宋执武BHA力学分析与井眼轨迹控制new(gao)

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大偏移距水平井轨迹设计方法研究

大偏移距水平井轨迹设计方法研究摘要：随着钻井技术特别是大偏移距水平井的不断发展，钻井的难度也不断增加，对钻井过程中的力学分析和计算要求越来越高。

由于大偏移距水平井需大幅度扭方位作业，加大了轨迹控制的难度，且钻具及套管受力较复杂，摩阻扭矩较大，水平段托压严重，易引发井下事故。

针对大偏移距水平井轨迹设计难点，本文通过对大偏移距水平井的定义进行阐述，分析了该类水平井的轨迹设计方法，对今后钻井工程设计及现场施工有一定的指导意义。

关键字：大偏移距；油田；钻井；水平井；大偏移距水平井的最大特点是水平位移大，裸眼段长，在斜井段的钻探过程中，不仅要增加井斜，还要对方位进行同步调整，极大地增加了钻柱和套管柱在井筒内的摩阻扭矩，严重制约了三维水平井的发展。

基于工厂化平台钻井模式普遍应用，水平井井眼轨迹逐渐往大偏移距方向发展。

一口井井眼轨迹的好坏很大程度上由井眼“狗腿”度决定。

“狗腿”度对摩阻具有很大影响，主要是因为在弯曲井段管柱的刚度效应明显增强，钻柱与井壁间的接触力增大，导致摩阻也随之增大。

一、大偏移距水平井定义三维水平井是指井口不在水平段方位线上的水平井，其井口到水平段方位线的垂直距离称为偏移距。

偏移距大于200m的三维水平井称为大偏移距三维水平井，偏移距介于100~200m的三维水平井成为中偏移距三维水平井，偏移距小于100m的三维水平井称为小偏移距三维水平井。

如图1所示，在水平投影图中，靶点A与靶点B构成的靶体与井口坐标O不共线，OD就是其偏移距。

OA是水平段的靶前位移，是AD实际有效靶前位移，大偏移距三维水平井在现场施工过程中主要参考有效靶前距AD、偏移距OD及垂深对实钻剖面进行优化，φ是水平井的设计方位角，φA、φB分别是靶点A、靶点B的闭合方位，φD为先期定向方位角。

图1 带靶前位移的大偏移距水平井概念描述图二、大偏移距水平井轨迹模型分析1、大偏移距水平井几何评价模型以往的水平井轨道设计优化及最优控制技术均是建立在数学或力学模型基础上，约束条件多、迭代次数多、计算复杂、无成形软件可供计算，对井眼轨迹实际可优化性及操作性不高。

探边工具AziTrak在开发井地质导向中的应用

第３７卷
第５期

测
井
技
术
Ｖ０Ｌ３７Ｎｏ．５
Ｏｃｔ２０１３
２０１３年１Ｏ月
ＷＥＬＬＬ０ＧＧＩＮＧＴＥＣＨＮ（）Ｌ０ＧＹ
文章编号：１００４１３３８（２０１３）０５ — ０５４７ — ０５
１ｍａｗａｙｆｒｏｍｔｈｅｔｏｐｓｈａｌｅ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｈｉｇｈａｎｄｓｔａｂｌｅｙｉｅｌｄｉｎＬＦ１３２ｏｉｌ —
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｚｉＴｒａｋｗｉｔｈｃａｐａｂｉｌｉｔｙｏｆｄｅｔｅｃｔｉｎｇｄｕａｌｂｅｄｂｏｕｎｄａｒｙｉｓａｎｅｗｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ
中图分类号：Ｐ６３１．８１文献标识码：Ａ
ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＡｚｉＴｒａｋＴｏｏｌｔｏＧｅｏｓｔｅｅｒｉｎｇｏｆＨｏｒｉｚｏｎｔａｌＷｅｌｌＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｅｘａｍｐｌｅｓ，ｔｈａｔＡｚｉＴｒａｋｔｏｏｌｄｅｔｅｃｔｓｒｅｓｅｒｖｏｉｒｔｏｐｓｈａｌｅｂｏｕｎｄａｒｙａｎｄｂｏｔｔｏｍｗａｔｅｒｂｏｕｎｄａｒｙｉｓ

盐岩层井眼缩径粘弹性分析

E
η
σ
σ
图 1 麦克斯韦模型 Fig.1 Maxwell model
因为弹簧(H)和粘壶(N)是串联的，所以弹簧的
应力 σ H 与粘壶的应力 σ N 相等，且都等于模型的总
应力σ ；而模型的总应变 ε 为弹簧的应变 ε H 与粘壶
的应变 ε N 之和，即
ε = εH +εN
(1)
对于弹簧 H，有
σ = σ H = EεH
g/cm3 g/cm3 g/cm3 g/cm3 g/cm3 g/cm3
ur
=
r 4
⎡P
⎢ ⎣
sQ
(2Pm
−σH
−σh )−
图 3 泥浆密度对井眼缩径的影响 Fig.3 Effect of mud density on wellbore shrinkage
第 23 卷第 14 期
韩建增等. 盐岩层井眼缩径粘弹性分析
1引言
油气钻井工程中，经常遇到厚度从几十米到数百米不等的盐岩层。在江汉、华北、中原、塔里木等油田，盐岩层埋深通常在 3 000～5 000 m。这种
处于较高温度和围压环境中的盐岩具有较强的流变性，井眼钻穿盐岩层后，由于岩石蠕变则会发生井眼缩径。大量的工程实践表明，盐岩层段钻井工艺复杂，井下事故频繁[1～3]，如果处理不当，可能导致埋钻具或大段井眼报废，严重阻碍了对盐岩下面的储集层的勘探开发。因此，深入研究盐岩层井眼
⎤ ⎥ ⎦
Y
σh
Pm
θ
o
(8)
σH X
P (3KP + 7Q sQ (3KP + Q
) )
(σ
H
−
σ
h
)
cos

定向井井眼轨迹预测与控制技术研究

定向井井眼轨迹预测与控制技术研究发布时间：2022-09-18T07:18:52.323Z 来源：《科学与技术》2022年10期作者：姚瑶[导读] 影响井眼轨迹的主要因素有地质特性、钻具组合结构、井眼轨迹几何形状、钻井工艺参数等姚瑶大庆钻探工程公司定向井技术服务项目经理部吉林作业部吉林松原 138000摘要：影响井眼轨迹的主要因素有地质特性、钻具组合结构、井眼轨迹几何形状、钻井工艺参数等。

在钻井过程中，预测是控制的基础，如果没有精确的井眼轨迹参数预测，就不可能实现准确的井眼轨迹控制。

通过实践经验和研究归纳总结出了一套井眼延伸方向预测的实用程序及并眼轨迹控制原则，供现场钻井施工技术人员参考。

关键词：钻井轨迹；井眼延伸方向预测；井眼轨迹控制0前言钻定向井是石油钻探开发中的重要手段之一，是一种设计目标(靶区)与井口不在一条铅垂线上的井。

钻定向井主要有五大任务：井眼轨迹控制、保持井眼稳定、保护油气层、提高机械钻速和施工管理。

在这五大任务中，井眼轨迹控制是钻井施工中至关重要的环节，它关系到能否顺利实现钻井目的。

钻井施工中影响井眼轨迹的主要因素有地质特性(地层可钻性、各向异性、地层的自然倾斜、岩石类型与强度等)、钻具组合结构(钻头类型、稳定器的位置、数量、尺寸、钻具的刚性、倾斜和弯曲等)、井眼轨迹几何形状(井斜角、井斜方位角、井眼直径等)、钻井工艺参数(钻压、转速、泵压等)。

井眼轨迹是上述诸因素互相作用的结果。

1井眼轨迹控制原则1.1既要保证中靶，又要提高钻速在实钻过程中，要随时准确地预测井眼轨迹的延伸方向，选择合适的造斜工具或钻具组合，使实钻轨迹偏离设计轨道“不要太远”。

“不要太远”的意义在于，一方面如果“太远”就可能造成脱靶，成为不合格井；另一方面如果始终要求实钻轨迹与设计轨道误差很小，势必要求非常频繁地测斜、更换造斜工具，造成多次钻进间断，增加成本，还有可能造成井下复杂情况，得不偿失。

所以，何时用更换钻具的方法来控制井眼轨迹，就成了井眼轨迹控制的关键。

大位移井轨道设计方法综述及曲线优选

大位移井轨道设计方法综述及曲线优选
宋执武;高德利;李瑞营
【期刊名称】《石油钻探技术》
【年(卷),期】2006(034)005
【摘要】井眼轨道设计是大位移井的关键技术之一.在总结前人工作的基础上,推导出了圆弧、摆线、悬链线、修正悬链线、拟悬链线、侧位悬链线、抛物线的统一计算公式.对于相同的目标点,计算出了这些曲线的井眼长度、最大造斜率、造斜段长度、下钻摩阻、起钻摩阻、滑动钻进摩阻和旋转钻进摩扭,通过赋给这些项不同的权值,然后用权值乘以各项的值与最小值的比值,最后累加,比较累加后值的大小,即可优选出最佳井眼曲线.
【总页数】4页(P24-27)
【作者】宋执武;高德利;李瑞营
【作者单位】中国石油大学(北京)石油天然气工程学院,北京昌平,102249;中国石油大学(北京)石油天然气工程学院,北京昌平,102249;大庆石油管理局钻探集团钻井工程技术研究院,黑龙江大庆,163413
【正文语种】中文
【中图分类】TE21
【相关文献】
1.大位移井摆线轨道设计方法 [J], 卢明辉;管志川
2.大位移井钻井摩阻预测及井眼轨道优选 [J], 董德仁;齐月魁;何卫滨;泰建民
3.大位移井钻井摩阻预测及井眼轨道优选 [J], 董德仁;齐月魁;何卫滨;泰建民
4.小靶前距水平井反位移轨道设计方法 [J], 马开良;陈小元;王建;窦正道;莫钺
5.基于多目标优化的大位移井轨道设计方法 [J], 贾江鸿;韩来聚;窦玉玲;闫振来;黄根炉;马庆涛
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底部钻具组合二维分析新方法

底部钻具组合二维分析新方法
宋执武;高德利
【期刊名称】《中国石油大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2002(026)003
【摘要】提出一种用于分析底部钻具组合稳定器处的轴向力的新方法,即认为轴向力方向应与钻柱切线方向一致,其大小不应忽略井壁支反力的影响.在此基础上,采用加权余量法推导出一套用于计算底部钻具组合二维受力和变形的新的公式.实例计算结果表明,由于该公式考虑影响因素更全面,因而其计算结果更具合理性,与钻柱实际受力情况更加相符,且计算过程更为简便、快捷.
【总页数】4页(P34-36,40)
【作者】宋执武;高德利
【作者单位】石油大学石油天然气工程学院,北京,102249;石油大学石油天然气工程学院,北京,102249
【正文语种】中文
【中图分类】TE21
【相关文献】
1.底部钻具组合三维静力分析的新方法 [J], 孔凡忠;吕英民
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4.基于二维小波分析的配电网单相接地故障选线新方法 [J], 李晶
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DX1709小井眼侧钻水平井轨迹控制技术研究与实践

DX1709小井眼侧钻水平井轨迹控制技术研究与实践发布时间：2022-05-06T02:27:26.292Z 来源：《科学与技术》2022年2期作者：李峰，树平，地力木拉提·热西提，那春雨，邹明[导读] DX1709井是为了提高滴西14二叠系梧桐沟组下气层产能和储量动用李峰，树平，地力木拉提·热西提，那春雨，邹明中国石油西部钻探井下作业公司摘要：DX1709井是为了提高滴西14二叠系梧桐沟组下气层产能和储量动用，而进行的一口侧钻水平井。

但由于地质条件复杂，井眼小，水平位移长，钻井难度较大，定向井钻井过程中存在机械钻速慢、钻压传递困难、井眼轨迹控制难度大等问题，限制了定向井在开发钻井中的效益。

通过研究分析该区域地质特征、钻井难点以及已钻邻井情况，制定了相应的技术对策，在该井的应用取得了较好的技术效果，为该区域侧钻水平井单井安全提速创效工作积累了经验，对于其它类似区域也具有很好的借鉴意义。

关键词：水平井；技术难点；轨迹控制；提速一、区域地质概况滴西地区梧桐沟组气藏位于准噶尔盆地陆梁隆起东南部的滴南凸起西部，该区二叠系梧桐沟组地层与上覆三叠系百口泉组地层整合接触，与下伏石炭系地层呈不整合接触，自下而上分为梧一段（P3wt1）和梧二段（P3wt2）两个亚组，其中气层分布在梧桐沟组一段（P3wt1），地层分布稳定，厚度在60m～80m左右（见附图5）。

DX1709井是滴西17石炭系气藏部署的一口开发井，位于滴西176岩体西北部。

2014年4月4日开钻，6月10日完钻，完钻井深3800m，完钻层位石炭系巴山组。

该井二叠系梧桐沟组和石炭系均见油气显示，其中二叠系梧桐沟组钻遇储层岩性主要为灰色细砂岩，电测解释气层2段6.6m，石炭系巴山组钻遇储层岩性主要为玄武岩，电测解释气层5段32.6m。

2014年7月~8月该井在石炭系巴山组、二叠系梧桐沟组试气，试气结论分别为“含气水层”和“气层”。

滴西14二叠系梧桐沟组气藏东部试气结果显示，DX1709井日产气仅1.856×104m3。

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L2 n1
24 EI n1 qn1 X un1
en1 en
M0 0
单稳计算公式
M0 0
计算公式
钻头侧向力
算例
单稳定器降斜钻具组合：钻头直径 216mm ，第 1 稳定器直径 216mm，第1 稳定器至钻头距离 L1=18m，钻铤外径159mm，钻井液密度为1.2g/cm3，井斜角为5，井眼直径为 216mm 。钻压为 100kN ，求钻头侧向力（ E = 199810000.）
• 1966年，Merphey和Cheatham发表论文，研究了光钻铤钻具在直井眼和具有定曲率二维井眼中的受力与变形，得到了钻头和上切点间钻柱的弹性线微分方程式。他们的方程虽然在形式上与A.Lubinski的不同，但解法和结果都相同
文献综述（2）
• 1973年，Walker应用弹性力学的势能原理求解钻具组合受力和变形问题。后来他根据弹性理论中的弯曲扭转杆件理论，考虑了扭矩的作用，对BHA作了三维分析，并采用逆解法求解。
前言
底部钻具组合，既受横向载荷作用，又受轴向力作用，同时受井眼约束，其受力和变形比较复杂，属于纵横弯曲非线性力学问题。
通过底部钻具组合（BHA）力学分析，可确定钻头对地层的机械作用力和钻头指向，从而在主观上为井眼轨迹预测和控制提供定量依据。
基本假设
1. 底部钻具组合各结构单元处于弹性状态； 2. 底部钻具组合各结构单元可以具有任意几何尺寸和材料性质，但
• 近年来，张学鸿、刘巨保、吕英民、帅健等用不同的有限元法求解 BHA的受力和变形。
纵横弯曲法
单跨受力分析
计算公式
计算公式
计算公式
计算公式
计算公式
方程推导
方程推导
计算公式
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任一点处弯矩
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q 2
sin x2
d2y M x EI dx2
权余法
M A 2EIc2 Ra 6EIc3 Pac1 x
文献综述（1）
• 1950年，Lubinski研究了竖直井中钻柱的受力与变形，提出了钻柱多次弯曲的观点。他导出了非线性三阶微分方程，并用贝塞尔函数表示该方程的解。后来他放弃了竖直井筒的假设，导出新的钻柱受力变形的微分方程，采用迭代法求解，并将结果制成了实用图表。
• Hoch首先提出了井眼曲率对下部钻具组合力学特性的影响，分析了弯曲井眼中多稳定器满眼钻具组合。他在进行理论分析时，把上稳定器处视为铰链连接是不符合实际情况的，因而导致较大误差。另外，他还不恰当地运用了线性力学体系的迭加原理。对此，西南石油学院扶正器小组专门撰文作了详细讨论。
• 1974年，Brakley和Fischer分别用有限差分法求解弯曲井眼中BHA 的受力和变形。
• 自1978年起，Millheim发表多篇文章，用有限元素法求解BHA的受力和变形。
• 自1977年起，白家祉提出用纵横弯曲连续梁法求解BHA的受力和变形。
• 1988年，高德利等提出用权余法来求解BHA的精确控制微分方程，并编成了软件。
底部钻具组合力学分析
宋执武
前言
① 影响定向钻井轨迹的主要因素包括：底部钻具组合（BHA）、钻头、钻井参数（钻压、转速、扭矩及液压等）、井眼约束及待钻地层，等。其中，BHA、钻头及钻井参数，是可以人为设计控制的主观因素，而地层则是不可忽视的客观因素；实际钻成的井眼轨迹，在钻前是预测和控制的对象，而在钻后则可通过测斜与计算加以描绘。
0
边界条件
y(0) 0 EIy '' (0) M A
y(l) 0 EIy '' (l) M B
公式中的参数
c1
q sin l 3 M A M B
12
24 EI
分段保持为常数； 3. 钻头居于井底中心，钻头和地层间无力偶作用； 4. 井眼为圆形，且对底部钻具组合刚性支承（在接触点处）； 5. 在切点以上，钻柱躺在井眼低边； 6. 井壁为刚性体，井眼尺寸不随时间而变化； 7. 稳定器与井壁之间的接触为点接触； 8. 不考虑转动和振动的影响。 9. 忽略钻柱和钻井液的动力效应。
12EIc4
q sin
2
Pa c2
x 2
Pac3 x3
Pac4 x 4
0
根据权余法中的子域法，将上式的左端从0到l 积分，消去内部残值，经过计算并化简可得：
EI
2c2 3c3l 4c4l 2
Pa
c1l 2
c2l 2 3
c3l 3 4
c4l 4 5
ql 2 6
sin
MA
Ral 2
权余法分析
根据三弯矩方程法，将底部钻具组合由稳定器处断开，将两稳定器的中心连线作为x轴，垂直于x轴，指向井眼高边的方向作为y轴，则每一跨的受力情况如图。
挠度试函数
根据权余法，将原点设在每一跨的上稳定器中心上，则其挠度试函数为：
4
y ci xi i 1
A点支反力
对B点取矩并整理，可求得A点支反力：
② 实钻井眼轨迹的形成，是钻头与地层相互作用的结果，既有赖于主观因素，也必然受到客观因素的影响。同时，已钻成的井眼不仅对 BHA 的力学行为具有较大的约束作用，而且对所钻地层的各向异性钻井效应具有不可忽略的影响。
①地层 ②BHA ③钻头 ④钻井参数 ⑤井眼约束
① 高德利，刘希圣，徐秉业.井眼轨迹控制.石油大学出版社，1994 ② 高德利.井眼轨迹控制问题的力学分析方法.石油学报，1996,17(1)：115-121
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