一种水平井钻井延伸极限的预测方法与流程

本发明属于石油钻井工程领域，涉及一种水平井钻井延伸极限的预测方法。

背景技术：

1、随着勘探开发的不断需要，钻井技术的不断发展，为了降低钻井成本和提高储层的开发效率，水平井钻井技术的应用越来越广泛。一般而言，在地质条件具备的前提下，水平井段越长，油藏的泄油面积越大，油井产量和采收率就越高，经济效益就越好。因此，对水平井延伸极限的准确预测分析有助于油气藏更为合理的开采，有必要在现有设备能力和地层条件制约下对水平井极限延伸长度进行研究。

2、然而目前还没有形成比较系统的水平井延伸极限研究方案，大部分研究仅通过考虑某几个因素建立简单数学模型或者依据钻井数据和经验进行定量和定性分析，难以应用到钻进过程中来预测井眼延伸极限以辅助作业安全。在现今水平井水平段长度呈逐渐增长趋势的情况下，对延伸极限的准确预测问题显得更加重要，急需开展该方面的研究。

技术实现思路

1、为了能够更加准确、系统地对水平井极限延伸长度进行研究，本发明提出一种水平井钻井延伸极限的预测方法，分析了钻柱摩阻扭矩，再考虑水平井延伸的制约因素，给出了水平井延伸极限的力学判定准则及预测计算模型，能够起到指导水平井钻井施工的作用。

2、本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

3、一种水平井钻井延伸极限的预测方法，包括如下步骤：

4、步骤一：建立水平井钻柱力学模型，计算钻柱摩阻扭矩；

5、步骤二：确定水平井延伸极限力学判定准则，使钻柱至少满足钻机承载能力、岩石破碎条件、摩阻力条件、钻柱强度条件、钻柱刚度条件的要求；

6、步骤三：建立水平井延伸极限预测计算模型，计算钻柱悬重g，并结合不同工况下的钻柱力学特性估算出钻柱还能延伸的长度l，将井眼轨迹向前延伸l，然后重新计算钻柱参数，用延伸极限力学判定准则来确定钻柱参数是否满足要求；计算至长度l为零，将上述长度l叠加求和，得出延伸长度l总。

7、作为本发明的进一步实施方案，所述步骤一具体为：采用软杆模型，求解直井段、稳斜段的摩阻扭矩；采用刚杆模型，计算造斜段、加重钻杆段的摩阻扭矩；采用纵横弯曲梁模型，计算底部钻具组合段摩阻扭矩。

8、作为本发明的进一步实施方案，所述软杆模型表示为：

9、

10、式中：t为钻柱单元下端的轴向力；m为钻柱扭矩；n为钻柱与井壁的接触正压力；w为钻柱在钻井液中的重量；f为摩擦系数；r为钻柱单元半径；α，δa，δφ依次为平均井斜角，井斜角增量，方位角增量；钻柱向上运动取“+”，向下运动时取“-”。

11、作为本发明的进一步实施方案，所述刚杆模型表示为：

12、

13、式中：k为井眼曲率；ka为井斜变化率；为方位变化率；kf为浮力系数；qm为钻柱单位长度质量；n为钻柱与井壁的接触正压力；nn为主法向上的均布接触力；nb为副法向上的均布接触力；r为钻柱的半径；mb为钻柱微元段上的弯矩；a为平均井斜角；为方位角；μa为滑动摩擦系数；μt为滚动摩擦系数；mt为钻柱所受扭矩；dt为钻柱微元段轴向力增量；t为钻柱单元下端的轴向力。

14、作为本发明的进一步实施方案，所述纵横弯曲梁模型表示为：

15、

16、将带有稳定器或弯接头的bha段认为是n段连续梁，式中：fbha为bha段摩阻；mbha为bha段扭矩；qi为第i跨钻柱在钻井液中的单位质量；mi为第i个支点处的弯矩；li为第i跨钻柱的长度；yi为第i个支座坐标；ti为第i段钻柱单元下端的轴向应力；ni为第i段钻柱单元与井壁的接触正压力；u为滑动摩擦系数；ai为第i段钻柱单元的井斜角；a为平均井斜角；δa为井斜角增量；δφ为方位角增量；μa为滑动摩擦系数；r为钻柱单元半径。

17、作为本发明的进一步实施方案，步骤二中所述钻机承载能力的要求为：

18、f额定≥fmax

19、m额定≥mmax

20、其中，f额定为钻机额定钩载；fmax为钻进过程中大钩载荷的最大值；m额定为钻机额定扭矩；mmax为钻进过程中最大井口扭矩；

21、所述岩石破碎条件的要求为：

22、f钻头≥f门限

23、其中，f钻头为钻头载荷；f门限为岩石门限钻压，是钻头牙齿形状、岩石性质、环境条件的函数；

24、所述摩阻力条件的要求为：

25、f≥∑f摩总

26、fi≥0

27、其中，f为钻柱在井眼中的运动方向上的动力；f摩总为钻柱所受摩阻力的之和；fi为各段底部处的钻柱下人力；

28、所述钻柱强度条件的要求为：，使各工况下钻柱任一截面所受的应力小于材料自身的许用应力；

29、所述钻柱刚度条件的要求为：钻柱的弯曲变形小于钻柱的许用变形值。

30、作为本发明的进一步实施方案，步骤三中所述钻柱还能延伸的长度l的估算方法是：

31、

32、式中：μ为摩阻系数；α为平均井斜角；q钻柱为近钻头处钻柱的单位长度重量；f门限为岩石门限钻压。

33、作为本发明的进一步实施方案，若延伸极限力学判定准则确定钻柱参数不满足要求，则将延伸的长度l减半，然后重新计算钻柱参数，判断是否满足延伸极限力学判定准则；若满足延伸极限力学判定准则，则继续计算，直到长度l为零。

34、本发明的有益效果包括：

35、(1)该方法对于不同钻柱结构段，分别采用了相应的软杆、刚杆、纵横弯曲梁三种计算模型，建立起了适合水平井的摩阻扭矩分段计算模型，能够有效提高钻柱摩阻扭矩计算精度；

36、(2)本发明综合考虑了水平井延伸的制约因素：摩擦阻力、岩石破碎、钻柱强度等条件的影响，建立了水平井延伸极限的力学判断准则和预测模型，并给出了计算方法，对于指导水平井钻井施工具有重要的指导意义。

技术特征：

1.一种水平井钻井延伸极限的预测方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种水平井钻井延伸极限的预测方法，其特征在于，所述步骤一具体为：采用软杆模型，求解直井段、稳斜段的摩阻扭矩；采用刚杆模型，计算造斜段、加重钻杆段的摩阻扭矩；采用纵横弯曲梁模型，计算底部钻具组合段摩阻扭矩。

3.根据权利要求2所述的一种水平井钻井延伸极限的预测方法，其特征在于，所述软杆模型表示为：

4.根据权利要求2所述的一种水平井钻井延伸极限的预测方法，其特征在于，所述刚杆模型表示为：

5.根据权利要求2所述的一种水平井钻井延伸极限的预测方法，其特征在于，所述纵横弯曲梁模型表示为：

6.根据权利要求1所述的一种水平井钻井延伸极限的预测方法，其特征在于，步骤二中所述钻机承载能力的要求为：

7.根据权利要求1所述的一种水平井钻井延伸极限的预测方法，其特征在于，步骤三中所述钻柱还能延伸的长度l的估算方法是：

8.根据权利要求7所述的一种水平井钻井延伸极限的预测方法，其特征在于，若延伸极限力学判定准则确定钻柱参数不满足要求，则将延伸的长度l减半，然后重新计算钻柱参数，判断是否满足延伸极限力学判定准则；若满足延伸极限力学判定准则，则继续计算，直到长度l为零。

技术总结
本发明公开了一种水平井钻井延伸极限的预测方法，属于石油钻井工程领域，能够更加准确、系统地对水平井极限延伸长度进行研究，包括如下步骤：步骤一：建立水平井钻柱力学模型，计算钻柱摩阻扭矩；步骤二：确定水平井延伸极限力学判定准则，使钻柱至少满足钻机承载能力、岩石破碎条件、摩阻力条件、钻柱强度条件、钻柱刚度条件的要求；步骤三：建立水平井延伸极限预测计算模型，计算钻柱悬重G，并结合不同工况下的钻柱力学特性估算出钻柱还能延伸的长度L，将井眼轨迹向前延伸L，然后重新计算钻柱参数，用延伸极限力学判定准则来确定钻柱参数是否满足要求；计算至长度L为零，将上述长度L叠加求和，得出延伸长度L<subgt;总</subgt;。

技术研发人员：王锋,董国昌,王博,郭建勋,孙平涛,缪兵章,李爱清,青川
受保护的技术使用者：中国石油天然气股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/4/29