超短半径水力水平井工具设计说明书

北京机械工业学院（毕业设计）1第一章 绪论1.1 前言径向水平井钻井技术系统由地面设备和井下工具系统两部分组成。地面设备包括作业机、压裂成组设备、井口装置 ( 包括井口密封、进液三通 ) 、 数据采集和处理系统及地面运动控制装置等 ; 井下工具系统包括段铣工具、扩孔工具和径向水平井钻井工具。段铣工具和扩孔工具是整个作业工艺中的 重要前期准备工具。径向水平井钻井工具是整个技术的核心，包括转向器、高压管柱、钻杆、钻头和 钻杆运动控制器等。其中转向器又是整个技术的关键。水力水平钻井射孔深度一般可达到 820m，井眼尺寸达 70mm 以上。采用水力水平钻井技术可实现井筒与地层间的有效连通，形成极小转向半径的微型水平井，有效穿透近井带污染层;一次下井可在不同深度或同一深度的不同方位完成多次钻孔作业，形成多个水平井眼。运用水力水平井技术的目的是提高油气藏的采收率以及为油田增产增注服务，但是由于其成本较高，并不是所有的油田都适用。1.2 国内外发展状况1.2.1 高压水射流径向水平钻井系统说明高压水射流径向水平钻井系统涉及高压水射流径向水平钻井用的特殊设备 , 尤其是钻杆超短半径转向和完全高压水射流破岩的水平钻井的专用井下器具及其最佳组合。水平钻井技术是目前钻井行业的前沿技术。高压水射流径向水平钻井系统又称超短半径水平钻井技术，是用来在井下完成超短半径水平井眼的特殊器具和作业方法。其基本实现方法是在一口预备的垂直套管井中 , 用常规磨铣或段铣的方法切去所需长度的井下套管段 , 接着下入特制的径向水平钻井的井下扩孔器 , 将套管段铣位置扩大到所需尺寸 , 形成一个扩孔腔中；然后 , 将高压水射流径向水平钻井系统的专用器具下入套管井眼和这个扩孔腔中 , 进入工作状态后 , 地面高压泵车向本实用新型的工作管柱中注入高压钻井液 , 高压钻井液驱动钻杆即中空无缝钢管以极短的弯曲半径通过钻杆转向器而水平进入地层 , 并从北京机械工业学院（毕业设计）2钻杆前端的钻头高速旋转射出而破碎地层岩石 , 实现高压水射流径向水平钻井 , 达到增大油层裸露面积 , 高效开采地下油矿。高压水射流径向水平钻井技术可在同一垂直井中的多个井下油矿层位进行高压水射流径向水平钻井作业 , 每个层位可以横向钻入多个呈辐射状的径向水平井 , 每个径向水平井长度达到30 60 米 , 它是老油田增产增收的强有力措施。高压水射流径向水平钻井技术可解决以下问题 :1. 开发浅油层、薄油层和低渗透油层 ;2. 钻开垂直裂缝的油气藏 ;3. 减少或替代打垂直调整井 ;4. 减少或避免气锥水锥现象的产生 ；5. 用于开采地下碱层、盐层及其他矿藏。2 高压水射流径向水平钻井国内外状况国外径向水平钻井技术研究始于20世纪70年代末 ,80年代中期投入工业试验 ,80年代末期形成 “ 超短半径径向井系统 ”(URRS ) , 进入商业应用。至 1992 年底 , 已在加拿大和美国等地钻了 1000 多口径向水平井眼 ; 这些径向水平井有的是 在垂直井的同一 油层中钻入的 , 有的是在不同油层 中钻入的 , 每个垂直井中所钻层位最多达 5 个 , 每 个层位钻入的辐射状径向水平井最多达 20 个 , 实现了在多个层次钻多个辐射状径向井的技术计划。 对于这些径向井眼 , 大部分进行了测井和包括裸眼 技术、柔性防砂管技术及双向砾石充填技术完井。 径向井眼的长度一般在 846 m, 比垂直井产能提 高 210 倍 , 平均原油增产 24 倍 1。20 世纪 90 年代以来 , 径向水平井钻井技术有了不断的发展和完善。 2000年以来的有关文献表明 , 美国和加拿大等地区还在继续应用和探索径向水平并钻井技术 2。在我国 ，径向水平井钻井技术是油井增产的一项强有力的措施，特别适合于低渗透油田的开发，对钻井也有着重要意义。从 20 世纪 90 年代初开始 ,中国石油 天然气集团公司 (CNPC) 科技发展部组织了江汉机械研究所等科研单位 , 对“径向水平井钻井综合配套技术” 进行了攻关研究。北京机械工业学院（毕业设计）31.3 水平钻井技术系统工作原理水平径向钻井系统的工作原理是：先用磨铣工具和扩孔工具完成扩孔腔的施工后，再下入转向器等井下钻井工具，并使各工具按规定的技术指标就位固定，然后开始水平径向钻井。该系统的地面钻井泵以 913L/S的排量提供压力为5569MPa的钻井液，钻井液经井口进液接头进入高压管柱内，再由位于高压管柱内腔的钻柱上端开口进入其内腔，流向钻头，由钻头以244277m/s的速度旋转射出破碎岩石，达到钻井的目的。在这个过程中，水力起到两个方面的作用：1.喷射切割地层；2.驱动钻柱运动并使之穿过转向器实现由垂直向水平方向转向而进入地层。1.4 水平钻井技术的主要特点和应用径向水平钻井技术的主要特点是：（1） 钻杆以极短的弯曲半径（约0.3m）通过转向器实现从垂直方向到水平方向的转向；（2） 钻进为完全的高压水射流破岩和液压推动技术；（3） 径向水平井从已下入套管的垂直井眼中钻入，并可在井下一个层位和多个层位布置多个辐射状的径向水平井眼；（4） 钻管为高强度，高韧性的电阻焊接管或无缝钢管，并可在弹塑料状态下工作；（5） 具有比较特殊的测井和完井技术。水平径向井可以在以下几个方面得到应用：（1） 开采浅油层和薄油层；（2） 横向钻开垂直油藏裂缝；（3） 高效开发低渗透油藏和压力竭油藏；（4） 与热采技术结合，开采稠油地层；（5） 减少或避免气锥和水锥现象的产生；（6） 替代打调整井，加密井；（7） 用于其他矿藏的开发。北京机械工业学院（毕业设计）4第二章 水平井工具的分析2.1 引言超短半径径向钻井系统的基本原理是在一钻好的垂直井中完成扩孔工艺后，下入径向水平井钻井工具系统，地面压裂车向系统中泵入高压钻井液，由此产生的高压液力驱动钻杆以极短的弯曲半径（约 0.3 米）通过井下转向器实现从垂直方向到水平方向的转向，同时，高压钻井液由钻杆前端的钻头高速射出，破碎岩石。主要技术参数：锻铣扩孔尺寸：660mm2500mm 以上工作压力： 55MPa 左右排量：913L/S径向水平井喷射钻井深度：820m 径向水平井眼尺寸：70mm 以上。2.2 钻杆通过转向器的受力分析水平径向钻井系统的工作原理是：先用磨铣工具和扩孔工具完成扩孔腔的施工后，再下入转向器等井下钻井工具，并使各工具按规定的技术指标就位固定，然后开始水平径向钻井。该系统的地面钻井泵以 913L/S 的排量提供压力为 5569MPa 的钻井液，钻井液经井口进液接头进入高压管柱内，再由位于高压管柱内腔的钻柱上端开口进入其内腔，流向钻头，由钻头以 244277m/s 的速度旋转射出破碎岩石，达到钻井的目的。在这个过程中，水力起到两个方面的作用：1.喷射切割地层；2.驱动钻柱运动并使之穿过转向器实现由垂直向水平方向转向而进入地层。水力切割地层主要通过水力喷射钻头加速钻井液和旋转钻井液完成的；驱动钻柱则是依靠作用在钻柱上端和下端的静液压力。上端和下端的静液压力可大致地理解为：在钻柱上端，作用在其内径和外径之间的环形面积上的液压力可产生一个推动钻柱前进的推力；在钻柱下端，作用在钻杆内径与钻头孔径间的环形面积上的液压力则产生一个相对上北京机械工业学院（毕业设计）5端钻柱的拉力。一般情况下，拉力的大小约为推力的两倍。1. 钻柱受力分析钻柱受力为：钻井液作用在钻柱上端的推力 P1和作用在钻柱下端的拉力 P2；钢丝绳对钻柱的拉力 T；转向器对钻柱的总阻力 N，它在 X方向和 Y 方向上的分力分别为 NX和 NY；径向井眼对钻柱的阻力为 R；井下密封对钻柱的摩擦阻力 R1。将受力模型作进一步简化，同时不考虑转向器滚轮对钻柱的摩擦力，可进一步明确钻柱各受力之间的关系。钻柱受三个力的作用：液压驱动P（P=P 1+P2） ；转向器对钻柱的支反力 N（N=N X+NY） ；径向井眼对钻柱总阻力 R。系统平衡时，P=N Y，R=N X。当径向井眼阻力 R 增大时，N X必然增大，由于转向器支反力方向始终为滚轮与钻柱接触点轮弧法线方向，故 NX的增大必然引起 NY增大，从而导致对液压驱动力 P 的需求增大。对转向器入口上段钻柱进行研究，设其上端受压力 P， 作用，下端受阻力 N， 作用，则P， =P1-T （1）N， =NY+R1-P2 （2）钻柱工作时要求P， =N， Plj （3）由于径向水平井转向器以上一段钻柱的长度与所设计的径向井长度基本相等，而钻柱本身截面积较小，故所讨论的压杆为细长杆。根据欧拉公式，临界压力为Plj= （4）22)/(uLEI式中 I-截面惯性矩， ，644dDd 和 D 分别为钻柱内径和外径；E-材料的弹性模量；u-长度系数；L-杆长。现以实例说明钻柱的稳定性。假设系统的液压力为 60MPa，钻柱为北京机械工业学院（毕业设计）6323无缝钢管，设压杆为一端固定，一端铰接杆，则 u=0.7,取 L=5000，E=2.110 5MPa，那么，可计算出 Plj=4.91kN,而钻柱上端推力 P1=16.4kN。由式（1）知，若不严格控制 T 的大小，P ， 很容易超出 Plj，导致钻柱失稳而无法工作。钻柱 L 较长时，由式（4）知，临界压力 Plj会较小，所以应慎重使用推力作动力。若要钻柱安全地工作，钻柱应为拉杆。2.3 径向水平井转向器轨迹优化设计为了降低径向水平井转向器对柔性钻柱的阻力,对转向器的轨迹参数进行了优化设计。根据经验公式,建立了转向器轨迹参数优化设计的数学模型,并采用内点惩罚函数法处理和运算,得出转向器轨迹最优设计参数: =25.5,=349.9 ,=-1.4,对应转向器最小阻力 =6.1975。考虑到摩擦阻力的存在,对阻力公式进行了修正, 修正系数 取 1.51.8, 从而预测出优化后的转向器实际阻力 在9.296311.1555之间。通过基于5.4 的数值模拟试验方法,对钻柱通过不同轨迹的转向器做受力计算,最后由回归分析法得出了转向器阻力 与转向器轨迹参数之间的关系 =11.4231+ 0.3291 1- 3.0638 2+2.0068 3+0.3151 1 2-0.4991 1 3-0.4076 2 3+1.2225 1+1.5065 2+2.1703 3 (1)其中 1=0.125- 3.5 2=0.01- 3 3=0.333 (2) 1=0.015625 2-0.875+11.52 2=0.0001 2-0.06+8.27 3=0.111111 2-0.73 (3)式中 转筒与垂直方向的夹角,取值范围: 2036;转向器轨迹最小弯曲半径,取值范围:200 350; 矫直转筒对钻柱的矫直偏量,取值范围:-33。由经验公式(1)(3) 可知,转向器轨迹优化设计数学模型的设计变量有 3 个:、; 目标函数()即为转向器阻力; 约束条件来源于北京机械工业学院（毕业设计）73 个变量的取值范围,共有 6 个。将式(2)、(3)代入式(1),整理后得出下面经验公式: =0.0191 2+0.000151 2+0.2411 2+0.000394 -0.001357-0.0208-1.1468-0.132+1.6572 +47.7289 (4)根据优化设计 2要求,建立如下数学模型。设计变量= 1 2 3 = 目标函数 min()=0.0191 12+0.000151 22+0.2411 32+ 0.000394 1 2-0.001357 2 3-0.0208 1 3-1.1468 1-0.132 2+ 1.6572 3+47.7289 (5) 设计约束: 1()= 1-200 2()=36- 10 3()= 2-2000 4()=350- 20 5()= 3+30 6()=3- 301 优化方法的选择从式(5)可以看出 ,目标函数为多变量非线性函数,且为不等式约束,因此选取内点惩罚函数法来求解这个问题。其惩罚函数为(, () )=()+ () () (6)2 初始点 (0)的选择根据内点法的要求,初始点 (0)应严格满足设计约束条件。根据转向器的实际应用情况及设计经验,选取初始点 (0)= 28, 300, 0 。(1) 取初始惩罚因子 (1)=8;取满足所有约束条件的初始可行点为 (0)= 28, 300, 0 ;递减系数=0 .1;收敛精度 =10 -6。(2) 用无约束最优化方法求 min(, () )的极值点 ( () )。(3) 检验终止准则。如果满足 ( (-1) )- ( () ),则停止迭代计算,得最优点 = ( () ),否则转入下一步。北京机械工业学院（毕业设计）8(4) 取 (+1) = () , (0)= ( () ),=+1,转向第(2)步。 （5）优化结果 通过用编程运算,得最优解为: = 25.5, 349.9, -1.4 , ( )=6.1975。转向器阻力公式的修正转向器的实际阻力要比式(4)计算出的阻力大,这是由于式(4)不包含转向器与钻柱间产生的摩擦阻力。设转向器的实际阻力为 ,则 = + (8)式中 转向器与钻柱之间产生的摩擦阻力。为了进一步弄清 与 之间的关系,令 = (9)式中 阻力修正系数。经理论分析和反复试验,可取 =1.51.8。根据式(8),由于 =6.1975,则转向器优化后的实际阻力 在 9.296311.1555之间。2.4 钻杆通过转向器力学分析1.材料特性根据钻杆出厂性能测试报告，钻杆材料的屈服值为 =395400 , =535555 ,选择变形体的模型为弹性线性强化模型,取 =400 , =560,弹性模量=2.1 105;泊松比=0.3; 密度 =7.8 103 kg/ 3。2.实体模型的建立选择 solid45 单元(六面体单元)为钻杆的变形单元, 在建模时,还会用到 solid42 单元 (四边形单元)作为辅助单元。首先按照转向器的轨迹参数 1、 1、 和 2 在中创造转向轨迹线,再在轨迹线上端作出生产管的顶部环形面,选择 solid42 单元将环形面划分成若干平面四边形单元,再选定 solid45 单元,设置单元尺寸大小,=30 ,用 Extrude 命北京机械工业学院（毕业设计）9令将 solid42 单元沿转向轨迹线拉伸,即获得所要分析钻杆的实体单元。3.边界条件的处理将转向器的各个滚轮转化为加在钻杆上的约束,约束的方向为钻杆上所加结点的法向方向,在钻杆的竖直段和水平段也加上适当的约束。为防止钻杆失稳,模拟实际工况,在轴方向也加有少量约束。在钻杆上端平面的边界上选择间隔 90的 8 个节点(既兼顾数据处理量,又不失计算精度) 的轴方向上施加位移载荷,并使、方向的位移载荷为零。为了