要求1所述的一种石油钻机大钩载荷的计算方法,其特征是:所述步骤c中, 井眼垂深增量A Hvj是根据入井管串在井眼轨道或轨迹对应垂直深度确定。5. 根据权利要求1所述的一种石油钻机大钩载荷的计算方法,其特征是:所述骤d中,井 深分段变量i的上边界η是根据井眼轨道或轨迹的关键井深点数量减1确定。6. 根据权利要求1所述的一种石油钻机大钩载荷的计算方法,其特征是:所述骤d中,水 平分段变量k的上边界p是根据入井管串在井眼水平方向表现出的不同单位长度重量确定。7. 根据权利要求1所述的一种石油钻机大钩载荷的计算方法,其特征是:所述步骤d中, 模型折算系数λ是回归求取或推荐使用1.6-2.0中的某一数值。8. 根据权利要求1所述的一种石油钻机大钩载荷的计算方法,其特征是:所述步骤d中, 水平管柱单位长度有效重量qA是根据以下公式求取:式中:qsk为第k段管柱在空气中的单位长度重量,单位为kg/m; pd为钻井液密度,单位为 g/cm3; ps为管柱管材密度,单位为g/cm3; 管柱在空气中的单位长度重量qsk是根据钻具组合参数中的管柱特性参数确定; 钻井液密度Pd是根据工程设计或现场实际使用钻井液密度确定; 管柱管材密度PS是根据管柱的特性参数确定。
【文档编号】G06F17/50GK105825028SQ201610195698
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月31日
【发明人】梁宏伟, 李欣, 刘克强, 武自博, 牛涛, 周珊珊, 杨敏, 曹建伟, 杨宪利
【申请人】中国石油集团川庆钻探工程有限公司工程技术研究院
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