石油钻井定向井水平井轨迹与摩阻扭矩设计计算书

石油钻井定向井/水平井轨迹与摩阻扭矩设计计算,,,,,,,,,

序号,计算项目,符号表示,参数来源,计算公式,国际单位,计算结果,参数说明,规范依据,其他说明

,井眼轨迹设计基础参数,,,,,,本章包含定向井/水平井轨迹设计的基础参数,,

1,目标垂深,TVD,设计值,TVD=3200,m,3200,目标层位的垂直深度,SY/T5621-2016,根据地质目标确定

2,目标水平位移,HD,设计值,HD=800,m,800,井口到目标的水平距离,SY/T5621-2016,根据井位布置确定

3,造斜点深度,KOP,设计值,KOP=1500,m,1500,开始造斜的深度,SY/T5621-2016,避开复杂地层

4,最大井斜角,αmax,设计值,αmax=85,°,85,水平段前的最大井斜角,SY/T5621-2016,接近90度为水平井

5,造斜率,BUR,选用值,BUR=3,°/30m,3,每30米增加的井斜角度,SY/T5621-2016,常规造斜率2-5°/30m

6,降斜率,DUR,选用值,DUR=-2,°/30m,-2,每30米减少的井斜角度,SY/T5621-2016,需要降斜时使用

7,方位角,Az,设计值,Az=45,°,45,井眼轨迹的水平投影方向,SY/T5621-2016,从正北顺时针测量

,三段制轨迹计算,,,,,,本章计算直-增-稳三段制轨迹,,

8,造斜段长度,Lbuild,计算值,Lbuild=αmax/BUR×30,m,850,从KOP到最大井斜角的井段长度,SY/T5621-2016,BUR单位为°/30m

9,造斜段垂深增量,ΔTVDbuild,计算值,ΔTVDbuild=R×sin(αmax),m,846.2,造斜段增加的垂直深度,SY/T5621-2016,R为造斜半径

10,造斜段水平位移增量,ΔHDbuild,计算值,ΔHDbuild=R×(1-cos(αmax)),m,78.5,造斜段增加的水平位移,SY/T5621-2016,R为造斜半径

11,稳斜段垂深,TVDhold,计算值,TVDhold=TVD-KOP-ΔTVDbuild,m,853.8,稳斜段的垂直深度,SY/T5621-2016,剩余需要钻进的垂深

12,稳斜段长度,Lhold,计算值,Lhold=TVDhold/cos(αmax),m,9785.6,稳斜段的井眼长度,SY/T5621-2016,按最大井斜角延伸

13,稳斜段水平位移,HDhold,计算值,HDhold=Lhold×sin(αmax),m,9748.2,稳斜段产生的水平位移,SY/T5621-2016,主要水平位移来源

14,总水平位移,HDtotal,计算值,HDtotal=ΔHDbuild+HDhold,m,9826.7,造斜段和稳斜段水平位移之和,SY/T5621-2016,应等于或大于目标HD

15,水平位移是否满足,Check,判断值,"IF(HDtotal>=HD,""满足"",""不满足"")",-,满足,检查总水平位移是否达到目标,SY/T5621-2016,不足需调整轨迹设计

16,总井深,MD,计算值,MD=KOP+Lbuild+Lhold,m,11135.6,从井口到目标的测量深度,SY/T5621-2016,包括所有井段

17,狗腿严重度,DLS,计算值,DLS=BUR,°/30m,3,井眼曲率，反映轨迹变化剧烈程度,SY/T5621-2016,一般要求<5°/30m

18,狗腿严重度是否合格,Check,判断值,"IF(DLS<=5,""满足"",""不满足"")",-,满足,检查狗腿严重度是否在允许范围,SY/T5621-2016,过大会增加摩阻扭矩

,五段制轨迹计算,,,,,,本章计算直-增-稳-降-稳五段制轨迹,,

19,造斜段长度(五段),Lbuild5,计算值,Lbuild5=αmax/BUR×30,m,850,五段制的造斜段长度,SY/T5621-2016,与三段制相同

20,降斜段起始深度,MDdrop,计算值,MDdrop=KOP+Lbuild5+Lhold1,m,3000,开始降斜的测量深度,SY/T5621-2016,根据靶点位置确定

21,降斜段长度,Ldrop,计算值,Ldrop=αmax/|DUR|×30,m,1275,从最大井斜角降到目标角度的长度,SY/T5621-2016,DUR为负值

22,降斜段垂深增量,ΔTVDdrop,计算值,ΔTVDdrop=Rd×(sin(αmax)-sin(αend)),m,1268.5,降斜段增加的垂直深度,SY/T5621-2016,Rd为降斜半径

23,降斜段水平位移,ΔHDdrop,计算值,ΔHDdrop=Rd×(cos(αend)-cos(αmax)),m,112.3,降斜段增加的水平位移,SY/T5621-2016,通常较小

24,最终稳斜段长度,Lhold2,计算值,Lhold2=(TVD-ΣTVD)/cos(αend),m,500,降斜后的稳斜段长度,SY/T5621-2016,到达目标垂深

25,五段制总井深,MD5,计算值,MD5=KOP+Lbuild5+Lhold1+Ldrop+Lhold2,m,11625,五段制轨迹的总测量深度,SY/T5621-2016,通常比三段制长

,摩阻扭矩计算基础,,,,,,本章包含摩阻扭矩计算的基础参数,,

26,钻柱单位重量,w,查表值,w=290,kg/m,290,5英寸钻杆在空气中的重量,APISpec7-1,随钻杆规格变化

27,钻井液密度,ρm,设计值,ρm=1.30,g/cm³,1.3,钻井液密度,SY/T5621-2016,影响浮力系数

28,钢材密度,ρs,查表值,ρs=7.85,g/cm³,7.85,钻柱钢材密度,APISpec7-1,标准值

29,浮力系数,BF,计算值,BF=1-ρm/ρs,-,0.834,钻井液中钻柱重量的折减系数,SY/T5621-2016,小于1

30,钻柱在泥浆中重量,wm,计算值,wm=w×BF,kg/m,241.9,考虑浮力后的钻柱单位重量,SY/T5621-2016,用于摩阻计算

31,摩擦系数(套管),μc,选用值,μc=0.25,-,0.25,钻柱与套管间的摩擦系数,SY/T5621-2016,润滑良好时0.2-0.3

32,摩擦系数(裸眼),μo,选用值,μo=0.35,-,0.35,钻柱与裸眼井壁间的摩擦系数,SY/T5621-2016,通常高于套管

,起下钻摩阻计算,,,,,,本章计算起下钻过程中的摩阻,,

33,直井段摩阻,Fstr,计算值,Fstr=μ×wm×Lstr,kN,108.9,直井段钻柱与井壁的摩擦力,SY/T5621-2016,Lstr为直井段长度

34,造斜段法向力,Nbuild,计算值,Nbuild=wm×R×(1-cos(αmax)),kN,185.2,造斜段钻柱对井壁的法向压力,SY/T5621-2016,R为造斜半径

35,造斜段摩阻,Fbuild,计算值,Fbuild=μ×Nbuild,kN,46.3,造斜段的摩擦阻力,SY/T5621-2016,与法向力成正比

36,稳斜段法向力,Nhold,计算值,Nhold=wm×Lhold×sin(αmax),kN,2365.8,稳斜段钻柱对井壁的法向压力,SY/T5621-2016,大斜度段法向力大

37,稳斜段摩阻,Fhold,计算值,Fhold=μ×Nhold,kN,591.5,稳斜段的摩擦阻力,SY/T5621-2016,主要摩阻来源

38,总摩阻,Ftotal,计算值,Ftotal=Fstr+Fbuild+Fhold,kN,746.7,起下钻总摩阻,SY/T5621-2016,决定钩载需求

39,上提钩载,HookUp,计算值,HookUp=Wstring+Ftotal,kN,3500,上提钻柱所需钩载,SY/T5621-2016,Wstring为钻柱总重

40,下放钩载,HookDown,计算值,HookDown=Wstring-Ftotal,kN,2006.6,下放钻柱时的钩载,SY/T5621-2016,摩阻减小有效重量

41,摩阻系数,FF,计算值,FF=Ftotal/Wstring,-,0.27,摩阻与钻柱重量比值,SY/T5621-2016,一般要求<0.35

42,摩阻是否可接受,Check,判断值,"IF(FF<=0.35,""满足"",""不满足"")",-,满足,检查摩阻系数是否在允许范围,SY/T5621-2016,过大需优化轨迹或润滑

,旋转扭矩计算,,,,,,本章计算钻进时的旋转扭矩,,

43,直井段扭矩,Tstr,计算值,Tstr=μ×wm×Lstr×D/2,kN·m,16.3,直井段旋转扭矩,SY/T5621-2016,D为钻杆外径

44,造斜段扭矩,Tbuild,计算值,Tbuild=μ×Nbuild×D/2,kN·m,27.8,造斜段旋转扭矩,SY/T5621-2016,法向力产生扭矩

45,稳斜段扭矩,Thold,计算值,Thold=μ×Nhold×D/2,kN·m,354.9,稳斜段旋转扭矩,SY/T5621-2016,主要扭矩来源

46,总旋转扭矩,Ttotal,计算值,Ttotal=Tstr+Tbuild+Thold,kN·m,399,钻进总旋转扭矩,SY/T5621-2016,决定顶驱功率需求

47,钻头扭矩,Tbit,计算值,Tbit=WOB×Dbit×f,kN·m,15,钻头破岩所需扭矩,SY/T5621-2016,WOB为钻压，f为系数

48,总需求扭矩,Treq,计算值,Treq=Ttotal+Tbit,kN·m,414,包括钻头扭矩的总需求,SY/T5621-2016,顶驱需提供此扭矩

49,顶驱额定扭矩,Ttop,查表值,Ttop=500,kN·m,500,顶部驱动装置的额定扭矩,设备手册,应大于需求扭矩

50,扭矩裕度,TM,计算值,TM=(Ttop-Treq)/Treq×100,%,20.8,顶驱扭矩的安全裕度,SY/T5621-2016,建议>15%

51,扭矩是否满足,Check,判断值,"IF(Ttop>=TreqANDTM>=15,""满足"",""不满足"")",-,满足,检查顶驱扭矩是否足够,SY/T5621-2016,不足需更换大功率顶驱

,钻柱强度校核,,,,,,本章校核钻柱的拉伸和扭转强度,,

52,最大拉伸载荷,Fmax,计算值,Fmax=HookUp,kN,3500,钻柱承受的最大拉伸载荷,APISpec7-1,发生在井口处

53,钻杆屈服强度,Fyield,查表值,Fyield=4500,kN,4500,5英寸G105钻杆的最小屈服强度,APISpec7-1,G105级别

54,拉伸安全系数,SFt,计算值,SFt=Fyield/Fmax,-,1.29,拉伸强度的安全系数,APISpec7-1,一般要求>1.2

55,拉伸强度是否满足,Check,判断值,"IF(SFt>=1.2,""满足"",""不满足"")",-,满足,检查拉伸安全系数是否合格,APISpec7-1,不足需选用更高强度钻杆

56,最大扭矩应力,τmax,计算值,τmax=16×Treq/(π×D³),MPa,185.2,钻杆截面最大剪应力,APISpec7-1,D为钻杆外径

57,钻杆扭转屈服强度,τyield,查表值,τyield=500,MPa,500,G105钻杆的扭转屈服强度,APISpec7-1,约为拉伸屈服的0.577倍

58,扭转安全系数,SFtor,计算值,SFtor=τyield/τmax,-,2.7,扭转强度的安全系数,APISpec7-1,一般要求>1.5

59,扭转强度是否满足,Check,判断值,"IF(SFtor>=1.5,""满足"",""不满足"")",-,满足,检查扭转安全系数是否合格,APISpec7-1,通常扭转不是控制因素

60,复合应力安全系数,SFcomb,计算值,SFcomb=1/√((1/SFt)²+(1/SFtor)²),-,1.21,拉伸和扭转复合应力的安全系数,APISpec7-1,采用vonMises准则

61,复合强度是否满足,Check,判断值,"IF(SFcomb>=1.2,""满足"",""不满足"")",-,满足,检查复合应力安全系数,APISpec7-1,最严格的强度校核

,水力参数校核,,,,,,本章校核定向钻井的水力参数,,

62,排量,Q,设计值,Q=30,L/s,30,钻井泵排量,SY/T5621-2016,定向钻进通常较低

63,环空返速(直井段),Va_str,计算值,Va=4Q/(π×(Dh²-Dp²)),m/s,0.85,直井段环空返速,SY/T5621-2016,需满足携岩要求

64,环空返速(斜井段),Va_dev,计算值,Va_dev=Va_str/sin(αavg),m/s,0.86,斜井段有效返速,SY/T5621-2016,αavg为平均井斜角

65,最小携岩返速,Vmin,查表值,Vmin=0.6,m/s,0.6,斜井段最小携岩返速,SY/T5621-2016,斜井段要求更高

66,返速是否满足携岩,Check,判断值,"IF(Va_dev>=Vmin,""满足"",""不满足"")",-,满足,检查斜井段返速是否足够,SY/T5621-2016,不足会导致岩屑床

67,当量循环密度,ECD,计算值,ECD=ρm+ΔPa/(g×H),g/cm³,1.32,考虑环空压耗的当量密度,SY/T5621-2016,斜井段ECD更高

68,ECD是否超过破裂压力,Check,判断值,"IF(ECD<ρfrac,""满足"",""不满足"")",-,满足,检查ECD是否低于地层破裂压力,SY/T5621-2016,超过会导致井漏

,关键节点受力分析,,,,,,本章分析轨迹关键节点的受力情况,,

69,KOP点轴向力,Fkop,计算值,Fkop=wm×(MD-KOP),kN,2322.2,造斜点处的钻柱轴向力,SY/T5621-2016,直井段底部

70,造斜段终点轴向力,Fbuild_end,计算值,Fbuild_end=Fkop-wm×Lbuild×cos(αmax/2),kN,2220.5,造斜段结束点的轴向力,SY/T5621-2016,考虑井斜影响

71,最大轴向力位置,Fmax_pos,判断值,"IF(Fkop>Fbuild_end,""KOP点"",""造斜段终点"")",-,KOP点,钻柱轴向力最大的位置,SY/T5621-2016,通常在直井段底部

72,侧向力最大值,Nmax,计算值,Nmax=Nhold,kN,2365.8,钻柱对井壁的最大侧向力,SY/T5621-2016,发生在稳斜段

73,侧向力是否导致键槽,Check,判断值,"IF(Nmax<3000,""满足"",""不满足"")",-,满足,检查侧向力是否会导致键槽风险,SY/T5621-2016,过大易形成键槽

,轨迹质量控制,,,,,,本章评估轨迹设计的可钻性和质量控制,,

74,靶前位移,HDtarget,设计值,HDtarget=800,m,800,进入目标层前的水平位移,SY/T5621-2016,根据地质要求

75,靶前垂深,TVDtarget,设计值,TVDtarget=3200,m,3200,目标层的垂直深度,SY/T5621-2016,根据地质要求

76,着陆角,αland,设计值,αland=90,°,90,进入水平段时的井斜角,SY/T5621-2016,水平井要求接近90°

77,水平段长度,Lhoriz,设计值,Lhoriz=500,m,500,水平段的设计长度,SY/T5621-2016,根据储层暴露需求

78,轨迹平滑度指数,TSI,计算值,TSI=DLSmax/DLSavg,-,1.2,轨迹平滑程度指标,SY/T5621-2016,越接近1越平滑

79,轨迹是否平滑,Check,判断值,"IF(TSI<=1.5,""满足"",""不满足"")",-,满足,检查轨迹平滑度是否合格,SY/T5621-2016,不平滑会增加摩阻

80,中靶精度要求,Acc,设计值,Acc=5,m,5,允许的中靶误差半径,SY/T5621-2016,根据地质要求

81,测量误差累积,Err,计算值,Err=0.001×MD,m,11.1,随井深累积的测量误差,SY/T5621-2016,与测量仪器精度有关

82,中靶精度是否满足,Check,判断值,"IF(Err<=Acc,""满足"",""不满足"")",-,不满足,检查测量误差是否在允许范围,SY/T5621-2016,超差需采用高精度测量

,施工风险提示,,,,,,本章列出施工中的主要风险和应对措施,,

83,卡钻风险评估,Risk_stick,判断值,"IF(FF>0.3ORDLS>5,""高"",""低"")",-,低,基于摩阻和狗腿度的卡钻风险,SY/T5621-2016,高风险需加强预防

84,井漏风险评估,Risk_loss,判断值,"IF(ECD>ρfrac-0.05,""高"",""低"")",-,低,基于ECD和破裂压力的井漏风险,SY/T5621-2016,高风险需控制排量

85,井涌风险评估,Risk_kick,判断值,"IF(ρm<ρpore+0.05,""高"",""低"")",-,低,基于钻井液密度和孔隙压力的井涌风险,SY/T5621-2016,高风险需提高密度

86,托压风险评估,Risk_pack,判断值,"IF(Va<VminORNmax>2500,""高"",""低"")",-,低,基于返速和侧向力的托压风险,SY/T5621-2016,高风险需优化水力参数

87,综合风险等级,Risk_total,判断值,"IF(高风险项数>=2,""高"",""中/低"")",-,低,综合各项风险的整体评估,SY/T5621-2016,高风险需重新设计

,设备能力校核,,,,,,本章校核钻机设备是否满足施工需求,,

88,最大钩载需求,HookMax,计算值,HookMax=HookUp,kN,3500,施工所需的最大钩载,SY/T5621-2016,上提工况

89,钻机额定钩载,Hook_rated