水平井钻柱的优化配置及参数优选

水平井钻柱的优化配置及参数优选
一、水平井钻柱的作用
二、水平井钻柱的工作状态、结构及受力特点
三、水平井钻柱的强度设计
四、水平井钻柱的优化配置
五、水平井钻柱的参数优选
六、技术小结
一、水平井钻柱的作用
1、提供钻压、传递轴向载荷
2、传送扭矩，由于导向钻具的普遍采用，传送扭矩的作用已和常规定向井的作用发生了本质性的转变。

3、传送水功率，知足清洗井底和净化井筒的需要。

二、水平井钻柱的工作状态、结构及受力特点
钻柱的破坏大多是疲劳破坏，水平井钻柱优化配置的目的就是要采取各类技术办法，减少疲劳破坏，以便延长钻柱的利用寿命，从而在知足水力参数和强度条件下，使整个钻柱结构的重量最轻，摩阻较小，在大斜度和水平段钻进中不但要求安全靠得住，而且要求传递钻压的能力强，使整个处于较为合理的受力状态。

1、水平井钻柱的工作状态
⑴钻柱围绕自身弯曲轴线旋转（自转）
⑵钻柱围绕井眼轴线旋转并沿着井壁滑动（角加速度ω＝0,公转）
⑶钻柱围绕井眼轴线旋转，但不是沿着井壁滑动而是沿着井壁反向转动（反公转与自转结合）。

⑷整个钻柱或部份钻柱作无规则旋转摆动。

⑸钻柱即公转、自转，又与螺杆的旋转运动相结合，产生局部交变应力或应力集中。

这种工作状态决定了钻柱同时受到交变和不变两种载荷的影响。

属于不变应力有拉应力、压应力和剪应力，属于交变应力有弯曲应力、
扭转振动产生的应力；其载荷作用的特点是在井口处主如果不变载荷的影响，而靠近井底处主如果交变负荷的影响，这种交变载荷的作用是下部钻柱疲劳破坏的主要原因，也是水平井钻柱设计解决问题的起点。

2、水平井钻柱受力的严峻部位
⑴钻进的钻柱的下部受力最为严峻
钻柱同时受轴向压力、扭矩和弯曲力矩的作用，专门是大斜度井段钻柱旋转时会产生猛烈的交变应力循环，和钻头或下部钻具组合的突然遇阻遇卡，会使下部钻具的扭矩大大增加，使窗口周围紧缩应力最大。

⑵钻进和起下钻时，井口处钻柱受力复杂
⑶地层软硬交互，使钻头运动不均，在中和点周围钻柱受交变载荷作用且中和点位置上下移动。

⑷接头变径处应力集中，易造成刺漏，脱扣或断钻具等危险。

3、水平井钻柱的受力特征
⑴定向钻进方式钻柱的受力特征
图1
⑵旋转钻进方式水平井钻柱的受力特征
图2
由图1能够看出，定向钻进时摩阻只沿着轴向产生，且开始作用于钻头上的压力等于钻压。

从大斜度进入水平段，紧缩载荷达到最大，进入大斜度以后，由于重力作用，压力逐渐减少，至中和点为零，中和点以上，拉伸载荷逐渐增加直到最大。

由图2能够看出，紧缩载荷在整个水平段几乎维持不变，最大紧缩载荷即钻压散布于整个水平井段，而扭矩的散布是井口最大，明显能够看出，定向钻进时的轴向摩阻在旋转时转化为扭矩，钻柱所受的
交变应力加大，因此在进行钻柱设计时，必需进行强度计算。

三、 水平井钻柱的强度设计
㈠水平井钻柱的抗拉设计
水平井钻柱抗拉设计的关键是肯定钻柱允许的最大静拉负荷，并依次由井底向井口计算出钻柱单元的允许长度，初步进行优化设计。

1、钻柱在屈服强度下的抗拉负荷Py
P y =σs ·F ⑴ 式中Py —抗拉负荷，千牛；
σs —材料的最小屈服强度，兆泊；
F —钻柱的横截面积，厘米2
2、钻柱最大工作负荷，Pw
一般设计钻柱时，把抗拉负荷的90%作为最大工作负荷。

P w = ⑵
3、 钻柱最大允许静拉负荷Pa
静拉负荷是当钻柱自由悬挂时允许的大钩负荷，在实际工作它的肯定方式如下：
⑴安全系数法
式中，S1—安全系数，常规直井、定向井的设计其取值约,对于水平井，通过“八·五”攻关研究，推荐取值为～.
⑵考虑卡瓦挤毁钻杆的设计系数法
)4(2S P P w a =)
3(1S P P w a =
式中：S2—设计系数，为材料的最小屈服强度σs 与拉伸应力σt 的比值，可直接查表取得。

⑶拉力余量法
拉力余量法是在钻柱设计当选择的最大允许静拉负荷Pa 应小于最大工作负荷Pw 必然的数值PL （拉力余量），以知足钻井进程特殊作业的需要，，即有
P a =P w -P L ⑸
因此设计中允许的最大静拉负荷Pa 即为三式计算出来的最小值。

㈡钻柱的抗扭设计
对于深井水平井旋转钻进，钻柱经受着专门大的扭矩，必需进行抗扭校核
式中：Sn —抗扭安全系数，水平井一般取
Mn —扭力屈服强度，kN ·m
M —钻柱的实际扭矩，kN ·m ，用最大扭矩替代，相当于进行了危险断面校核。

㈢钻柱的抗挤设计
在正常钻进进程中，钻杆内外泥浆比重大体相同，而在半途测试进程中，由于钻柱内空或有比重较低的油气水，同时钻柱还受到外挤和拉伸的联合作用，为了保证钻柱的工作安全，必需进行抗挤强度校核。

)
6(M M S n
n
一、正常钻进的抗挤强度校核
当钻杆柱内掏空时，外挤压力：
P c =
γ
⑺
式中Pc —在井深H 处的外挤压力，Mpa ；
H —井深，m
γ—泥浆密度，g/cm 3
抗挤安全系数
式中ηj —抗挤安全系数，取值2～；
Pcc —钻柱抗挤强度
四、 水平井钻柱的优化配置
在水平井钻井进程中，钻杆、加重钻杆或钻铤不可避免的受到紧缩载荷的作用而失稳，使钻柱弯曲而与井壁接触，从而产生与井壁接
触的摩擦阻力，这是钻柱设计中所不希望发生的，但在实际钻井进程中又无法避免。

按照Woods 的实验，对于有必然井斜角的井眼，钻柱发生弯曲时的临界钻压为：
式中W 临—临界弯曲时最小钻压，N ；
E —杨氏模量，N/m 2;
I —钻柱惯性矩，m 4；
q —钻柱线密度，N/m ；
)9(sin 251115.0q m m W •⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛•γα＝临)8(c cc
j P P =η
α—井斜角，°
γ—井眼与钻柱的间隙
能够看出，井斜角越小，临界钻压越小，井斜角越大，临界钻压越大；井眼与钻柱的间隙越大，临界钻压越小，井眼与钻柱的间隙越小，临界钻压越大，由此能够得出水平井钻柱设计配置的特点：
一、大斜度段和水平段，钻柱能经受较大的钻压，可将重量轻的钻柱放置在大斜度井段和水平段，宜采用倒装钻具组合，有利于最大限度的降低整个钻柱的重量。

二、小斜度井段，钻柱仅能经受较小的钻压，尽可能避免钻柱中钻杆处于受压状态。

因此，在小井斜段，宜采用钻铤或加重钻杆，有利于施加钻压和减小摩阻，避免钻柱发生临界弯曲。

3、由于小井斜段钻柱的临界钻压较小，应避免中和点位于此井段或说造斜点周围，尤其不能使中和点落在钻杆上。

4、尽可能增大钻柱的线密度，尽可能的增大临界钻压的值，可选用螺旋钻铤在受压井段代替加重钻杆，有利于施加钻压。

五、尽可能减小井眼与钻柱之间的间隙，尽可能的增大临界钻压的值，可选用外径较大的钻具，如钻杆和159mm螺旋钻铤，增强下部钻具抵抗紧缩的能力。

由此能够进一步推知，对必然曲率的水平井，它的临界钻压为必然值，对于必然的钻压来讲，其提供者只要能知足钻压的需要，完全能够不用钻铤，也就是说，对于必然曲率的水平井，钻铤已不是组成井下钻具组合的必需工具，完全能够用加重钻杆做为推力源，全数钻
具由钻杆组成，它不仅能够减少钻具重量，又能够减少扭矩和环空压耗，因此导向钻具组合是深井水平井钻进的较为理想钻具组合，推荐组合方式为：
钻头+弯壳体动力钻具+无磁承压钻杆+斜坡钻杆+加重钻杆+127mm钻杆。

五、水平井导向钻具的参数优选
一、钻压的优选肯定
（1）按照公式（9）计算临界钻压
临界钻压对于同一种钻具组合只随着井斜角而转变，而不是直井中的恒定值，127mm钻具组合其临界钻压随着井斜角的转变规律如图：
能够看出，在水平井的钻井进程中，127mm钻杆的临界钻压随井斜角的增大而增大，在井斜角大于60后，临界钻压的转变相当平缓，接近一个恒定值，即最大临界钻压的值；127mm加重钻杆的临界钻压的转变规律与之相近，数值在2倍以上，最大值为，也就是说，无论是滑动钻进仍是转盘钻进，只要钻具组合配置合理，钻压的施加大小依照临界钻压的转变规律，不用担忧钻具的承压能力与弯曲问题，只需考虑动力钻具的设计承压能力。

二、转速的肯定
钻柱在井眼中以自转、公转、自转与公转相结合等多种运动形式旋转，弯曲下的钻柱在旋转时，若是没有外力阻止它，必将绕井眼轴线公转而不是自转。

在泥浆阻力的影响下，钻柱的公转转速为：
式中R —钻柱外径；
C D —阻力系数，当雷诺数在300〈R e 〈2×105时，C D ≈； ρ—泥浆密度；
A — 钻柱投影面积；
D —钻柱材料的滞后性质，与材料的形状有必然的关系，为一常量。

在不考虑其它附加外界因素的影响时，127mm 钻具公转转速n 0随井斜角α的转变如图3
图3
若转盘转速n ≤n 0，则钻柱将以n 的转速进行公转，若n>n 0，钻柱将以n 0进行公转，其实质是多支点的自激晃振，频率为转盘转数与反转转数之和，从而加速钻柱的疲劳破坏，这是水平井钻柱易出现断裂的主要原因。

)11(
21300PA C D R n D δπ•=
由图2能够看出，n0的转变经历了0～15°、15～60°、60～90°三个不同的转变区段，无论在钻杆仍是加重钻杆，在大井斜或必然曲率的井眼中，都无法完全实现自转，转速的选择依据就是尽可能的保证小井斜段的钻具进入自转状态，其对应于图2上井斜5°，转速42r/min与66r/min，因此推荐转盘转速为50～60r/min。

六、技术小结
1、水平井钻柱的工作状态、受力特点，决定了在进行水平井钻柱
设计必需严格的进行强度设计，适当提高安全系数的量值，以
保证有较大的安全余量。

2、按照乌兹实验的临界钻压经验判别式，可直接进行水平井钻柱
的优化设计与配置，直观的评价水平井钻柱的合理化，合理的
采用倒装式导向钻具组合，其推荐的组合为：钻头＋无磁承压
钻杆＋斜坡钻杆＋加重钻杆＋普通钻杆
3、导向钻具组合的钻压随井斜角的增大而增大，大斜度段加重钻
杆与斜坡钻杆完全能知足承压要求而不发生临界弯曲，转速利
用50～60r/min，有利于减少下部钻柱的反公转—自激晃振。

4、自激晃振可加速钻柱的弯曲疲劳破坏，增大损耗于旋转钻柱的
转盘功率，加速钻柱接头的磨损，能够定性的解释水平井钻柱
断裂，脱扣事故。