[发明专利]一种通井底部钻具组合确定方法

说明书

技术领域

本发明属于油气钻井井下管柱结构确定技术领域，具体地说是一种通井底部钻具组合（通井BHA）确定方法。

背景技术

实际钻井作业中，套管下入遇阻是一个十分危险的作业工况，原因在于套管的连接丝扣为细扣，无法承受高扭矩和多次上卸扣作业，易损坏失效甚至导致管柱落井复杂情况。特别是在一些复杂地质情况下，长时间通井可能引发其它井下复杂情况，延误钻井作业进度或危及钻井作业安全。因此，确保套管顺利下入十分重要。在工程实际中，常采用通井BHA来修正井眼，光滑井壁，为套管顺利下入做好准备工作。

目前，在深井、超深井、大位移井及气体钻井等技术方面涉及钻柱力学分析及通井BHA设计的研究工作已有很多，但是，关于通井BHA设计分析的文献很少。目前利用经验系数匹配的方法设计通井钻具组合，没有考虑井眼轨迹特征和井径特征，造成通井效果不理想。而现场通井BHA的设计依据更为缺乏。这也是套管下入遇阻复杂现象普遍存在的一个重要原因。据统计，某油田为了提高巨厚砾石层钻进速度，在某井上利用气体钻井取得了很好的提速效果，但由于下套管作业遇阻和没有合理的通井钻具组合，用于通井作业的额外耗时在20天以上，大幅度削弱了气体钻井的效益。

因此，合理的确定通井BHA对于下套管作业，特别是对于深井、超深井以及气体钻井的下套管作业尤为重要。由于套管本体外径大，管壁薄，刚度大，因此只有合理地选择通井BHA的钻铤尺寸和稳定器的数量，合理地设计通井BHA的结构，才能近似匹配套管的抗弯刚度，达到有效通井的目的。本文基于弯曲应变能的原理研究带稳定器BHA的等效刚度，设计与套管弯曲刚度相近的通井BHA，为套管的顺利下入创造条件。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种通井底部钻具组合确定方法，适用于现场确定通井BHA，保证套管的顺利下入。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

一种通井底部钻具组合确定方法，包括如下步骤：

a. 针对目标井眼，利用专用测量工具分别测定井径和井眼曲率特征，测定预入井套管的几何、物理参数，测定通井BHA所利用部件的几何、物理参数；

b. 根据变形能原理，考虑稳定器的影响，建立弯曲井眼中管柱的弯曲应变能模型；

c. 计算不同曲率井眼中通井BHA与待下入套管的弯曲应变能；

d. 提出基于等效刚度系数的评价方法，能够充分反映井眼、通井BHA与套管的几何特征及管柱的抗弯刚度的影响，所得通井BHA能够有效逼近待下入套管的弯曲应变能。

所述步骤a中专用测量工具包括井斜测量设备（如电子单多点测斜仪，MWD/LWD测量工具等）、井径测井工具、专用钻具量规、专用材料强度测试设备等。

所述步骤b中建立弯曲井眼中管柱的弯曲应变能模型，具体包括下列步骤：

b1. 考虑通井BHA中具有较大几何尺寸的稳定器影响；

b2. 考虑井眼特征对管柱端部的边界约束条件：管柱在钻头处假设为固定端，另一端为自由端，但自由端需根据井眼特征限定其位移；

b3. 建立与井眼曲率和井眼边界约束相关的管柱弯曲应变能模型。

                      (1)

              (2)

式（1）为弯曲井眼中管柱的弯曲应变能模型。式（2）为水平井眼中管柱的弯曲应变能公式。式中：为通井BHA的弯曲应变能，Nm。，为井眼直径，m；为管柱外径，m。为井眼曲率半径，m；为抗弯刚度，N.m²。下标i用以区别稳定器与钻铤的抗弯刚度。为分段长度，m；为端部位移，m；为稳定器个数。

所述步骤c中计算不同曲率井眼中通井BHA与待下入套管的弯曲应变能，具体包括下列步骤：

c1. 假设井眼曲率及扩径系数不同，计算井眼中通井BHA的弯曲应变能；

c2. 计算不同组合结构的通井BHA在井眼中的弯曲应变能；

c3. 计算不同井眼条件下，相应套管的弯曲应变能。

所述步骤d中提出的基于等效刚度系数的评价方法，具体包括下列步骤：等效刚度系数定义为通井BHA弯曲应变能与套管弯曲应变能的比值，当等效刚度系数大于1时，说明通井BHA能够达到通井的作用。

                  (3)

式中：为通井BHA的弯曲应变能，Nm，为套管的弯曲应变能，Nm，为套管的抗弯刚度，Nm²； ，为套管外径，m。为计算管柱的长度，m。