各种钻具组合设计方法

一、直井下部钻具组合设计方法(一)钻铤尺寸及重量的确定1.钻铤尺寸的确定(1)为保证套管能顺利下入井内，钻柱中最下段（一般不应少于一立柱）钻铤应有足够大的外径，推荐按表1选配。表1：与钻头直径对应的推荐钻铤外径钻头直径钻铤外径142.9～152.4104.7～120.6158.8～171.4120.6，127.0190.5～200.0127.0～158.8212.7～222.2158.8～171.4241.3～250.8177.8～203.2269.9177.8～228.6311.2228.6～254.0374.6228.6～254.0444.5228.6～279.4508.0～660.4254.0～279.4(2)钻铤柱中最大钻铤外径应保证在打捞作业中能够套铣。(3)在大于190.5mm的井眼中,应采用复合(塔式)钻铤结构(包括加重钻杆)，相邻两段钻铤的外径差一般不应大于25.4mm。最上一段钻铤的外径不应小于所连接的钻杆接头外径。每段长度不应少于一立柱。(4)钻具组合的刚度应大于所下套管的刚度。2.钻铤重量的确定：根据设计的最大钻压计算确定所需钻铤的总重量,然后确定各种尺寸钻铤的长度,以确保中性点始终处于钻铤柱上，所需钻铤的总重量可按式(1)计算：Wc=PmaxKs/Kf………………………………………(1)其中：Kf=1-ρm/ρs式中：Wc——所需钻铤的总重力，kN；Pmax——设计的最大钻压，kN；Ks——安全系数，一般条件下取1.25，当钻铤柱中加钻具减振器时，取1.15；Kf——钻井液浮力减轻系数；ρm——钻井液密度，g/cm3；ρs——钻铤钢材密度，g/cm3。(二)钟摆钻具组合设计1.无稳定器钟摆钻具组合设计：为了获得较大的钟摆降斜力,最下端1～2柱钻铤应尽可能采用大尺寸厚壁钻铤。2.单稳定器钟摆钻具组合设计(1)稳定器安放高度的设计原则：a.在保证稳定器以下钻铤在纵横载荷作用下产生弯曲变形的最大挠度处不与井壁接触的前提下,尽可能高地安放稳定器。b.在使用牙轮钻头、钻铤尺寸小，井斜角大时，应低于理论高度安放稳定器。(2)当稳定器以下采用同尺寸钻铤时,可用式(2)计算稳定器的理论安放高度：Ls={[-b+（b2-4ac）1/2]/2a}1/2……………………（2）其中：b=184.6P(0.667+0.333e/r)2(r-0.42e-0.08e2/r)α=π2qsinαc=-184.6π2EI(r-0.42e-0.08e2/r)式中：Ls——稳定器的理论安放高度，m；p——钻压，kN；e——稳定器与井眼间的间隙值，即稳定器外径与钻头直径差值之半，m；r——钻铤与井眼间的间隙值，即井眼直径与钻铤外径的差值之半，m；q——单位长度钻铤在钻井液中的重力，kN/m；α——井斜角，（°）；EI——钻铤的抗弯刚度，kN·m2。(3)稳定器的实际安放高度一般在计算的理论高度的90%以内。a.根据实际钻铤单根长度确定的长钟摆钻具组合,应用式(3)、（4）分别计算使用这种组合在钻压一定时的允许最大井斜角αmax和井斜角一定时的允许最大钻压Pmax：αmax=arcsin[184.6π2EI(r-0.42e-0.08e2/r)/（π2qL4）-184.6PL2(0.667+0.333e/r)2(r-0.42e-0.08e2/r)/（π2qL4）]…………………………(3)Pmax=[184.6π2EI(r-0.42e-0.08e2/r)-π2qL4sinα]/[184.6L2(0.667+0.333e/r)2(r-0.42e-0.08e2/r)]……………………………(4)式中：L——稳定器的实际安放高度，m。b.当稳定器与井眼间的间隙e值趋于零时,式(3)、式（4）可分别简化为；αmax=arcsin[（184.6π2rEI—82.04PrL）/π2qL4]…(5)Pmax=（184.6π2rEI—π2qL4sinα）/82.04rL2………(6)(三)多稳定器钟摆钻具组合设计：多稳定器钟摆钻具组合是在单稳定器钟摆组合的稳定器上,每间隔一定长度(一般是单根钻铤)再安放1～3只稳定器。3.钻具减振器安放位置(1)钻具减振器的安放位置应尽量靠近接头。(2)在钟摆钻具组合中,钻具减振器一般应直接安放在钻头之上。4.钻具震击器安放位置(1)为防止震击器早期损坏,不得将震击器安放在中性点附近。(2)钻具震击器安放在钻柱受拉部位,推荐在轴向应力零点以上的1个立柱。三、定向井下部钻具组合设计方法(一)钻铤尺寸及重量的确定：1.钻铤尺寸的确定(1)在斜井段使用的最下一段（应大于27m）钻铤的刚度应适用于设计的井眼曲率。(2)入井的下部钻具组合中，钻铤的外径应能满足打捞作业。(3)钻头直径与相应钻铤尺寸范围的要求见表1。表1：钻头直径与相应的钻铤尺寸mm（in）钻头直径钻铤直径120.7(43/4)79.4(31/8)152.4(6)104.8(41/8)215.9(81/2)158.8(61/4)241.3(91/2)158.8(61/4)311.2(121/4)203.2(8)444.5(171/2)228.6(9)2.无磁钻铤安放位置及长度的确定（略）3.钻铤重量的确定(1)常规定向井中钻铤重量的确定：根据设计的最大钻压，确定所需钻铤的总重量，再确定钻铤尺寸和长度。所需钻铤在空气中的总重量按式（1）计算：G1=pk/fcosα……………………………………（1）式中：Gi——所需钻铤在空气中的总重量，kN；p——设计的最大钻压，kN；k——安全系数，可取1.2～1.5；f——钻井液浮力校正系数；α——井斜角，（°）。(2)深定向井及难度较大定向井中钻铤重量的确定：为了减少钻柱的扭矩、摩擦阻力以及高密度钻井液造成粘附卡钻的可能性，可采取加重钻杆、普通钻杆和铝合金钻杆代替钻铤加钻压，但应进行稳定性分析计算。钻杆开始弯曲时的临界压缩载荷按式（2）计算：Fmax=2（9.8feIρAsinα/γ）1/2………………(2)式中：Fmax——钻杆开始弯曲时的临界压缩载荷，KN；E——弹性模量可取2.059×1011N/㎡,N/㎡；ｆ——钻井液浮力校正系数；Ｉ——管材的轴惯性矩，ｍ4；ρ——管材密度，１／ｍ3；Ａ——管材横截面积，ｍｍ2；α——井斜角，（°）；γ——钻杆与井眼间的间隙值，ｍｍ。钻杆稳定性设计所需的条件按式（３）计算：Ｆmax＞p-Wcosα……………………………………（3）式中：p——设计的最大钻压，kN；W——下部钻具组合钻杆以下钻铤的浮重，kN；应用式（2）和式（3）确定钻铤、加重钻杆、普通钻杆和铝合金钻杆重量。(二)螺杆钻具定向井造斜钻具组合的设计1.螺杆钻具有以下四种基本型式：弯接头式、单弯壳体式、同向双弯壳体式、异向双弯壳体式。2.弯接头度数的确定:使用井下动力钻具定向造斜时，弯接头度数的确定根据井眼轨迹所需造斜率结合该区的地层造斜特性、钻井参数等因素综合考虑。表3、4仅供参考。3.钻井队一般配备0.5°、1°、1.5°、2°、2.5°等五种规格的弯接头。4.钻头与井底动力钻具之间，一般不能加配合接头。表3：螺杆钻具预计造斜率（弯接头式）工具尺寸mm(in)98.4(37/8)127.0(5)165.1(61/2)196.9(73/4)244.5(95/8)弯接头角度（°）井径mm(in)造斜率m100井径mm(in)造斜率m100井径mm(in)造斜率m100井径mm(in)造斜率m100井径mm(in)造斜率m1001.0108.013.1152.411.5212.78.2250.88.2342.96.61.5(41/4)14.8(6)15.6(83/8)11.5(97/8)12.3(131/2)9.82.018.118.014.816.414.81.0120.7(43/4)9.8171.5(63/4)9.8250.8(97/8)5.7269.9(105/8)6.6381.0(15)5.71.511.513.99.811.58.22.013.116.412.313.912.32.516.418.916.418.016.41.0149.2(57/8)6.6200.0(77/8)8.2269.9(105/8)4.1311.2(121/4)5.7444.5(171/2)4.11.58.211.56.68.27.42.09.814.89.811.59.82.511.518.013.116.414.8表4：螺杆钻具预计造斜率（弯壳体式工具尺寸mm(in)98.4(37/8)127.0(5)165.1(61/2)弯接头井径造斜率井径造斜率井径造斜率(三)转盘钻增斜钻具组合：1.转盘钻增斜钻具按增斜能力的大小分为强增斜、中等增斜、弱增斜三种组合，基本尺寸要求见表5。在定向井钻井中，一般应设计多稳定器组合。单稳定器组合在井斜较小（小于30°）时，井眼方位稳定性差；在稳斜组合中，降斜率较大，不易稳斜。表5：转盘钻增斜钻具组合稳定器安放高度基本型式稳定器安放高度mL1L2L3强增斜1.0～1.8//中等增斜1.0～1.818～27/弱增斜1.0～1.89～1892.稳定器组合的受力及安放高度的计算，推荐采用纵横弯曲连续梁法计算，也可采用有限单元法计算。每一口井的钻具组合计算，应采用同一个计算机程序。3.调整钻头侧向力的一般方法：(1)改变近钻头稳定器与钻头之间的距离（L1）；(2)改变稳定器之间的距离或钻铤尺寸；(3)改变钻压；(4)调整稳定器与井壁的间隙。(四)一般定向井队应配备1.5m、2m两种规格的短钻铤。(五)为获得较高的侧向力，近钻头稳定器与钻头之间应有一定距离。(六)用单稳定器组合钻进的井眼，若需下入多稳定器组合，必须逐渐增加稳定器的个数进行扩划眼。(七)多稳定器组合钻进时，蹩劲较大，起钻时易遇阻，操作时一定要小心，最好除近钻角度（°）mm(in)m100mm(in)m100mm(in)m1000.75152.4(6)9.8222.3(63/4)-250.8(97/8)-1.0013.1--1.2516.413.1-1.5019.723.0-1.75---0.75171.5(63/4)3.3250.8(97/8)-269.9(105/8)-1.006.6--1.259.88.2-1.5016.49.8-1.75-13.1-0.75200.0(77/8)3.3269.9(105/8)-311.2(121/4)-1.006.6--1.2511.23.3-1.5013.16.6-1.75-9.816.4头稳定器外，其它均采用变径稳定器。四、转盘钻稳斜钻具组合：(一)转盘钻稳斜钻具组合按稳斜能力大小所分为强稳斜，中等稳斜、弱稳斜组合三种基本型式，基本尺寸要求见表6，一般地说，只要安放距离合适，稳定器越多，稳斜能力越强，稳定器越少降斜就越大。(二)设计稳斜钻具组合主要是尽可能减少钻头上的侧向力，使井眼曲率无大的变化。(三)在硬地层或研磨性地层中稳斜钻进时，如果扭矩过大或钻头与稳定器的直径磨损严重，可把螺旋稳定器换成滚轮稳定器。表6：转盘钻稳斜钻具组合稳定器安放高度基本型式稳定器安放高度（m）L1L2L3L4L5强增斜0.8～1.24.5～69.099中增斜1.0～1.83～69～189～27/弱增斜1.0～1.84.59//(四)长井段及大井斜角井段中稳斜钻进时，应采用弱增斜钻具组合（即增加近钻头稳定器与中稳定器之间的距离）钻进，以平衡钟摆降斜力，达到长井段稳斜的目的。(五)为加强稳斜效果，可将近钻头稳定器串联使用。(六)可采用井底动力钻具带稳斜组合稳斜钻进。(七)每套稳斜钻具组合的稳斜效果分析至少应在钻进两个组合长度后才可确定。一般多稳定器稳斜组合可控制井斜变化率在±0.5～2.5°/100m范围内。五、转盘钻降斜钻具组合：(一)按降斜能力分为强降斜、弱降斜两种基本型式，基本尺寸要求见表7表7：转盘钻降斜钻具组合稳定器安放高度基本型式稳定器安放高度（m）L1L2强降斜9.8～2