[发明专利]一种基于水平井修井管柱的优化组合方法

摘要

本发明涉及一种基于水平井修井管柱的优化组合方法；属石油、天然气开采钻井技术领域。该优化组合方法确定了工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成的修井管柱中重量较大油管的下入深度到井斜角A度时是最优比例关系，进而使现有修井管柱达到最佳下入能力，从而为修井管柱组合提供理论基础，满足了企业生产使用的需要。

主权项

1.一种基于水平井修井管柱的优化组合方法，其特征在于：所述的该基于水平井修井管柱的优化组合方法包含如下步骤：（1）、水平井修井管柱载荷计算模型的建立；选取水平井从井口到井底整个部分为研究对象，井筒中的修井管柱主要由工具串连接多根重量较小油管后再连接多根重量较大油管组成，现将修井管柱沿井眼轴向方向划分为垂直段、造斜段、水平段和作业前端四段进行研究，设修井管柱相对应的井筒上设置有n个井眼轨迹测点；并把相邻井眼轨迹测点之间的部分看作是一个连续微元段，则修井管柱可以离散成n‑1个微元段；在建模之前首先做如下假设：1）修井管柱处于线弹性变形状态；2）修井管柱在水平井的水平段视为与井筒连续性接触，并忽略工具串在最大直径处产生的弯曲变形；3）修井管柱的轴线与井眼轨迹的轴线一致；4）修井管柱在各井段摩擦系数采用摩擦系数拟合法计算；5）修井管柱中动载不大，可略去；6）修井管柱的温度变化对本研究的修井管柱受力影响不大；在假设条件下水平井修井管柱载荷计算模型的建立包含以下步骤：a、修井液与修井管柱相互作用分析：在实际生产作业中，由于井筒内和修井管柱内均存有修井液，当修井管柱上提或者下入时修井液会对修井管柱产生沿程水力摩阻和黏滞阻力，故考虑到上述各个影响对修井管柱的修井液摩阻进行修正如下：其中：‑修井管柱的修井液摩阻，N；‑修井管柱所受到的黏滞阻力，N；‑修井管柱所受到的沿程水力摩阻，N；‑修井管柱外径，mm；‑修井管柱内径，mm；‑井眼直径，mm；‑井深，m；‑修井液动切力，Pa；‑修井液粘度，mPa﹒s；‑修井液表观粘度，mPa﹒s；‑修井液速度，m/s；‑修井液动力粘度，mPa﹒s；‑重力加速度，N/kg；b、垂直段修井管柱受力分析：由于修井管柱在垂直井段与井筒接触较小，因此认定修井管柱在垂直井段无接触摩阻，而只受浮重、沿程水力摩阻和黏滞阻力作用，此时计算垂直段修井管柱接触摩阻为0，轴力为修井管柱浮重，即‑修井管柱在修井液中的线重，N/m；‑修井管柱微元段长度，m；‑修井管柱所受轴力，N；‑修井管柱与井筒接触所受摩阻，N；c、造斜段修井管柱受力分析：取造斜段修井管柱微元段，进行受力分析，修井管柱在下入到造斜段后在和井筒接触时因为修井管柱重力而产生摩阻，同时在修井管柱下入修井作业时受钩载拉力及井筒支撑力，再考虑不同修井工况下，不同修井液黏滞阻力、沿程水力摩阻、浮重等参数的影响，此时修井管柱在造斜段的力学平衡方程及弯矩平衡方程式为：求解式，得：式中：，‑考虑浮力后的井筒对修井管柱的支撑力，N；时取“+”，时取“‑”；‑修井管柱微元段下表面所受到的轴向力，N；、‑修井管柱微元段截面上的井斜角，°；‑修井管柱与井筒的摩擦系数；、‑修井管柱两截面的剪切力，N；，‑修井管柱微元段截面上的弯矩，N﹒m；‑造斜段曲率半径，m；、、、‑过渡参数；d、水平井段修井管柱受力分析根据井眼轨迹、修井管柱与井筒接触和受力特点考虑修井管柱浮重以及修井液沿修井管柱内，外流动时的沿程水力摩阻和黏滞阻力，此时修井管柱在水平段的力学平衡方程为：式中：‑修井管柱与井筒的综合摩阻，N；e、修井管柱作业前端的工具串力学模型分析；将修井管柱作业前端的工具串分两部分进行计算，一部分为螺杆工具前部工具，一部分为螺杆工具后部工具；螺杆工具前部工具考虑管柱旋转与井筒和磨铣物产生摩阻扭矩和压力的影响，螺杆工具后部工具考虑管柱与井筒连续性接触产生摩阻；此时修井管柱作业前端的工具串力学平衡方程为：，‑修井管柱截面上的扭矩，N﹒m；‑修井管柱微元段半径，°；至此得到水平井修井管柱根据井眼轨迹、修井管柱与井筒接触和受力特点考虑修井管柱自重、修井液浮力以及修井液沿管柱内，外流动时的修井液沿程水力摩阻和黏滞阻力建立的水平井修井管柱载荷计算模型；（2）、通过“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件进行模拟仿真；基于步骤（1）得出的水平井修井管柱载荷计算模型；利用插值算法和迭代算法编制“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件；“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件的著作权受理号为2019R11S0139560；利用“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件的模拟仿真步骤如下：a、进入“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件；用Excel表导入水平井井眼的轨迹数据，生成对应的“井深”，“井斜角”，“方位角”并绘制出井眼轨迹图，计算得出井眼轨迹的垂深和最大水平位移；b、点击主菜单上的“基本操作”按钮，弹出“基本参数设置”界面，可对“综合参数设置”，“温度参数设置”，“压力参数设置”进行设置，依次将井筒内外径，重量较小油管和重量较大油管的内外径、油管密度，修井液比热、修井液排量、修井液密度、螺杆功率、螺杆额定扭矩、累计工作时间、油管刚级、套管刚级、修井液温度、井口温度、油井温度梯度、井口压力、修井泵压参数载入到“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件中，确认无误后点击“确定”按钮，返回主界面，这样就完成了修井管柱的基本参数设置；c、点击主菜单上的“工具串设计”按钮，进入“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件“工具串设计”界面，在左侧工具栏中根据不同工况进行工具串组合，按照下入顺序选择工具并设置其下入深度，依次点击“添加”按钮，在上方工具串表格中显示其参数；若需修改相关参数，则可直接点击 “删除”按钮，在右侧“油管组合”中可对重量较小油管和重量较大油管的下入深度进行设置；设置完成后，点击“保存”按钮，可保存设置好的参数生成新的文本；下次操作时可直接点击“导入”按钮，导入之前设置好的参数；确认无误后点击“确定”按钮，返回主界面，这样就完成了修井管柱的组合设计；d、点击主菜单上的“通过性分析”按钮，弹出“通过性分析”界面点击“下入能力计算”按钮，在“通过性分析”界面左侧图表中计算出曲率半径参数，得到最小曲率半径，右侧图表数据显示修井管柱组合，计算出单个修井管柱最大通过长度并进行判断修井管柱能否通过；点击“生成报告”按钮，在上方空白处得到分析结果；确认无误后点击“确定”按钮，返回主界面，进行下一阶段的不同工况管柱分析；e、基于钻磨修井工况下，根据前面设计好的工具串在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件主界面中选择“钻磨管柱分析”按钮，进入“钻磨管柱分析”界面分别进行修井管柱载荷计算，得出整个修井管柱的下入过程中摩阻和钩载；并在“钻磨管柱分析”界面左侧表格中得到其对应摩阻和钩载数值，并在右侧得到摩阻和钩载图线；点击“图像保存”按钮，可保存生成的曲线为jpg格式；完成所需仿真分析和图像保存后关闭分析窗口，返回主界面；（3）、基于钻磨修井工况，在修井参数相同，水平井井眼轨迹不同的多个水平井下，对修井管柱进行摩阻和钩载的模拟仿真计算；首先取井筒内外径，重量较小油管和重量较大油管的内外径、油管密度、修井液比热、修井液排量、修井液密度、螺杆功率、螺杆额定扭矩、累计工作时间、油管刚级、套管刚级、修井液温度、井口温度、油井温度梯度、井口压力、修井泵压参数（统称为修井参数）相同，水平井井眼轨迹不同的多个水平井进行研究，并将上述水平井井眼轨迹和修井参数，根据步骤（2）的方式分别载入到“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件中；对于不同井眼轨迹的多个水平井，针对每种水平井井眼轨迹情况再将修井管柱分成以下三种情况进行研究：修井管柱由工具串连接多根重量较小油管组成；修井管柱由工具串连接多根重量较大油管组成及修井管柱由工具串连接多根重量较小油管后再连接多根重量较大油管组成；随后根据步骤（2）的方式进入“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件“工具串设计”界面，在左侧工具栏中根据不同水平段长度的水平井井眼轨迹按照下入顺序选择工具并设置其下入深度，修井管柱工具串为：平底磨鞋+接头+水平井螺杆钻+变径+短节+油管+变径，在右侧“油管组合”中对重量较小油管下入深度进行设置，不对重量较大油管的下入深度进行设置，这样修井管柱就由工具串连接多根重量较小油管组成；再根据步骤（2）的方式进行“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件中的“通过性分析”，确认修井管柱能安全下入通过造斜段后根据前面设计好的工具串在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件主界面中选择“钻磨管柱分析”按钮，进入“钻磨管柱分析”界面进行修井管柱载荷计算，得出由工具串连接多根重量较小油管组成的修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小；重复上述软件模拟仿真步骤载入不同的多个水平井井眼轨迹和相同修井参数，在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件“工具串设计”界面左侧工具栏中根据不同水平段长度的水平井井眼轨迹按照下入顺序选择工具并设置其下入深度，修井管柱工具串为：平底磨鞋+接头+水平井螺杆钻+变径+短节+油管+变径，在右侧“油管组合”中对重量较大油管下入深度进行设置，不对重量较小油管的下入深度进行设置，这样修井管柱就由工具串连接多根重量较大油管组成；然后在进行“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件中的“通过性分析”，确认修井管柱能安全下入通过造斜段，之后根据前面设计好的工具串在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件主界面中选择“钻磨管柱分析”按钮，进入“钻磨管柱分析”界面进行修井管柱载荷计算，得出由工具串连接多根重量较大油管组成的修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小；重复上述软件模拟仿真步骤载入不同的多个水平井井眼轨迹和相同修井参数，在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件“工具串设计”界面左侧工具栏中根据不同水平段长度的水平井井眼轨迹按照下入顺序选择工具并设置其下入深度，修井管柱工具串为：平底磨鞋+接头+水平井螺杆钻+变径+短节+油管+变径，在右侧“油管组合”中对重量较小油管和重量较大油管的下入深度进行设置，这样修井管柱就由工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成，然后在进行“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件中的“通过性分析”，确认修井管柱能安全下入通过造斜段，之后根据前面设计好的工具串在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件主界面中选择“钻磨管柱分析”按钮，进入“钻磨管柱分析”界面进行修井管柱载荷计算；其中在不改变整个修井管柱的下入深度时，通过更改重量较大油管的下入深度，减小重量较小油管的下入深度改变重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系，重量较大油管以下入深度100m为初始深度，500m为下入深度增量改变重量较大油管的下入深度，减小重量较小油管的下入深度；每一次改变重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系都根据步骤（2）的方式计算一次修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小，得出由工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成的修井管柱在不同重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系下修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小；通过采取修井参数相同，水平井井眼轨迹不同的多个水平井进行研究，修井管柱在不同重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系下修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小计算发现随着重量较大油管所占整个修井管柱的比例长度增大，整个修井管柱下入到井底位置时的摩阻和钩载相应增大；当重量较大油管所占整个修井管柱的比例长度达到造斜段某值时，摩阻的增长率开始增大，钩载减小，但是摩阻的增大趋势较陡，钩载的减小趋势较缓；因此修井管柱的重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系的变化临界条件在造斜段；结合上述的研究，针对修井管柱的重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系在造斜段具体位置进行模拟分析，根据步骤（2）的方式将一口水平井井眼轨迹和修井参数载入到“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件中，然后在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件“工具串设计”界面左侧工具栏中根据不同水平段长度的水平井井眼轨迹按照下入顺序选择工具并设置其下入深度，修井管柱工具串为：平底磨鞋+接头+水平井螺杆钻+变径+短节+油管+变径，在右侧“油管组合”中对重量较小油管和重量较大油管的下入深度进行设置，这样修井管柱就由工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成，然后在进行“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件中的“通过性分析”，确认修井管柱能安全下入通过造斜段，之后根据前面设计好的工具串在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件主界面中选择“钻磨管柱分析”按钮，进入“钻磨管柱分析”界面进行修井管柱载荷计算；其中在不改变整个修井管柱的下入深度时，通过更改重量较大油管的下入深度，减小重量较小油管的下入深度改变重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系，重量较大油管以下入深度100m为初始深度，250m为下入深度增量改变重量较大油管的下入深度，减小重量较小油管的下入深度；每一次改变重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系都根据步骤（2）的方式计算一次修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小，得出由工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成的修井管柱在不同重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系下修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小；在重量较大油管的比例长度达到造斜段时以50m为下入深度增量改变重量较大油管的下入深度，减小重量较小油管的下入深度，通过修井管柱在不同重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系下修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小计算发现；其中在不改变整个修井管柱的下入深度时，当重量较大油管所占比例长度可以下入到井斜角A度井深时，修井管柱下入到井底时的钩载最大,同时相较于工具串连接多根重量较小油管或工具串连接多根重量较大油管组成的修井管柱，下入到井底时的钩载也是最大；（4）基于钻磨修井工况，修井管柱最佳下入能力分析；修井管柱下入过程中所受钩载大于0认为修井管柱可以下入，当钩载小于0后修井管柱则无法下入；因此，钩载是研究修井管柱下入深度的基础；以某水平井井眼轨迹为例，假设水平段朝一个方向无限延长，在相同的工具串组合和修井参数情况下通过软件进行模拟分析可以通过判断钩载是否为0来知道修井管柱的最大下入深度；为了研究在不改变整个修井管柱的下入深度时；由工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成的修井管柱在重量较大油管所占比例长度可以下入到井斜角A度井深时的比例关系下对比由工具串连接多根重量较小油管的修井管柱或连接多根重量较大油管组成的修井管柱的最大下入深度，判断是否工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成的修井管柱在重量较大油管所占比例长度可以下入到井斜角A度井深时下入能力最佳；基于步骤（3）所得到的由工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成的修井管柱和工具串连接多根重量较小油管组成的修井管柱或工具串连接多根重量较大油管组成的修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小，可以判断出修井管柱的深度；为了进一步验证由工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成的修井管柱当重量较大油管比例长度为井斜角A度的井深时与由工具串连接多根重量较小油管组成的修井管柱或工具串连接多根重量较大油管组成的修井管柱相比它的下入能力最佳；以某水平井井眼轨迹为例，假设水平段朝一个方向无限延长，在相同的工具串组合和修井参数情况下按照步骤（2）的方式通过软件进行模拟分析发现采用由工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成的修井管柱下入，其中重量较大油管前端下入到井斜角A度井深时，相较于工具串连接多根重量较小油管或工具串连接多根重量较大油管组成的修井管柱，下入深度最大，下入能力最佳；其中工具串连接多根重量较大油管的修井管柱的下入能力要比工具串连接多根重量较小油管的修井管柱下入能力差；（5）使用方法如下；进入“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件；用Excel表导入一口水平井井眼的轨迹数据，生成对应的“井深”，“井斜角”，“方位角”并绘制出井眼轨迹图，计算得出井眼轨迹的垂深和最大水平位移；点击主菜单上的“基本操作”按钮，弹出“基本参数设置”界面，可对“综合参数设置”，“温度参数设置”，“压力参数设置”进行设置，依次将井筒内外径，重量较小油管和重量较大油管的内外径、油管密度，修井液比热、修井液排量、修井液密度、螺杆功率、螺杆额定扭矩、累计工作时间、油管刚级、套管刚级、修井液温度、井口温度、油井温度梯度、井口压力、修井泵压参数载入到“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件中，确认无误后点击“确定”按钮，返回主界面，这样就完成了修井管柱的基本参数设置；点击主菜单上的“工具串设计”按钮，进入“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件“工具串设计”界面，在左侧工具栏中根据不同工况进行工具串组合，按照下入顺序选择工具并设置其下入深度，修井管柱工具串为：平底磨鞋+接头+水平井螺杆钻+变径+短节+油管+变径，依次点击“添加”按钮，在上方工具串表格中显示其参数；若需修改相关参数，则可直接点击 “删除”按钮，在右侧“油管组合”中可对重量较小油管和重量较大油管的下入深度进行设置；这样修井管柱就由工具串连接多根重量较小油管再连接多跟重量较大油管组成，设置完成后，确认无误后点击“确定”按钮，返回主界面，这样就完成了修井管柱的组合设计；点击主菜单上的“通过性分析”按钮，弹出“通过性分析”界面点击“下入能力计算”按钮，在“通过性分析”界面左侧图表中计算出曲率半径参数，得到最小曲率半径，右侧图表数据显示修井管柱组合，计算出单个修井管柱最大通过长度并进行判断修井管柱能否通过；点击“生成报告”按钮，在上方空白处得到分析结果；确认无误后点击“确定”按钮，返回主界面，进行下一阶段的不同工况管柱分析；基于钻磨修井工况下，根据前面设计好的工具串在“水平井钻磨管柱载荷计算与动态仿真系统”软件主界面中选择“钻磨管柱分析”按钮，进入“钻磨管柱分析”界面分别进行修井管柱载荷计算，得出整个修井管柱的下入过程中摩阻和钩载大小；其中在不改变整个修井管柱的下入深度时，通过更改重量较大油管的下入深度，减小重量较小油管的下入深度改变重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系，重量较大油管以下入深度100m为初始深度，250m为下入深度增量改变重量较大油管的下入深度，减小重量较小油管的下入深度；每一次改变重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系都根据步骤（2）的方式计算一次修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小，得出由工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成的修井管柱在不同重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系下修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小；在重量较大油管的比例长度达到造斜段时以50m为下入深度增量改变重量较大油管的下入深度，减小重量较小油管的下入深度，通过修井管柱在不同重量较小油管与重量较大油管之间的比例关系下修井管柱在下入过程中的摩阻和钩载大小计算发现当重量较大油管所占比例长度可以下入到井斜角A度井深时，修井管柱下入到井底时的钩载最大,相较于工具串连接多根重量较小油管或工具串连接多根重量较大油管组成的修井管柱，下入到井底时的钩载也是最大；根据修井管柱下入过程中所受钩载大于0认为修井管柱可以下入，当钩载小于0后修井管柱则无法下入；因此，工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成的修井管柱下入，其中重量较大油管前端下入到井斜角A度井深时，相较于工具串连接多根重量较小油管或工具串连接多根重量较大油管组成的修井管柱，下入深度最大，下入能力最佳，所以工具串连接多根重量较小油管再连接多根重量较大油管组成的修井管柱，其中重量较大油管前端下入到井斜角A度井深时该修井管柱的组合最优；如此即可得到重量较大油管具体长度和重量较小油管的长度，从而得到它们之间的比例关系。