文摘
在水平钻井,高摩擦力产生不利影响运行效率。变化率的影响在整个洞轨迹角(狗腿严重程度)是经常被忽略的预测摩擦力在钻井程序设计中,有一个缺乏定量分析。针对这个问题,数学模型计算径向力引起的轴向拉力,字符串的字符串弯曲,和重力。发现弦的轴向张力和重力的主要力量是影响弦的径向力,弯曲和径向力的medium-long-radius水平井不超过14%的重力的字符串。狗腿的影响严重程度在垂直摩擦,建筑,和水平的部分分析,方程计算摩擦也成立。基于案例分析,建议狗腿严重程度应该保持在一个较低的限制在水平井的垂直部分更大的TVD(真正的垂直深度)因为TVD越大,越高附加因素与弦张力有关。例如,在上层部分的垂直深度3000米,弦张力为0.5,相关的附加因素和严重狗腿1000应该控制在0.5°/ 30米。降低建筑应采用早期的建筑部分,并适当提高建设速度可采用。滑动钻井应尽可能少练习这一目标提供保证,并结合钻探应该使用更多。在水平井中,狗腿的严重性在某些点水平截面应控制钻井所造成的阻力成反比后续点。 The closer to target A (the starting point of the horizontal section), the higher the control requirement for dogleg severity, and it can be appropriately reduced in subsequent well section. If the horizontal interval length1000米,是摩擦系数吗是0.3,那么狗腿严重吗应控制在1°/ 30 m点在2°/ 30 m在中间。
1。介绍
包括钻井摩擦阻力(轴向运动)和转矩(与旋转运动)钻井string [1]。摩擦影响钻井效率就越高。摩擦力计算与经典的库仑摩擦定律;即摩擦力正比于钻柱与井壁之间的接触力,摩擦系数的比例系数(2,3]。过去一般认为摩擦系数是常数,主要取决于两种接触材料的性质,尤其是他们的表面光洁度。然而,根据现代摩擦学,摩擦系数不仅取决于材料本身的性质也在其他相关条件(4]。为了便于研究,所有这些因素通常是综合计算摩擦的摩擦系数(5]。结果,不同的摩擦力计算模型的主要区别在于他们不同的方法计算字符串和井筒之间的接触力(也称为径向力)。取决于字符串刚度的影响被认为是在径向力计算,摩擦力计算模型可以分为刚性杆模型,弹性杆模型和混合模型。柔性杆模型也被称为绳模型(6,7],它假设钻柱是完全在低孔壁和没有刚性但可以传递扭矩。钻柱的抗弯强度被忽略在绳子的模型中,计算相对简单,所以它广泛应用于钻井工程。然而,一些错误存在于这个模型的计算以及部分字符串的弯曲刚度高,如建筑部分和井底部分。在实践中,我们通常需要修改摩擦系数,使计算更加准确。虽然能满足工程要求,该方法是基于大量的钻井经验。刚性杆模型(8)考虑了管柱的抗弯性能,但却很少应用独立,因为太大,nonconsistent计算结果。在大多数情况下,它是应用结合弹性杆模型。合并后的模型,也称为混合模型,集成了两种模型的优点:灵活的杆模型用于倾斜部分,和刚性杆模型(9,10)是用于部分字符串的刚度较高,或额外的刚性接触力(11)被认为是,尽可能接近现实。单元法[的差距12)也是一种刚性杆模型,利用现代计算机的计算能力。方法利用离散数据量分析字符串和井壁的接触场景下复杂的政权力量,提供高的计算精度。然而,在油井中的应用也是有限的冗长的计算和收敛困难的解决方案。人们普遍认为,水平井的摩擦与井眼轨迹的平滑,字符串和井壁之间的润滑,钻孔直径均匀性,减少运输效率。根据调查结果13- - - - - -16),除了上述摩擦影响因素外,还有一个明显的狗腿的严重性和摩擦力之间的关系。研究人员(12,17- - - - - -19]研究的影响的主要特征轨迹,比如概要文件类型,小山(开球点)的位置,和建设速度钻探摩擦。但是他们通常会做的是用实际的轨迹数据到摩擦力计算模型和回来的摩擦系数基于摩擦力测量。然后,他们会检查摩擦系数变化的模式与狗腿严重程度和定性评价轨迹质量。一般来说,这种方法是一种事后定性分析短的定量特性。摘要狗腿严重程度的影响,轨道质量的一个重要指标,在水平井中的摩擦是定量讨论。一个摩擦的数学模型预测考虑建立狗腿严重程度的影响。狗腿严重的方程是研究通过分析最主要的力量,影响钻井的径向力字符串,它提供了一个参考控制水平钻孔严重狗腿。
2。数学模型计算径向力
钻柱上的部队在任何时候主要包括轴向拉力,字符串弯曲,和重力的字符串。一小部分的字符串大致可以视为一个弧,以其弧度 ,这约等于整个洞轨迹角的影响(狗腿)如果字符串和孔壁之间的间隙被忽略。在曲线坐标系建立了弦的中点节中,字符串重力,轴向拉力,和字符串弯曲力可以分解为三个方向,即。,切向,主要正常,二次正常方向(图1)。两个正常的向量和力量是径向力的字符串。如图1,字符串重力、轴向拉力和字符串弯曲力径向力做出贡献。
2.1。紧张的径向力
轴向拉力引起的径向力叫做张力径向力。钻柱的轴向拉力可以分解成两股力量:切线和正常 。在力学分析,我们知道张力径向力 在哪里张力径向力(kN),是上面的字符串的轴向拉力(kN),字符串的增量式轴向拉力高于这一点(kN),然后呢θ的狗腿洞节(rad)。这两个和是非常小的,因此可以认为 ;和忽略高阶小的部分 ,方程(1)成为
我们可以看到从方程(2),张力径向力正比于轴向张力和狗腿。在钻井过程中,钻柱在张力高于中性点和下压缩中和点以下。字符串的上部垂直部分通常是受到轴向载荷大于下部,因此可能出现更大的径向力即使狗腿很小在垂直的部分。现在,让我们以一个水平情况下为例,在小山,海拔3000米,进入水平段3400米(目标)。水平部分长820米。张力在脱扣如图径向力2,这表明在垂直部分,径向力的紧张关系达到1.2 kN / m在脱扣和2.95 kN / m在脱开。因此,有必要控制狗腿严重程度在垂直的部分。
2.2。弯曲径向力
径向力由于字符串弯曲称为弯曲径向力。在我们的分析中,假设的字符串是完全与井壁接触,接触力是均匀分布沿钻柱。接触力的大小 ,和它的方向是在弧形平面。字符串的长度 ,如图3。
根据材料机械变形能量法、应变能由钻柱的弯曲可以计算如下: 在哪里弹性模量(Pa)和吗是横截面惯性矩(m4)。和均匀分布载荷所做的功
转换图的坐标系统3在极坐标系统将导致 在哪里曲率半径(米),是狗腿(rad),是两条直线间的夹角,即。,the line connecting a point on the string and the center O1和中央线(°)。
根据定理功等于能量, ,替换 进入方程,我们得到
它可以看到从方程(9)径向力的字符串在弯曲井段立方体的曲率半径成正比,但方程过于复杂,所以我们等于右侧方程(10),也就是说,
如果 米,相应的相当于狗腿严重吗 。之间的关系和可以是数值计算,如图4。
从图可以看出4那成正比当小于20°/ 30米。如图5回归,可以简化为
回归结果与实际值之间的偏差图所示5。回归误差小于2%,当狗腿严重程度是在20°/ 30米。
目前,水平井的建筑率通常是低于15°/ 30米,误差的方程(11)是在1.1%以内。
因此,对于常见的水平井,方程计算弯曲径向力可以简化如下:
它可以看到从方程(12)弯曲径向力是狗腿严重程度成正比。狗腿严重程度越高,弯曲径向力越大。
假设是弯曲的比例径向力钻柱的重量;然后, 在哪里浮力因子等于1ρ米/ ( ),与ρ米被钻井泥浆密度在公斤/米3,是钻柱的外径(m),是钻柱的内径(m),ρ钢的密度(公斤/米3),是重力加速度(m / s2),是钻柱的横截面积(m2)。
我们可以看到从方程(13),径向力弯曲钻柱的重量比狗腿严重程度有关,内外直径的字符串,和泥浆密度。的值对不同钻孔直径管道如表所示1如果泥浆密度是1.5克/厘米3。
弯曲的径向力不超过3%的字符串重量如果狗腿严重低于1°/ 30米。力是在14%的浮动弦的重量,如果建筑率是5 - 6°/ 30米。
2.3。重力径向力
字符串的重力所产生的径向力叫做重力径向力,主要与倾向。重力倾斜部分的径向力 在哪里是漂浮的钻柱每米的重量(N / m),字符串的长度(米),然后呢倾角的部分(°)。
当狗腿高于零,重力的字符串分解为三个方向在曲线坐标系在文献[20.]。但部队校长的表情正常方向和二级法线方向相当复杂,如所示 在哪里是正常重力组件在二级方向(N),组件主要正常重力的方向(N),和油井倾斜角度在字符串的上下两端部分,分别(°),然后呢和在上部和下部好方位角度字符串的结束部分,分别(°)。
简化,弦的贡献重力计算径向力可以基于切线方向的重力分量,即
从方程(18),我们知道重力径向力增加而增加的字符串单位长度重量和减少狗腿。
2.4。底部钻具组合产生的径向力
高刚性的钻铤和稳定剂一般纳入底部钻具组合,产生较高的径向力(21- - - - - -23]。然而,它只发生在底部的放慢了部分非常短洞;因此,在本文没有详细讨论的目的是。
3所示。数学模型控制狗腿的严重性
摩擦影响不利的运营效率长水平井(24,25]。钻井程序设计阶段,狗腿的影响严重程度通常是忽略了在预测钻井钻探摩擦阻力和扭矩,与轨迹被视为理想的光滑曲线。然而,在实践中,狗腿严重程度将不可避免地发生在钻井眼轨迹。根据上面的分析中,计算的几个势力影响钻柱的径向力与狗腿严重程度有关。径向力决定了摩擦力。因此,狗腿的影响严重程度上摩擦必须认真考虑。水平井的影响将检查井分为垂直部分,建筑部分,和一个水平部分。
3.1。垂直部分
在垂直截面,那不是或稍微倾斜,弦的重量几乎没有对径向力的贡献,在这种情况下主要由弯曲径向力和径向力的紧张关系。然而,弯曲径向力小于10%的字符串如果严重狗腿的重量低于5°/ 30米。但径向力的紧张关系可能是伟大的,通常发生在上部孔轴向拉力的部分(如图2)。
钻柱的轴向拉力在垂直井段可以被看作是钻柱的重量以下的深度研究部分,这可以表示为 在哪里是字符串的轴向拉力(kN),是字符串的最大深度(TVD) (m),是孔部分的深度(米),然后呢是字符串单位长度的重量(N / m)。
事实上,弦的张力不完全等于钻柱重量;它也受到摩擦和浮力的影响。因此,弦的牵引系数添加;然后, 在哪里一个是弦张力的附加因素,可以作为拖动到字符串的重量的比值低于井深并且可以根据具体要求调整。
根据方程(2),将狗腿的严重性的狗腿 ,我们有 在哪里是字符串的长度部分(m)和是狗腿的严重性(30°/米)。
如果狗腿的垂直部分仅限于级紧张的径向力小于字符串的重量(否则摩擦就相当于一个字符串所产生的摩擦完全躺在下盘的水平部分),然后我们有
这个关系可以简化 在哪里在井深是最大狗腿严重吗(30°/米)。
它可以看到从方程(23)越深水平井(TVD)或更低的垂直部分的时间越长,附加系数越大;和必须保持较小。在图中2作为一个例子,摩擦在水平部分是关于28吨。在这种情况下,狗腿严重必须控制在0.5°/ 30 m如果上1000米的垂直部分的附加因素被认为是0.5;1000 - 2000米的垂直部分,狗腿严重必须控制在1°/ 30米。在这样做时,径向力的紧张局势将小于字符串的重量。
3.2。建筑部分
字符串是受到复杂的力量政权在建筑部分,和径向力是伟大的。首先,重力径向力增加而增加的倾向。其次,径向力的紧张关系也更高的压缩而跳闸,因为紧张而脱开更大的水平截面比;狗腿严重程度越高也会导致张力径向力。第三,弯曲径向力也大是由于狗腿严重程度就越高。假设不改变方位,重力将主法线方向;在这种情况下,管柱的径向力共同受到张力径向力的影响,弯曲径向力和重力径向力。结合方程(2),(12)和(18在弯曲部分),径向力可以表示为
再次,在图2作为一个例子。径向力的紧张,在建筑部分撤出达到1.5 kN / m由于狗腿严重程度在最初的方向。如果拖在后续钻井是保持在10吨,290 N / m的径向力出现在5°/ 30米狗腿的严重性(第一项的方程),相当于5钻杆的重量。基于表1,我们知道在10°/ 30 m的严重狗腿,弯曲径向力仅为26.2%和24.1%的字符串钻铤、钻杆重量分别方程(第二项)。因此,减少钻井的关键摩擦在建筑部分控制张力径向力的大小。
根据上面的分析和方程(24),应采取以下措施来控制摩擦在建筑部分:(1)保持建筑率低的上部建筑部分,增加适当的中下游部分。通过这种方式,可以避免更高的狗腿严重在上部字符串是受到更大的力量,导致径向力,因此小摩擦。这基本上是执行在长庆油田(中国东北)轨迹优化洞井长水平段(26]。(2)少用滑动钻井和钻井速度较低的建筑结合起来,从而减少张力径向力和弯曲的径向力和坚持trajectory-controlling哲学“更少的滑动,更多的旋转,好和频繁调整”在建筑部分(25]。
3.3。水平剖面
重力水平截面径向力主导,弯曲和径向力相对较低(表1)。因此,它还需要控制张力径向力为了控制钻井摩擦在水平部分。类似于垂直和建筑部分,轴向力是相当复杂的点在水平部分。此外,周围的轨迹点打击目标是至关重要的,高狗腿严重程度可能会发生,所以张力径向力。如图2,狗腿严重程度达到5.2°/ 30米3400左右。
让我们假设水平截面的长度 ,弦的重量浮动 ,和摩擦系数 。如果轴向拉力水平部分在某种程度上只是被钻探阻力,而字符串位于下盘的后续部分,根据方程(2),然后间隔 ,我们有 在哪里字符串的长度是部分问题(m),在水平轴向拉力间隔 ,和在深度是最大允许狗腿严重吗在水平部分(30°/米)。
狗腿严重程度的水平截面必须适当的控制,以防止整个径向力的急剧增加。让我们假设张力径向力比弦的重量 。然后,我们有 也就是说, 也就是说,
它可以看到从方程(28),最大的狗腿的严重性在的水平截面成反比的摩擦在随后的部分。如果张力径向力比体重的字符串, ,控制在18%,是1000,是0.3,那么狗腿严重吗应控制在1°点,在2°,海拔500米,在610 3°水平部分。
4所示。结果与讨论
4.1。案例研究
在图中2为例,径向力发生在实际钻井与一个预测钻井程序相比,垂直部分和水平部分的数据6和7,分别。
从图可以看出6径向力的垂直部分钻井程序应该是零,这意味着预测的径向力就会远离可靠,如果狗腿严重被忽略。图中红色虚线代表狗腿严重程度在垂直部分控制基于方程(23)和固体红线代表了径向力的间隔在狗腿严重程度低于控制,小于350 N / m,约等于弦的重量。蓝线代表了径向力的间隔在狗腿严重程度高于控制,这很好,超出了弦的重量,最大是大于2200 N / m。这个例子证实了命题,有必要控制狗腿严重程度在垂直部分,防止过高的摩擦和验证的有效性方程(23)。
在图7,红色虚线代表狗腿严重水平截面控制基于方程(28)( ),和固体红线代表间隔的径向力无论狗腿严重程度低于控制,弦的波动在15%的体重。蓝线代表了径向力的间隔在狗腿严重程度高于控制,在弦上波动更多的重量,最大是大于500 N / m和最低只有186 N / m。问题特别严重的接近点在水平部分。一般来说,径向力的波动水平部分中比在垂直部分,因为轻弦上的轴向载荷是前者要小得多。因此,从减少摩擦的角度来看,狗腿严重水平部分可以不严格控制相比,垂直部分,如保持低于2°/ 30 m,但更高的狗腿严重可能导致钻柱的坚持。
4.2。讨论
根据上面的分析中,重力和拉力径向力是引起摩擦的主导因素。弯曲径向力产生小摩擦在中期和长半径水平井。计算结果可以从表1。在5°/ 30米严重狗腿,弯曲钻铤的径向力是只有13.1%的弦的重量。
紧张径向力,影响钻井摩擦的一个重要因素,可以减少提高井眼轨迹的平滑。一个标准提出了本文即狗腿严重程度在垂直部分应控制在弯曲的部分,重力径向力的字符串不超过它的重量。后来,标准可能会完善,使其更加可靠。经验告诉我们,建筑和水平的摩擦部分将小如果狗腿严重程度在垂直部分,特别是在本节的上半部分,控制低于0.5°/ 30米。张力径向力变小建筑和水平的部分。然而,考虑到字符串体重的增加,径向力的紧张关系应该进一步控制(一个合适的比例值,即。,the ratio of tension radial force to the weight of the string, is to be controlled) in order to prevent massive increase of the radial force. Generally speaking, dogleg severity should be less than 2°/30 m in a horizontal section longer than 1000 m to facilitate subsequent drilling operations.
5。结论
(1)字符串的径向力分析,计算模型计算的摩擦也建立了垂直和水平部分。案例研究表明,径向力可能出现在的上部垂直部分。字符串的弯曲径向力是在13.1%重量如果狗腿严重低于5°/ 30米(2)张力径向力和重力径向力的主要影响因素是水平井的摩擦。为了减少摩擦,有必要控制张力径向力,也就是说,狗腿控制井眼轨迹的严重性(3)方程控制狗腿垂直和水平段水平井的严重性。一个案例的分析表明,(1)水平井的垂直深度越深,越紧张径向力的附加因素;因此,狗腿上部的严重性深水平井的垂直部分必须更严格地控制。例如,如果额外的弦张力系数为0.5的垂直水平井3000,狗腿严重程度在1000应该控制在0.5°/ 30米,和狗腿垂直的严重程度在1000 ~ 2000 m应控制在1°/ 30米。(2)严重狗腿的水平截面最大角度是成反比的摩擦在随后的部分。接近目标,要求狗腿严重程度越高,可以适当减少在随后的井。如果张力径向力比体重的字符串, ,控制在18%,是1000,是0.3,那么狗腿严重吗应控制在1°/ 30 m在目标,在2°/ 30米,海拔500米,并在3°/ 30 m在610年的水平截面(4)摩擦的模型预测认为狗腿严重程度的影响,并给出的结论是有价值的长位移水平井钻井特别是非常规石油和天然气领域。为了控制建筑的径向力和摩擦部分,降低建筑应采用早期的建筑部分,并适当提高建设速度可采用。滑动钻井应少练习,结合钻探和建设速度应该使用更低。通过这样做,张力径向弯曲力和径向力的影响将会减轻。这个结论可以帮助提高一点效率,降低钻井成本
数据可用性
没有基础数据收集或产生了在这个研究。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。
确认
这项研究是由“高精度小间距水平井钻井技术研究”的项目中石油科学研究和技术开发项目(批准号2021 dj5205和2021 dj5203)和“基础研究复杂结构的设计和施工以及工厂”这是中国国家自然科学基金项目(批准号52234002)。