考虑岩屑影响的大位移井机械延伸极限研究

郭骁 李思洋 周蒙恩 孟庆威 张菲菲

郭骁,李思洋,周蒙恩,孟庆威,张菲菲. 考虑岩屑影响的大位移井机械延伸极限研究[J]. 石油钻采工艺,2021,43(3):1-7
引用本文: 郭骁,李思洋,周蒙恩,孟庆威,张菲菲. 考虑岩屑影响的大位移井机械延伸极限研究[J]. 石油钻采工艺,2021,43(3):1-7
GUO Xiao, LI Siyang, ZHOU Meng’en, MENG Qingwei, ZHANG Feifei. Influence of cuttings on the mechanical extension limit of extended reach well[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(3): 1-7
Citation: GUO Xiao, LI Siyang, ZHOU Meng’en, MENG Qingwei, ZHANG Feifei. Influence of cuttings on the mechanical extension limit of extended reach well[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(3): 1-7

考虑岩屑影响的大位移井机械延伸极限研究

基金项目: 国家自然科学基金“大位移井钻井过程中动态岩屑运移与钻柱受力耦合机理研究”(编号:51874045);湖北省自然科学基金杰出青年基金“页岩气大位移井动态井眼清洁机理及智能监测算法研究”(编号:2019CFA093)
详细信息
    作者简介:

    郭骁(1996-),在读硕士研究生,从事管柱力学及智能钻井研究工作。通讯地址:(430100)湖北省武汉市蔡甸区蔡甸街大学路111号长江大学石油科技大楼C530室。E-mail:guox9015@gmail.com

    通讯作者:

    张菲菲(1988-),主要从事油气钻井中岩屑运移及钻井流体力学研究,教授。通讯地址:(430100)湖北省武汉市蔡甸区蔡甸街大学路111号长江大学石油科技大楼B205室。E-mail:feifei-zhang@Yangtzeu.edu.cn

  • 中图分类号: TE21

Influence of cuttings on the mechanical extension limit of extended reach well

  • 摘要: 大位移井钻井技术作业难度大,对井眼清洁作业要求较高,岩屑堆积对摩阻扭矩的影响不容忽视。通过改进摩阻扭矩计算中常用的软杆模型,建立井眼清洁与摩阻扭矩耦合模型;考虑钻机、钻柱和钻头约束,建立大位移井机械延伸极限的预测模型。针对一口水垂比大于5的实钻大位移井,考虑岩屑对摩阻扭矩的影响,计算不同工况下的摩阻扭矩,预测大位移井水平段机械延伸极限,分析不同岩屑床高度对大位移井机械延伸极限的影响。研究结果表明,通过耦合模型预测的大位移井机械延伸极限相对于普通软杆模型的计算结果更为真实有效;随着岩屑床的堆积,岩屑对大位移井机械延伸极限的影响愈加显著。研究结果可为大位移井的风险预测与设计施工提供科学依据。
  • 图  1  存在岩屑床影响的钻柱单元自由体及局部受力

    Figure  1.  Free body and local stress of drill string unit under the influence of cuttings bed

    图  2  三维井眼中钻柱微元自由体

    Figure  2.  Free body of drill string infinitesimal in 3D hole

    图  3  无量纲岩屑床高度和扭矩变化率的关系图

    Figure  3.  Relationship between dimensionless height of cuttings bed and torque variance ratio

    图  4  井身结构

    Figure  4.  Casing program

    图  5  不同工况下有效轴向力随钻柱分布

    Figure  5.  Distribution of effective axial force along drill string under different working conditions

    图  6  不同工况下扭矩随钻柱分布

    Figure  6.  Distribution of torque along drill string under different working conditions

    图  7  滑动上提大钩载荷与井深关系

    Figure  7.  Relationship between hook load and well depth during slide lifting

    图  8  滑动钻进大钩载荷与井深关系

    Figure  8.  Relationship between hook load and well depth during slide drilling

    图  9  旋转上提井口扭矩与井深关系

    Figure  9.  Relationship between wellhead torque and well depth during rotary lifting

    图  10  旋转钻进井口扭矩与井深关系

    Figure  10.  Relationship between wellhead torque and well depth during rotary drilling

    图  11  不同岩屑床高度对机械延伸极限的影响

    Figure  11.  Influence of the height of cuttings bed on the mechanical extension limit

    表  1  测试参数

    Table  1.   Test parameters

    参数数值 参数数值
    流量/(m3·s−1)0.0015~0.031钻杆直径/mm114
    钻速/(m·h−1)15~30井斜角/(°)30~90
    转速/(r·min−1)0,100长度/m15~25
    井眼直径/mm203
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    表  2  井眼轨迹数据

    Table  2.   Data of well trajectory

    斜深/m井斜/
    (°)
    方位/(°)垂深/m南北位移/m东西位移/m水平位移/m井眼曲率/((°) · (30 m)−1)
    4100.45118.76410−0.080.080.1N/A
    4506.3376.63449.910.362.372.244.5
    922.7884.49102.36757.69−52.59307.18311.385
    579284.49102.361225.52−1089.665041.625158.020
    5818.7987101.431227.50−1095.165067.765184.743
    5848.7987101.431229.08−1101.15097.135214.70
    5878.7790101.431229.86−1107.035126.505244.663
    5886.5390.52101.431229.83−1108.575134.115252.422
    6204.7790.52101.431226.96−1171.615446.025570.620
    6224.8789.18101.431227.01−1175.605465.735590.722
    6686.8789.18101.431233.66−1267.115918.536052.650
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  • [1] 高德利, 黄文君, 李鑫. 大位移井钻井延伸极限研究与工程设计方法[J]. 石油钻探技术, 2019, 47(3):1-8. doi:  10.11911/syztjs.2019069

    GAO Deli, HUANG Wenjun, LI Xin. Research on extension limits and engineering design methods for extended reach drilling[J]. Petroleum Drilling Techniques, 2019, 47(3): 1-8. doi:  10.11911/syztjs.2019069
    [2] 闫铁, 张凤民, 刘维凯, 等. 大位移井钻井极限延伸能力的研究[J]. 钻采工艺, 2010, 33(1):4-7. doi:  10.3969/j.issn.1006-768X.2010.01.002

    YAN Tie, ZHANG Fengmin, LIU Weikai, et al. Mechanical analysis on the limit extended capacity for an extended reach well[J]. Drilling & Production Technology, 2010, 33(1): 4-7. doi:  10.3969/j.issn.1006-768X.2010.01.002
    [3] 罗伟, 付建红, 宋科熊, 等. 大位移井水平井极限延伸长度预测研究[J]. 科学技术与工程, 2013, 13(35):10623-10627.

    LUO Wei, FU Jianhong, SONG Kexiong, et al. Prediction of the limited horizontal displacement for extended reach well[J]. Science Technology and Engineering, 2013, 13(35): 10623-10627.
    [4] 许杰, 黄文君, 刘海龙, 等. 曹妃甸油田浅层大位移井管柱作业极限分析与优化设计[J]. 科学技术与工程, 2020, 20(11):4316-4322. doi:  10.3969/j.issn.1671-1815.2020.11.016

    XU Jie, HUANG Wenjun, LIU Hailong, et al. Analysis and optimization design of tubular operating limit in shallow extended-reach drilling of Cao Feidian Oil Field[J]. Science Technology and Engineering, 2020, 20(11): 4316-4322. doi:  10.3969/j.issn.1671-1815.2020.11.016
    [5] 黄文君, 高德利, 刘应华. 大位移井机械延伸极限预测研究[C]//中国力学大会-2017暨庆祝中国力学学会成立60周年大会论文集(A), 2017, 中国北京: 1588-1597.

    HUANG Wenjun, GAO Deli, LIU Yinghua. Research on prediction of mechanical extension limit of extended reach wells[C]// Chinese Mechanics Conference-2017 and Proceedings of the 60th Anniversary of the Founding of the Chinese Society of Mechanics(A), 2017, China Beijing: 1588-1597.
    [6] 侯忠生, 许建新. 数据驱动控制理论及方法的回顾和展望[J]. 自动化学报, 2009, 35(6):650-667. doi:  10.3724/SP.J.1004.2009.00650

    HOU Zhongsheng, XU Jianxin. On data-driven control theory: The state of the art and perspective[J]. Acta Automatica Sinica, 2009, 35(6): 650-667. doi:  10.3724/SP.J.1004.2009.00650
    [7] ZHANG F, ISLAM A, ZENG H, et al. Real time stuck pipe prediction by using a combination of physics-based model and data analytics approach[C]//Abu Dhabi International Petroleum Exhibition & Conference, 2019, Abu Dhabi, UAE.
    [8] ZHANG F, FILIPPOV A, JIA X, et al. Transient solid-liquid two-phase flow modelling and its application in real-time drilling simulations[C]//10th North American Conference on Multiphase Technology, 2016, Banff, Canada.
    [9] 王茜, 张菲菲, 李紫璇, 等. 基于钻井模型与人工智能相耦合的实时智能钻井监测技术[J]. 石油钻采工艺, 2020, 42(1):6-15. doi:  10.13639/j.odpt.2020.01.002

    WANG Qian, ZHANG Feifei, LI Zixuan, et al. Real-time intelligent drilling monitoring technique based on the coupling\rof drilling model and artificial intelligence[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2020, 42(1): 6-15. doi:  10.13639/j.odpt.2020.01.002
    [10] 李鑫, 高德利. 考虑延伸极限的大位移水平井最优钻井液排量设计[J]. 石油钻采工艺, 2017, 39(3):282-287. doi:  10.13639/j.odpt.2017.03.005

    LI Xin, GAO Deli. Optimum drilling fluid displacement design of large displacement horizontal well considering extension limit[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(3): 282-287. doi:  10.13639/j.odpt.2017.03.005
  • [1] 王茜, 张菲菲, 李紫璇, 王越支, 方含之.  基于钻井模型与人工智能相耦合的实时智能钻井监测技术 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2020.01.002
    [2] 顾岳, 高德利, 杨进, 黄文君, 石小磊, 周波.  受套管磨损约束的深井钻井延伸极限预测模型 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2020.05.002
    [3] 王先洲, 左洪国, 夏景刚, 黄红亮, 王景, 王玮.  南堡13-1706大位移井钻井技术 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2019.02.003
    [4] 谢中成, 付建红, 李进, 王涛, 曹磊, 牟哲林.  东海油气田超深大位移气井钻井关键技术 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2018.04.003
    [5] 李鑫, 高德利.  考虑延伸极限的大位移水平井最优钻井液排量设计 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2017.03.005
    [6] 陈绍云.  鲁迈拉S 型定向井降摩减扭技术 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2016.04.008
    [7] 陈涛, 冉照辉, 罗亮, 柯学, 孙亚平, 南鑫.  苏77-21-40H2 水平井超长水平段钻井技术 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2015.06.001
    [8] 付宣, 李根生, 崔明月, 黄中伟, 梁月松.  非均质底水油藏水平井ICD 完井耦合模型与目标剖面计算方法 . 石油钻采工艺, doi: 10.13639/j.odpt.2015.04.008
    [9] 张凯.  大庆垣平1大位移井的钻井技术 . 石油钻采工艺,
    [10] 赵旭, 姚志良, 刘欢乐.  水平井调流控水筛管完井设计方法研究 . 石油钻采工艺,
    [11] 陈阳, 熊友明, 陈宗毅, 徐家年, 张林, 刘理明.  裸眼系列完井方式下鱼骨井产量模型求解方法 . 石油钻采工艺,
    [12] 罗艳艳, 程林松, 丁祖鹏, 邹晓霞.  薄油层射孔水平井井筒内流动与油藏渗流耦合模型()  摘要:  关键词:  中图分类号:TE34 . 石油钻采工艺,
    [13] 陈阳, 熊友明, 陈宗毅, 徐家年, 张林.  裸眼系列完井方式对鱼骨井产量的影响 . 石油钻采工艺,
    [14] 刘书杰, 谢仁军, 刘小龙.  大位移井套管磨损预测模型研究及其应用 . 石油钻采工艺,
    [15] 冯光彬, 唐世忠, 蔺玉水, 王宇.  ZH8Es-H5大位移水平井钻井技术 . 石油钻采工艺,
    [16] 郭晓乐, 汪志明.  南海流花超大位移井水力延伸极限研究 . 石油钻采工艺,
    [17] 李娟, 唐世忠, 李文娟, 杨涛, 付建红.  埕海一区大位移水平井摩阻扭矩研究与应用 . 石油钻采工艺,
    [18] 高德利, 覃成锦, 代伟锋, 唐海雄, 魏宏安.  南海流花超大位移井摩阻/扭矩及导向钻井分析 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2006.01.003
    [19] 宋执武, 高德利, 马健.  大位移井摩阻/扭矩预测计算新模型 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2006.06.001
    [20] 高德利, 覃成锦, 李文勇.  南海西江大位移井摩阻和扭矩数值分析研究 . 石油钻采工艺, doi: 10.3969/j.issn.1000-7393.2003.05.002
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出版历程
  • 修回日期:  2021-03-23
  • 网络出版日期:  2021-08-11

考虑岩屑影响的大位移井机械延伸极限研究

    基金项目:  国家自然科学基金“大位移井钻井过程中动态岩屑运移与钻柱受力耦合机理研究”(编号:51874045);湖北省自然科学基金杰出青年基金“页岩气大位移井动态井眼清洁机理及智能监测算法研究”(编号:2019CFA093)
    作者简介:

    郭骁(1996-),在读硕士研究生,从事管柱力学及智能钻井研究工作。通讯地址:(430100)湖北省武汉市蔡甸区蔡甸街大学路111号长江大学石油科技大楼C530室。E-mail:guox9015@gmail.com

    通讯作者: 张菲菲(1988-),主要从事油气钻井中岩屑运移及钻井流体力学研究,教授。通讯地址:(430100)湖北省武汉市蔡甸区蔡甸街大学路111号长江大学石油科技大楼B205室。E-mail:feifei-zhang@Yangtzeu.edu.cn
  • 中图分类号: TE21

摘要: 大位移井钻井技术作业难度大,对井眼清洁作业要求较高,岩屑堆积对摩阻扭矩的影响不容忽视。通过改进摩阻扭矩计算中常用的软杆模型,建立井眼清洁与摩阻扭矩耦合模型;考虑钻机、钻柱和钻头约束,建立大位移井机械延伸极限的预测模型。针对一口水垂比大于5的实钻大位移井,考虑岩屑对摩阻扭矩的影响,计算不同工况下的摩阻扭矩,预测大位移井水平段机械延伸极限,分析不同岩屑床高度对大位移井机械延伸极限的影响。研究结果表明,通过耦合模型预测的大位移井机械延伸极限相对于普通软杆模型的计算结果更为真实有效;随着岩屑床的堆积,岩屑对大位移井机械延伸极限的影响愈加显著。研究结果可为大位移井的风险预测与设计施工提供科学依据。

English Abstract

郭骁,李思洋,周蒙恩,孟庆威,张菲菲. 考虑岩屑影响的大位移井机械延伸极限研究[J]. 石油钻采工艺,2021,43(3):1-7
引用本文: 郭骁,李思洋,周蒙恩,孟庆威,张菲菲. 考虑岩屑影响的大位移井机械延伸极限研究[J]. 石油钻采工艺,2021,43(3):1-7
GUO Xiao, LI Siyang, ZHOU Meng’en, MENG Qingwei, ZHANG Feifei. Influence of cuttings on the mechanical extension limit of extended reach well[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(3): 1-7
Citation: GUO Xiao, LI Siyang, ZHOU Meng’en, MENG Qingwei, ZHANG Feifei. Influence of cuttings on the mechanical extension limit of extended reach well[J]. Oil Drilling & Production Technology, 2021, 43(3): 1-7
  • 大位移井的井眼轨迹在地层中水平延伸较长距离,可以增大油气层的裸露面积,大位移井眼连通多个储层,使得后期的储层改造和增产较为便利,增产效果明显。大位移井的应用减少了钻井的数量,节约了开发成本,提高了效益。但是在大位移井施工中,较多的大位移井下钻作业存在困难,所以对管柱的摩阻扭矩与大位移井极限延伸的研究是解决此类问题重要的一环。

    钻柱力学方面,国内外学者先后建立了“软杆”和“刚杆”模型来研究管柱在井眼中的受力情况,并逐步加以改进。对于大位移井,岩屑堆积对井眼中摩阻扭矩的影响不可忽视。在延伸极限方面,高德利[1]提出了大位移井延伸极限的概念,闫铁[2]、付建红[3]、黄文君[4-5]等人对大位移井延伸极限做出修正与改进。本文利用井眼清洁与摩阻扭矩耦合模型做出大位移井机械极限延伸预测。

    • 图1左表示环空中存在岩屑时的钻柱受力情况,其中$ {w}_{\rm{bp}}R\mathrm{d}\beta $表示钻柱单元体自重,$ {w}_{\rm{c}}R\mathrm{d}\beta $表示钻杆单元体与井壁之间的接触力,$ \mu {w}_{\rm{c}}R\mathrm{d}\beta $为摩擦阻力,$ F $$ F+\mathrm{d}F $表示钻柱单元体两端的轴向力;岩屑床对钻柱受力的具体影响如图1右所示,岩屑床对钻柱受力的影响复杂且不可忽略,其中内部的力FpFrpFrFcwFfw表示岩屑床对钻杆不同方向的复杂相互作用。为了模拟岩屑对钻柱运动的确切影响,需要钻柱在整个井眼中的位置,通过复杂的有限元模拟才能获得。对于实际应用,假设一个简单的参数Fcb来表示岩屑床和钻柱之间的复杂相互作用,并通过实验数据与现场数据以数据驱动模型[6]来估算Fcb[7]

      图  1  存在岩屑床影响的钻柱单元自由体及局部受力

      Figure 1.  Free body and local stress of drill string unit under the influence of cuttings bed

      为了考虑岩屑对井眼中扭矩和阻力的影响,通过修改软杆模型,提出了一种新的摩阻扭矩模型。将来自岩屑床的附加力添加到标准摩阻扭矩模型中,例如,对于下钻或滑动钻进的情况,将附加阻力Fcb加到钻柱的轴向,用来表示岩屑床对钻柱轴向力的影响。对于旋转钻进的钻柱,将阻力Fcb加至与钻柱曲线相切并与旋转方向相反的方向。该模型遵循传统软杆模型的假设,钻柱被看作一条软绳,忽略其抗弯强度,且钻杆与井眼轴线一致并与井壁连续接触。

      将笛卡尔坐标系的单位向量ijk转化为弗莱纳坐标系的单位向量tnb,如图2

      图  2  三维井眼中钻柱微元自由体

      Figure 2.  Free body of drill string infinitesimal in 3D hole

      $$ {\boldsymbol{t}} = \left( {{\rm{sin}}\varphi {\rm{cos}}\theta } \right){\boldsymbol{i}} + \left( {{\rm{sin}}\varphi {\rm{sin}}\theta } \right){\boldsymbol{j}} + {\rm{cos}}\varphi {\boldsymbol{k}} $$ (1)
      $$ {\boldsymbol{n}} = \left( {{\rm{cos}}{{\varphi}} {\rm{cos}}{{\theta}} } \right){\boldsymbol{i}} + \left( {{\rm{cos}}{{\varphi}} {\rm{sin}}{{\theta}} } \right){\boldsymbol{j}} - {\rm{sin}}{{\varphi {\boldsymbol{k}}}} $$ (2)
      $$ {\boldsymbol{b}} = - \sin \theta {\boldsymbol{i}} + \cos \theta {\boldsymbol{j}} $$ (3)

      式中,$ \varphi $为井斜角,°;$ \theta $为方位角,°。

      通过对钻杆元件的自由体进行力学分析,单元体轴向力和扭矩平衡方程可以表示为

      $$ \frac{{{\rm{d}}{F_{\rm{t}}}}}{{{\rm{d}}s}} + {w_{{\rm{bp}}}}\cos \varphi {t_{\textit{z}}} = \;0 $$ (4)
      $$ {F_{\rm{t}}}\kappa + {w_{{\rm{bp}}}}{n_{\textit{z}}} + {w_{\rm{c}}}{\rm{cos}}\alpha + \mu {w_{\rm{c}}}{\rm{sin}}\alpha + {F_{{\rm{cb}}}}{\rm{cos}}\alpha + \mu {F_{{\rm{cb}}}}{\rm{sin}}\alpha = 0 $$ (5)
      $$ {w_{{\rm{bp}}}}{b_{\textit{z}}} - {w_{\rm{c}}}{\rm{sin}}\alpha + \mu {w_{\rm{c}}}{\rm{sin}}\alpha - {F_{{\rm{cb}}}}{\rm{cos}}\alpha + \mu {F_{{\rm{cb}}}}{\rm{sin}}\alpha = 0 $$ (6)
      $$ \frac{\mathrm{d}{M}_{\mathrm{t}}}{\mathrm{d}s}-\mu \left({w}_{\mathrm{c}}+{F}_{\mathrm{c}\mathrm{b}}\right){r}_{\mathrm{p}}=0 $$ (7)
      $$ {M}_{\mathrm{t}}\kappa =0 $$ (8)

      式中,Ft为轴向力,N;Mt为扭矩,N · m;wbp为钻柱的单位重量,kg;wc为接触力,N;tznzbz分别为单位切向量、单位法向量和单位副法向量在z方向上的分量,无量纲;κ为井眼曲率,(°)/30 m;μ为摩阻系数,无量纲;αn-b平面中接触力法向分量与n坐标轴之间的夹角,°;Fcb为岩屑床导致的附加力,N;rp为钻柱半径,mm。

      通过解方程得单元体上的接触力和n-b平面中接触力法向分量与n坐标轴之间的夹角为

      $$ {w}_{\mathrm{c}}=\sqrt{\frac{{{(F}_{\mathrm{t}}\kappa {+w}_{\mathrm{b}\mathrm{p}}{n}_{{\textit{{{z}}}}})}^{2}+{\left({w}_{\mathrm{b}\mathrm{p}}{b}_{{\textit{z}}}\right)}^{2}}{1+{\mu }^{2}}} $$ (9)
      $$ \alpha ={\rm{arctan}}\mu -{\rm{arctan}}\left(\frac{{w}_{\mathrm{b}\mathrm{p}}{b}_{{\textit{z}}}}{{F}_{\mathrm{t}}\kappa {+w}_{\mathrm{b}\mathrm{p}}{n}_{{\textit{z}}}}\right) $$ (10)

      修正后的软杆模型的算法与标准摩阻扭矩模型相似,不同之处在于,在每个单元上,都需要基于局部钻屑床高度计算额外的阻力Fcb。从式(4)~(8)可以看出,Fcb等效于钻柱上的附加接触力。

      在将井眼清洁模型与摩阻扭矩模型结合应用时,通过井眼清洁模型预测岩屑床在井眼中的整体分布。以井眼清洁模型预测的岩屑床分布作为输入进而改进软杆模型,计算出每个离散点的Fcb,最后得出钻杆上的摩阻与扭矩值。使用表1的测试参数对模型进行摩阻实验,耦合模型的关键是通过研究一系列实验数据,得到Fcb和岩屑床高度的关系。

      表 1  测试参数

      Table 1.  Test parameters

      参数数值 参数数值
      流量/(m3·s−1)0.0015~0.031钻杆直径/mm114
      钻速/(m·h−1)15~30井斜角/(°)30~90
      转速/(r·min−1)0,100长度/m15~25
      井眼直径/mm203

      为了建立相关性,分别使用式(11)和(12)对岩屑床高度和岩屑床高度对扭矩的影响进行了归一化处理。

      $$ h=\frac{{h}_{\mathrm{b}}}{{D}_{\mathrm{w}}} $$ (11)
      $$ {T}_{\mathrm{C}\mathrm{R}}=\frac{{T}_{\mathrm{h}}-{T}_{\mathrm{c}}}{{T}_{\mathrm{c}}} $$ (12)

      式中,hb为岩屑床高度,mm;Dw为井眼直径,mm;h为无量纲岩屑床高度;Th为岩屑床引起的扭矩变化,kN · m;Tc为无岩屑时的扭矩变化,kN · m;TCR表示岩屑床引起的扭矩变化率。

      经过归一化处理后,无量纲岩屑床高度与扭矩变化率关系如图3所示,可以发现二者大致呈指数形式。因此,在实验数据集的基础上建立了指数函数相关性,用式(13)表示。

      $$ {T}_{\mathrm{C}\mathrm{R}}=c{h}^{d} $$ (13)

      其中,c=20,d=2.5。

      图  3  无量纲岩屑床高度和扭矩变化率的关系图

      Figure 3.  Relationship between dimensionless height of cuttings bed and torque variance ratio

      因为实验是在模拟直井的设施上进行的,扭矩值与井眼和钻杆之间的接触力、井眼和钻杆之间的摩擦因数成正比。接触力在实验过程中保持不变,扭矩的变化只会导致摩擦因数的变化。因为参数是无量纲的,式(13)可转换为无量纲岩屑床高度与井眼和钻杆之间摩擦因数的关系

      $$ {f}_{\mathrm{C}\mathrm{R}}=\frac{{f}_{\mathrm{h}}-{f}_{\mathrm{c}}}{{f}_{\mathrm{c}}}=c{h}^{d} $$ (14)

      式中,fCR表示岩屑床引起的摩擦因数变化率;fh为无量纲岩屑床高度h下的摩擦因数;fc为相应井眼结构下无岩屑床时的摩擦因数。

      在有岩屑的复杂井中进行扭矩计算,式(14)可以应用于具有给定局部岩屑床高度的摩阻扭矩模型中,岩屑床高度可从瞬态岩屑运移模型[8]得到。

      与实验测试不同,在实际钻井中许多参数会发生变化。虽然由实验数据得出的相关性可能不适用于所有情况,但是摩擦因数和无量纲岩屑床高度的变化趋势是相同的。即,式(11)~(14)仍然有效,但$ c $$ d $的值可能在不同的情况下有所不同。为了让模型的应用更加广阔,可以采用机器学习[9]的方法,根据历史钻井数据对模型进行训练后计算。

    • 大位移井水平段延伸极限是指在一定制约条件影响下,大位移井所能达到的极限长度。由于受到多种影响因素的制约,大位移井水平段不可能无限延伸,同时,根据相关研究,从经济角度来讲,水平段长度也不是越长越好。大位移井水平段延伸能力影响到钻探该类型井的施工效率以及全井成本,因此,对影响大位移井水平段延伸能力因素的分析,在大位移井钻井工程设计中是十分重要的。制约大位移井水平段机械延伸极限的因素主要有钻机性能约束、钻柱屈服约束和钻头运动约束[5]

    • 钻机的承载能力包括提升能力和扭矩输出能力。提升能力指在钻井作业中,起钻、下钻、钻进等工况下井口大钩载荷必须在钻机的额定载荷范围内;扭矩输出能力是指在钻柱旋转的工况下,井口扭矩不能超过钻机能够输出的最大扭矩。为保证钻机在水平段钻进过程中能够正常工作,需要准确预测不同工况下的井口大钩载荷和井口扭矩。

      使用井眼清洁与摩阻扭矩耦合模型,考虑了岩屑对井眼中扭矩和阻力的影响,更加精准地模拟大位移井钻柱的真实受力。通过式(4)~(8)计算出井口的轴向力和扭矩。

    • 根据井眼清洁与摩阻扭矩耦合模型计算出沿井深分布的轴向力和扭矩,然后计算出相应的轴向应力和切应力,根据第四强度理论计算钻柱微元上的等效应力$ \sigma $,为确保钻柱不发生屈服失效,钻柱等效应力应小于某值,其约束条件为

      $$ \sigma \leqslant \left[\sigma \right]=\frac{{\sigma }_{\text{s}}}{{n}_{4}} $$ (15)

      式中,$ \sigma $为钻柱等效应力,Pa;$ \left[\sigma \right] $为许用等效应力,Pa;$ {\sigma }_{\text{s}} $为钻柱的屈服强度,Pa;$ {n}_{4} $是为安全系数,无因次。

    • 钻柱在滑动上提与旋转上提的过程中,有可能发生卡钻。在钻头处添加一个上提阻力来进行卡钻情况模拟。所以钻头位置的轴向力与扭矩必须等于模拟卡钻阻力与扭矩,而且钻头处钻压与扭矩必须大于岩石的门限钻压与门限扭矩。

    • 某井是一口水垂比大于5的大位移井,井眼轨迹数据如表2所示。井身结构为四开井,如图4所示。该井平台井架提升能力为3 629.75 kN,顶驱提升能力为7 352.91 kN,顶驱最大连续输出扭矩为88.81 kN · m,旋转速度为100 r/min。

      图  4  井身结构

      Figure 4.  Casing program

    • 摩阻扭矩计算参数如下:裸眼摩阻系数0.3,套管摩阻系数0.25,钻井液密度1.03 g/cm3,钻具活动速度0.3 m/s,旋转速度100 r/min,钻进钻压44 kN,钻头扭矩2 711 N · m。假定水平段岩屑床高度是40 mm和80 mm,使用井眼清洁与摩阻扭矩耦合模型计算不同工况下有效轴向力与扭矩分布。

      表 2  井眼轨迹数据

      Table 2.  Data of well trajectory

      斜深/m井斜/
      (°)
      方位/(°)垂深/m南北位移/m东西位移/m水平位移/m井眼曲率/((°) · (30 m)−1)
      4100.45118.76410−0.080.080.1N/A
      4506.3376.63449.910.362.372.244.5
      922.7884.49102.36757.69−52.59307.18311.385
      579284.49102.361225.52−1089.665041.625158.020
      5818.7987101.431227.50−1095.165067.765184.743
      5848.7987101.431229.08−1101.15097.135214.70
      5878.7790101.431229.86−1107.035126.505244.663
      5886.5390.52101.431229.83−1108.575134.115252.422
      6204.7790.52101.431226.96−1171.615446.025570.620
      6224.8789.18101.431227.01−1175.605465.735590.722
      6686.8789.18101.431233.66−1267.115918.536052.650

      图5所示,使用耦合模型分别计算水平段岩屑床高度为40 mm和80 mm不同工况下的钻柱有效轴向力分布,结果表明,在起钻工况下,钻柱受拉影响最大,但在岩屑床高度40 mm的情况下未达到钻柱拉力极限,当岩屑床高度提升至80 mm时,钻柱在起钻工况下到达拉力极限,发生钻柱断裂;在下钻及滑动钻进工况下,钻柱受压,在岩屑床高度80 mm的情况下,钻柱在井口~400 m时达到螺旋屈曲临界值,发生螺旋屈曲,轴向压力陡增。

      图  5  不同工况下有效轴向力随钻柱分布

      Figure 5.  Distribution of effective axial force along drill string under different working conditions

      图6所示,使用耦合模型分别计算岩屑床高度为40 mm和80 mm不同工况下的钻柱扭矩分布,结果表明,在岩屑床高度为80 mm时,旋转钻进与倒划眼均达到扭矩极限,且在旋转钻进工况下,钻柱在井口~993 m达到扭矩极限。

      图  6  不同工况下扭矩随钻柱分布

      Figure 6.  Distribution of torque along drill string under different working conditions

      图7所示,在滑动上提工况下,随着岩屑床的堆积,即岩屑床高度的提高,钩载随井深增大。如图8所示,在滑动钻进工况下,随着岩屑床高度的提高,钩载随井深减小,但当井深增加到一定深度后,钩载迅速减小,造成此现象的原因是钻柱发生屈曲产生的高摩擦阻力,当钩载为0时的井深为延伸极限。通过对比分析,滑动钻进是滑动工况下更为限制延伸极限的工况,以岩屑床高度为40 mm为标准计算,机械延伸极限为6 156 m。

      图  7  滑动上提大钩载荷与井深关系

      Figure 7.  Relationship between hook load and well depth during slide lifting

      图  8  滑动钻进大钩载荷与井深关系

      Figure 8.  Relationship between hook load and well depth during slide drilling

      图9所示,在旋转上提工况下,随着岩屑床的堆积,即岩屑床高度的提高,井口扭矩随井深增大。如图10所示,在旋转钻进工况下,随着岩屑床高度的提高,井口扭矩随井深增大,当井口扭矩达到额定扭矩时的井深为延伸极限。通过对比分析,旋转钻进是旋转工况下更为限制延伸极限的工况,以岩屑床为40 mm为标准计算,机械延伸极限为9 035 m。

      图  9  旋转上提井口扭矩与井深关系

      Figure 9.  Relationship between wellhead torque and well depth during rotary lifting

      图  10  旋转钻进井口扭矩与井深关系

      Figure 10.  Relationship between wellhead torque and well depth during rotary drilling

    • 对于滑动工况来说,机械延伸极限指起钻和滑动钻进延伸极限的最小值;对于旋转工况来说,机械延伸极限指倒划眼和旋转钻进延伸极限的最小值。

      在相同钻机性能、仅改变岩屑床高度的情况下,使用上述钻进参数计算不同钻进方式的机械延伸极限,如图11所示。结果表明,随着岩屑床高度的增加,机械延伸极限相应降低,而且随着岩屑堆积到一定程度后,对延伸极限的影响显著。岩屑床高度的增加对不同钻进方式的机械延伸极限的变化趋势相同,但滑动钻进的延伸极限明显低于旋转钻进。

      图  11  不同岩屑床高度对机械延伸极限的影响

      Figure 11.  Influence of the height of cuttings bed on the mechanical extension limit

    • (1)考虑岩屑床对井筒中摩阻扭矩的影响,通过对前人的软杆模型进行修正,建立井眼清洁与摩阻扭矩耦合模型。提出大位移井水平段机械延伸极限的约束条件,并建立预测模型。

      (2)使用井眼清洁与摩阻扭矩耦合模型对实钻井进行摩阻扭矩分析,分别计算水平段岩屑床高度40 mm和80 mm情况下钻柱的有效轴向力和扭矩分布,校核钻柱强度,结果表明当岩屑堆积到一定程度后,钻柱屈服约束更为制约大位移井机械延伸极限;计算不同水平段岩屑床高度与不同工况下大钩载荷与井口扭矩,随着岩屑堆积,岩屑对钩载与井口扭矩影响显著;分析不同岩屑床高度对机械延伸极限的影响,在无法提升钻机性能的情况下,提高井眼清洁效率,可有效提高延伸极限。

      (3)井眼清洁与摩阻扭矩耦合模型仍需要根据历史钻井数据通过机器学习进行训练;大位移井延伸极限也受到钻井水力学[10]的限制,而且井眼清洁会缓解岩屑堆积。本文仅讨论岩屑床对机械延伸极限的影响,实际使用应综合分析。

参考文献 (10)

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