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水平井倒装钻具组合设计方法

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本发明公开了一种水平井倒装钻具组合设计方法，包括以下步骤：给定全部设计参数；计算水平段起点处钻柱轴向力；计算水平段起点处钻柱螺旋屈曲因子；判断水平段钻柱是否螺旋屈曲；计算造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子；判断造斜段普通钻杆是否螺旋屈曲；计算加重钻杆下入深度对应井斜角；计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力；计算加重钻杆井段钻柱螺旋屈曲因子；判断加重钻杆是否螺旋屈曲；计算造斜点处钻柱轴向力；计算加重钻杆使用长度。采用本发明方法设计出的钻具组合可以避免下部钻柱螺旋屈曲、降低摩擦阻力、提高钻压传递效率和水平段延伸能力。

著录项

公开/公告号CN105221071A

专利类型发明专利
公开/公告日2016-01-06

原文格式PDF
申请/专利权人中国石油大学(华东);
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申请/专利号CN201510610918.2
发明设计人史玉才;薛磊;管志川;廖华林;席传明;初众;张晨;苗在强;
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申请日2015-09-23
分类号E21B7/06;E21B47/022;
代理机构济南舜源专利事务所有限公司;
代理人邵朋程
地址 266555 山东省青岛市经济技术开发区长江西路66号
入库时间 2023-12-18 13:33:31

法律信息

法律状态公告日

法律状态信息

法律状态
2016-06-29

授权

授权
2016-02-03

实质审查的生效 IPC(主分类):E21B7/06 申请日:20150923

实质审查的生效
2016-01-06

公开

公开

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井工程领域，尤其涉及水平井倒装钻具组合设计方法。

背景技术

目前，国内陆上油田水平井钻井主要采用“弯螺杆钻具+MWD”组成的滑动导向钻具组合，需要交替采用滑动钻进方式和复合钻进方式。滑动钻进工况下整个钻柱不旋转，钻进下部井段(大斜度造斜段及水平段)时钻柱与井壁(或上层套管)之间摩擦阻力较大，下部钻柱主要承受轴向压力，钻柱屈曲失稳风险较高，影响钻压传递效率和水平段延伸能力。钻柱屈曲有正弦屈曲或螺旋屈曲两种形式；钻柱正弦屈曲对摩擦阻力影响较小，对钻压传递效率影响也较小，但是钻柱螺旋屈曲会显著增加摩擦阻力，不仅影响钻压传递效率，严重时甚至导致钻柱自锁而难以下钻到底。

为了避免下部钻柱螺旋屈曲和降低摩擦阻力，提高钻压传递效率和水平段延伸能力，钻进下部井段时通常采用倒装钻具组合，也就是说将刚度和重量较大的加重钻杆安放在造斜点附近井段，下部井段使用普通钻杆(18°斜台肩钻杆，俗称“斜坡钻杆”)。倒装钻具组合设计关键在于合理选择加重钻杆下入深度及其使用长度(或使用井段)，避免下部钻柱螺旋屈曲和自锁。传统设计方法通常将加重钻杆安放在小斜度井段(井斜角<30°)，当水平段较短、下部井段钻柱螺旋屈曲风险较低时基本上是合适的。当水平段较长、下部钻柱螺旋屈曲风险较高时，传统设计方法难以合理选择加重钻杆下入深度及其使用长度，滑动钻进时摩阻问题突出，影响钻压传递效率和水平段延伸能力。

传统的水平井倒装钻具设计方法主要存在以下缺点：(1)造斜段钻柱轴向力计算方法复杂，缺少解析求解方法；(2)未综合考虑下部钻柱屈曲影响；(3)尚无加重钻杆下入深度和使用长度计算公式(或方法)。

发明内容

针对现有水平井倒装钻具组合设计方法存在的问题及不足，本发明提出了一种适合水平井设计轨道的完整、实用的倒装钻具组合设计方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种水平井倒装钻具组合设计方法，包括以下步骤：

(1)给定全部设计参数；设计参数包括造斜点井斜角、造斜率、水平段井斜角、水平段长度、钻柱与井壁之间摩擦系数、井眼尺寸、普通钻杆及加重钻杆参数、滑动钻进钻压、钻井液密度；

(2)按式(1)计算水平段起点处钻柱轴向力；

F_t＝(μsinα_t-cosα_t)qL_t+W_s(1)

式中，F_t为水平段起点处钻柱轴向力，N；μ为钻柱与井壁之间摩擦系数；α_t为水平段井斜角，°；q为水平段钻柱每米重量，N/m；L_t为水平段长度，m；W_s为滑动钻进钻压，N；

(3)按式(2)计算水平段起点处钻柱螺旋屈曲因子，简称水平段屈曲因子；

$c_{h t} = \frac{F_{t}}{F_{h t}} = \frac{({μsinα}_{t} - {cosα}_{t}) {qL}_{t} + W_{s}}{2 \sqrt{\frac{2 E I q >{sinα}_{t}}{r_{b}}}} - - - (2)$

式中，c_ht为水平段屈曲因子；F_ht为水平段钻柱螺旋屈曲临界载荷，N；E为钻柱弹性模量，N/m²；I为钻柱惯性矩，m⁴；r_b为水平段井眼半径与钻柱半径之差，m；

(4)判断水平段钻柱是否螺旋屈曲；若水平段屈曲因子c_ht＜1.0，则水平段钻柱未螺旋屈曲，转下一步；若水平段屈曲因子c_ht≥1.0，则水平段钻柱处于螺旋屈曲状态，应调整设计参数，转步骤(2)；

(5)按式(3)计算造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子；

$\begin{matrix} c_{h p} (α) = [F_{t} - q R >sin(2 α_{c} - α_{t})]e^{u (α_{t} - α)}+qR>sin(2 α_{c} - α)2 \sqrt{\frac{2 E I q >\sinα}{r_{b}}}(α_{1} \leq α \leq α_{t})---(3) \end{matrix}$

式中，c_hp为造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子；α为井斜角，°；α₁为参考点井斜角，5°≤α₁≤10°；α_c为钻柱自由下滑临界井斜角，°，临界井斜角α_c＝arctan(1/μ)；R为造斜半径，m；造斜半径R＝1719/K，K为造斜率，°/30m；

(6)判断造斜段普通钻杆是否螺旋屈曲；若参考点钻柱屈曲因子c_hp(α₁)≥1.0，则造斜段普通钻杆有较明显螺旋屈曲，转下一步；若参考点钻柱屈曲因子c_hp(α₁)＜1.0，则普通钻杆均未螺旋屈曲，或者轻微螺旋屈曲，指定加重钻杆下入深度并按式(4)计算加重钻杆使用长度，完成水平井倒装钻具组合设计；

L_w＝R·α_w(4)

式中，L_w为加重钻杆使用长度，m；α_w为指定的加重钻杆下入深度处井斜角，°；井斜角α_w≥α₁，α₁为参考点井斜角，5°≤α₁≤10°；

(7)计算加重钻杆下入深度对应井斜角；令c_hp(α)＝0.9，利用式(3)给出加重钻杆下入深度对应井斜角迭代求解公式，见式(5.a)和(5.b)，二者任选其中之一即可；

$[F_{t} - q R >sin(2 α_{c} - α_{t})]e^{u (α_{t} - α)}+qR>sin(2 α_{c} - α)2 \sqrt{\frac{2 E I q >\sinα}{r_{b}}}=0.9---(5. a)$

$[F_{t} - q R >sin(2 α_{c} - α_{t})]e^{u (α_{t} - α)}+qR>sin(2 α_{c} - α)-1.8\sqrt{\frac{2 E I q >sinα}{r_{b}}}=0---(5. b)$

(8)按式(6)计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力；

$F_{w} = [F_{t} - q R >sin(2 α_{c} - α_{t})]e^{u (α_{t} - α_{w})}+qR>sin(2 α_{c} - α_{w})---(6)$

式中，F_w为计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力，N；

(9)按式(7)计算加重钻杆井段钻柱螺旋屈曲因子；

$\begin{matrix} c_{h w} (α) = [F_{w} - q_{w} R >sin(2 α_{c} - α_{w})]e^{u (α_{w} - α)}+q_{w}R>sin(2 α_{c} - α)2 \sqrt{\frac{2 {EIq}_{w} \sin α}{r_{b w}}}(α_{1} < α \leq α_{w})---(7) \end{matrix}$

式中，c_hw为加重钻杆段钻柱螺旋屈曲因子；q_w为加重钻杆每米重量，N/m；r_bw为井眼半径与加重钻杆半径之差，m；

(10)判断加重钻杆是否螺旋屈曲；若参考点钻柱螺旋屈曲因子c_hw(α₁)＜1.0，则加重钻杆均未螺旋屈曲，或者轻微螺旋屈曲，加重钻杆下入深度合适，转下一步；若参考点钻柱螺旋屈曲因子c_hw(α₁)≥1.0，则加重钻杆有较明显螺旋屈曲，应调整设计参数，转步骤(2)；

(11)按式(8)计算造斜点处钻柱轴向力；

$F_{k} = [F_{w} - q_{w} R >>sin(2 α_{c} - α_{w})]e^{u (α_{w} - α_{0})}+q_{w}R>sin(2 α_{c} - α_{0})---(8)$

式中，F_k为造斜点处钻柱轴向力，N；α₀为造斜点处井斜角，°；

(12)按式(9)计算加重钻杆使用长度，完成水平井倒装钻具组合设计；

$L_{w} = (\begin{matrix} R \cdot α_{w} & F_{0} < 0 \\ R \cdot α_{w} + s_{N} \frac{F_{0}}{q_{w}} & F_{0} \geq 0 \end{matrix}) - - - (9)$

式中，L_w为加重钻杆使用长度，m；s_N为安全系数，取s_N＝1.1-1.2，确保中性点位于加重钻杆上。

步骤(12)中：在某些情况下，若按式(9)求出的加重钻杆使用长度使得整个直井段都不足以安放加重钻杆时，或加重钻杆有可能螺旋屈曲而影响钻压传递效率时，在造斜点附近使用钻铤。

本发明的有益技术效果是：

(1)本发明以降低滑动钻进时下部钻柱屈曲风险和摩擦阻力为目标，建立了完整的水平井倒装钻具组合设计方法，可定量计算出加重钻杆下入深度及使用长度。采用本发明方法设计出的钻具组合可以避免下部钻柱螺旋屈曲、降低摩擦阻力、提高钻压传递效率和水平段延伸能力。

(2)本发明选择“软模型”和解析方法推导出了简单而实用的滑动钻进工况下水平井造斜段钻柱轴向力计算公式，利用4个公式可求造斜段任一位置(井斜角α)对应的钻柱轴向力。与现有文献中相关公式相比，该组公式表达形式最简单，计算更方便。

(3)本发明首次给出了滑动钻进工况下造斜段钻柱屈曲因子定义及计算方法。本发明中，将钻柱轴向力与螺旋屈曲临界载荷之比定义为“钻柱螺旋屈曲因子”，简称“钻柱屈曲因子”。利用该因子评价造斜段钻柱螺旋屈曲风险，寻找钻柱螺旋屈曲位置，判断结果准确，操作简单方便。

附图说明

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：

图1为典型的二维三段式水平井设计轨道示意图；

图2为本发明水平井倒装钻具组合设计方法的流程图；

图3为造斜段钻柱轴向力随井斜角的变化规律图；

图4为造斜段钻柱屈曲因子随井斜角的变化规律图；

图5为不同摩擦系数时加重钻杆下深及使用长度随水平段屈曲因子变化规律图；

图6为不同造斜率时加重钻杆下深及使用长度随水平段屈曲因子变化规律图。

具体实施方式

结合附图，一种适用于设计井眼轨道的水平井倒装钻具组合设计方法，包括以下步骤：

(1)给定全部设计参数。设计参数包括造斜点井斜角、造斜率、水平段井斜角、水平段长度、钻柱与井壁(套管)之间摩擦系数、井眼尺寸、普通钻杆及加重钻杆参数、滑动钻进钻压、钻井液密度；普通钻杆及加重钻杆参数包括钻具尺寸和每米重量等。

(2)按式(1)计算水平段起点处钻柱轴向力。

F_t＝(μsinα_t-cosα_t)qL_t+W_s(1)

式中，F_t为水平段起点处钻柱轴向力，N；μ为钻柱与井壁之间摩擦系数；α_t为水平段井斜角，°；q为水平段钻柱每米重量，N/m；L_t为水平段长度，m；W_s为滑动钻进钻压，N。

(3)按式(2)计算水平段起点处钻柱螺旋屈曲因子。钻柱螺旋屈曲因子为钻柱轴向力与螺旋屈曲临界载荷之比，简称水平段屈曲因子。

$c_{h t} = \frac{F_{t}}{F_{h t}} = \frac{({μsinα}_{t} - {cosα}_{t}) {qL}_{t} + W_{s}}{2 \sqrt{\frac{2 E I q >{sinα}_{t}}{r_{b}}}} - - - (2)$

式中，c_ht为水平段屈曲因子；F_ht为水平段钻柱螺旋屈曲临界载荷，N；E为钻柱弹性模量，N/m²；I为钻柱惯性矩，m⁴；r_b为水平段井眼半径与钻柱半径之差，m。

(4)判断水平段钻柱是否螺旋屈曲。若水平段屈曲因子c_ht＜1.0，则水平段钻柱未螺旋屈曲，转下一步；若水平段屈曲因子c_ht≥1.0，则水平段钻柱处于螺旋屈曲状态，应调整设计参数，转步骤(2)；即重复上述计算步骤，直至水平段屈曲因子c_ht＜1.0。

(5)按式(3)计算造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子(钻柱轴向力与螺旋屈曲临界载荷之比)。考虑到大斜度井段钻柱螺旋屈曲时随摩擦阻力增加明显，小斜度井段不明显，在不能完全避免造斜段钻柱螺旋屈曲时，应尽可能将螺旋屈曲控制在小斜度井段(预先给出井斜角上限，对应位置称为参考点)。

$\begin{matrix} c_{h p} (α) = [F_{t} - q R >sin(2 α_{c} - α_{t})]e^{u (α_{t} - α)}+qR>sin(2 α_{c} - α)2 \sqrt{\frac{2 E I q >\sinα}{r_{b}}}(α_{1} \leq α \leq α_{t})---(3) \end{matrix}$

式中，c_hp为造斜段普通钻杆对应的钻柱螺旋屈曲因子；α为井斜角，°；α₁为参考点井斜角，5°≤α₁≤10°；α_c为钻柱自由下滑临界井斜角，°，临界井斜角α_c＝arctan(1/μ)；R为造斜半径，m；造斜半径R＝1719/K，K为造斜率，°/30m。

(6)判断造斜段普通钻杆是否螺旋屈曲。若参考点钻柱屈曲因子c_hp(α₁)≥1.0，则造斜段普通钻杆有较明显螺旋屈曲，转下一步；若参考点钻柱屈曲因子c_hp(α₁)＜1.0，则普通钻杆均未螺旋屈曲，或者轻微螺旋屈曲，指定加重钻杆下入深度并按式(4)计算加重钻杆使用长度，完成水平井倒装钻具组合设计。

L_w＝R·α_w(4)

式中，L_w为加重钻杆使用长度，m；α_w为指定的加重钻杆下入深度处井斜角，°。该情况下要求井斜角α_w≥α₁，α₁为参考点井斜角，5°≤α₁≤10°。

(7)计算加重钻杆下入深度对应井斜角。令该处普通钻杆螺旋屈曲因子等于0.9，也即 c_hp(α)＝0.9，利用式(3)给出加重钻杆下入深度对应井斜角迭代求解公式，见式(5.a)和 (5.b)，二者任选其中之一即可。

$[F_{t} - q R >sin(2 α_{c} - α_{t})]e^{u (α_{t} - α)}+qR>sin(2 α_{c} - α)2 \sqrt{\frac{2 E I q >\sinα}{r_{b}}}=0.9---(5. a)$

$[F_{t} - q R >sin(2 α_{c} - α_{t})]e^{u (α_{t} - α)}+qR>sin(2 α_{c} - α)-1.8\sqrt{\frac{2 E I q >sinα}{r_{b}}}=0---(5. b)$

(8)按式(6)计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力。

$F_{w} = [F_{t} - q R >sin(2 α_{c} - α_{t})]e^{u (α_{t} - α_{w})}+qR>sin(2 α_{c} - α_{w})---(6)$

式中，F_w为计算加重钻杆下入深度处钻柱轴向力，N；其他变量同前文。

(9)按式(7)计算加重钻杆井段钻柱螺旋屈曲因子。

式中，c_hw为加重钻杆段钻柱螺旋屈曲因子；q_w为加重钻杆每米重量(浮重)，N/m；r_bw为井眼半径与加重钻杆半径之差，m；其余变量同前文。

(10)判断加重钻杆是否螺旋屈曲。若参考点钻柱螺旋屈曲因子c_hw(α₁)＜1.0，则加重钻杆均未螺旋屈曲，或者轻微螺旋屈曲，加重钻杆下入深度合适，转下一步。若参考点钻柱螺旋屈曲因子c_hw(α₁)≥1.0，则加重钻杆有较明显螺旋屈曲，应调整设计参数，转步骤(2)。

(11)按式(8)计算造斜点处钻柱轴向力。

$F_{k} = [F_{w} - q_{w} R >sin(2 α_{c} - α_{w})]e^{u (α_{w} - α_{0})}+q_{w}R>sin(2 α_{c} - α_{0})---(8)$

式中，F_k为造斜点处钻柱轴向力，N；α₀为造斜点处井斜角，°。

(12)按式(9)计算加重钻杆使用长度，完成水平井倒装钻具组合设计。造斜点处钻柱轴向力是重要参考。若造斜点处钻柱轴向力F₀＜0，则该处已转变为轴向拉力，将加重钻杆向上延伸至造斜点即可；若轴向力F₀＞0，则该处仍然为轴向压力，必须将加重钻杆向上延伸至中性点以上，才能确保中性点落在加重钻杆上，上部的普通钻杆仅承受轴向拉力。在某些情况下，若按式(9)求出的加重钻杆长度使得整个直井段都不足以安放加重钻杆时，或加重钻杆有可能螺旋屈曲而影响钻压传递效率时，均可以考虑在造斜点附近使用钻铤。

$L_{w} = (\begin{matrix} R \cdot α_{w} & F_{0} < 0 \\ R \cdot α_{w} + s_{N} \frac{F_{0}}{q_{w}} & F_{0} \geq 0 \end{matrix}) - - - (9)$

式中，L_w为加重钻杆使用长度，m；s_N为安全系数，优选取s_N＝1.1-1.2，确保中性点位于加重钻杆上。

下面结合具体实施例进一步描述本发明。

实施例1：

(1)井眼参数

井眼直径造斜点井斜角0°；水平段井斜角90°；造斜率取9°/30m。

(2)钻具组合参数

典型倒装钻具组合：

其中，钻杆壁厚9.19mm、线密度29.0kg/m；加重钻杆壁厚25.4mm、线密度73.5kg/m；钻杆及加重钻杆的使用长度均随水平段长度而变化。

(3)其他相关参数

钻柱与井壁之间摩擦系数取值是否合理，对钻柱轴向力计算结果影响很大。通常情况下，裸眼段摩擦系数取0.25-0.35(默认值0.3)、套管段摩擦系数取0.2-0.3(默认值0.25)。

钻井液密度影响钻柱浮重和钻柱屈曲临界载荷。本例中取钻井液密度1.2g/cm³。

根据本发明的计算方法，得加重钻杆分别下至井斜角15°、30°和75°时，造斜段钻柱轴向力及钻柱屈曲因子随井斜角变化规律分别见图3和图4。图3和图4中，仅有普通钻杆时变量后缀“dp”；使用加重钻杆时变量后缀“hwdp”。

据图3可以看出，钻柱轴向力随井斜角变化规律与水平段屈曲因子、造斜段是否使用加重钻杆有关。造斜段使用加重钻杆之后，加重钻杆所在井段的钻柱轴向力均有所减小；当水平段屈曲因子逐渐增大时，最大轴向力点也从普通钻杆上逐渐转移至加重钻杆上。此外，当井斜角不变时，钻柱轴向力随水平段屈曲因子增大而迅速增大，钻柱屈曲风险也随着增加。

据图4可以看出，若造斜段全为普通钻杆时，钻柱螺旋屈曲因子随井斜角减小(自下而上)而逐渐增大；当水平段屈曲因子逐渐增大时，螺旋屈曲井段(屈曲因子大于1.0)从造斜点附近逐渐扩大至大斜度井段；将部分普通钻杆替换成加重钻杆之后，加重钻杆所在井段的钻柱屈曲因子明显降低了，螺旋屈曲井段(屈曲因子大于1.0)也仅限于造斜点附近小斜度井段(井斜角10°以内)。此外，当井斜角不变时，钻柱屈曲因子随水平段屈曲因子增大而增大。

该实施例充分说明，合理选择加重钻杆下入深度能够将螺旋屈曲临界点从普通钻杆上转移至加重钻杆上，将螺旋屈曲井段控制在造斜点附近小斜度井段内，从而降低了整个造斜段钻柱螺旋屈曲风险并最终降低了摩擦阻力。

该实施例还说明，当水平段屈曲因子较大时，普通钻杆屈曲范围会扩大至大斜度井段，此时应果断将加重钻杆下至大斜度井段，甚至要大于自由下滑临界井斜角。比如，当水平段屈曲因子为0.8时，螺旋屈曲临界井斜角基本上在60°左右，将加重钻杆下至井斜角75°才能满足要求。

实施例2：

为避免下部普通钻杆发生螺旋屈曲，限定加重钻杆下深处钻柱屈曲因子为0.9(相当于预留10％储备)，据此推荐加重钻杆下入深度(aw)和使用长度(Lw)。取造斜率K＝9°/30m，限定摩擦系数u＝0.25-0.35时，加重钻杆下深及使用长度随水平段屈曲因子变化规律见图5。取摩擦系数u＝0.30，限定造斜率K＝6°-12°/30m，加重钻杆下深及使用长度随水平段屈曲因子变化规律见图6。

据图5可以看出：①当摩擦系数不变时，加重钻杆下深及其使用长度均随水平段屈曲因子增大而迅速增大，将加重钻杆下深从上部小斜度井段下移至下部大斜度井段才能满足要求。 ②当水平段屈曲因子不变时，加重钻杆下深及其使用长度均随摩擦系数增大而增大。

目前的现场钻井作业，通常按照经验规定加重钻杆至多下至井斜角30°，但是这种传统设计方法难以合理选择加重钻杆下入深度及其使用长度，极有可能导致下部钻柱螺旋屈曲、水平段滑动钻进时摩阻问题突出，影响钻压传递效率和水平段延伸能力。通过以上两个实施例可以看出，通过本发明可以准确快速的计算出加重钻杆的使用长度和下入深度，得出最优的钻具组合，弥补传统设计方法的不足，可以有效避免下部钻柱发生螺旋屈曲，降低摩擦阻力，提高钻压传递效率和水平段延伸能力。本发明的设计方法对现场施工具有真正的指导意义。

下面对本发明进行补充说明。

本发明选择“软模型”和解析方法推导出了简单而实用的滑动钻进工况下水平井造斜段钻柱轴向力计算公式。利用4个公式可求造斜段任一位置(井斜角α)对应的钻柱轴向力。与现有相关公式相比，该组公式表达形式最简单，计算更方便。

水平段起点：F_t＝(μsinα_t-cosα_t)qL_t+W_s

钻杆： $(\begin{matrix} F_{a 1} (α) = [F_{t} - q R >sin(2 α_{c} - α_{t})]e^{u (α_{t} - α)}+qR>sin(2 α_{c} - α)α_{w} < α \leq α_{t} \end{matrix})$

钻杆与加重钻杆联结点： $F_{w} = [F_{t} - q R >sin(2 α_{c} - α_{t})]e^{u (α_{t} - α_{w})}+qR>sin(2 α_{c} - α_{w})$

加重钻杆： $(\begin{matrix} F_{a 2} (α) = [F_{w} - q_{w} R >sin(2 α_{c} - α_{w})]e^{u (α_{w} - α)}+q_{w}R>sin(2 α_{c} - α)α_{0} < α \leq α_{p} \end{matrix})$

此外，中间变量α_c＝arctan(1/μ)具有特殊含义，本发明中称之为“自由下滑临界井斜角”，因为该处钻柱自重沿井眼轴向分量恰好等于钻柱自重产生的摩擦阻力。理论上说，当钻柱所在位置的井斜角小于该井斜角时，钻柱在自重作用下能够自由向下滑动；当钻柱所在位置的井斜角大于该井斜角时，钻柱在自重作用下不能向下自由滑动。

本发明首次给出了滑动钻进工况下造斜段钻柱屈曲因子定义及计算方法。本发明中，将钻柱轴向力与螺旋屈曲临界载荷之比定义为“钻柱螺旋屈曲因子”，简称“钻柱屈曲因子”。利用该因子大小评价造斜段钻柱螺旋屈曲风险，寻找钻柱螺旋屈曲位置。

$c_{h} (α) = (\begin{matrix} [F_{t} - q R >sin(2 α_{c} - α_{t})]e^{u (α_{t} - α)}+qR>sin(2 α_{c} - α)2 \sqrt{\frac{2 E I q >\sinα}{r_{b}}}(α_{w} \leq α \leq α_{t})\frac{[F_{w} - q_{w} R >sin(2 α_{c} - α_{w})]e^{u (α_{w} - α)}+q_{w}R>\sin(2 α_{c} - α)}{2 \sqrt{\frac{2 {EIq}_{w} \sin α}{r_{b w}}}} & (α_{0} < α \leq α_{w}) \end{matrix})$

式中，r_bw为井眼半径与加重钻杆半径之差，m；其余符号同前。

当钻柱螺旋屈曲因子c_h＜1时，钻柱未发生螺旋屈曲；钻柱螺旋屈曲因子越小，螺旋屈曲风险也越低。当钻柱螺旋屈曲因子c_h＝1，钻柱处于临界螺旋屈曲状态。当钻柱螺旋屈曲因子 c_h＞1时，钻柱发生螺旋屈曲；钻柱螺旋屈曲因子越大，螺旋屈曲程度越严重。

本发明将水平段起点处钻柱屈曲因子定义为“水平段钻柱屈曲因子”，本发明中该因子既是水平段屈曲判别指标，也是倒装钻具组合设计关键参数之一。

本发明以水平井设计轨道为例，将水平段屈曲因子作为倒装钻具组合设计关键参数，选择最常用的3种井眼和钻具配合、造斜率和摩擦系数，给出了水平井倒装钻具组合设计图表 1和调整策略，可根据水平段钻柱屈曲因子大小合理选择加重钻杆下入深度及使用长度。本发明中给出的设计图表1具有通用性、实用性和借鉴作用。本发明总结出的水平井常用倒装钻具组合设计方案，见表1。

表1

表1中：^①对应于钻具组合1，^②对应于钻具组合，^③对应于钻具组合3。

①井眼和钻具配合形式

钻具组合1：其中，钻杆壁厚9.19mm、线密度29.0kg/m；加重钻杆壁厚25.4mm、线密度73.5kg/m。该钻具组合在钻井现场最常用。

钻具组合2：其中，钻杆壁厚9.19mm、线密度19.8kg/m；加重钻杆壁厚18.25mm、线密度37.7kg/m。该钻具组合在非常规油气(低渗透、页岩油气、煤层气等)开发中最常用。

钻具组合3：Φ152.4mm钻头+Φ120mm弯螺杆钻具+Φ148mm稳定器+Φ101.6mm无磁承压钻杆×1根+LWD+Φ101.6mm无磁承压钻杆×1根+Φ88.9mm钻杆×长度待定+Φ88.9mm加重钻杆×长度待定+Φ88.9mm钻杆。其中，Φ101.6mm钻杆壁厚8.55mm、线密度20.8kg/m； Φ101.6mm加重钻杆壁厚18.25mm、线密度44.2kg/m。该钻具组合在非常规油气开发中较常用，采用Φ101.6mm钻杆和Φ101.6mm加重钻杆之后，不仅井眼间隙减小了，钻具刚度也提高了，二者的螺旋屈曲临界载荷明显提高了，有助于延伸水平段长度，当水平段较长(大于 1000m)时有明显优势。

②井眼轨道设计参数

中半径、二维三段式水平井设计轨道；造斜点井斜角0°；水平段井斜角90°；造斜率 6°-12°/30m(默认值9°/30m)。

以水平段起点钻柱螺旋屈曲因子(简称“水平段钻柱屈曲因子”)综合反映钻压和水平段长度大小。取水平段钻柱屈曲因子λ_t＝0.1-0.9。

③其他相关参数

钻柱与井壁之间摩擦系数取值是否合理，对钻柱轴向力计算结果影响很大。通常情况下，裸眼段摩擦系数取0.25-0.35(默认值0.3)、套管段摩擦系数取0.2-0.3(默认值0.25)。钻井液密度影响钻柱浮重和钻柱屈曲临界载荷。本例中取钻井液密度1.2g/cm³。

通过上述说明可看出，在给定全部设计参数(包括轨道设计参数、钻具组合参数、摩擦系数、钻井液密度等)之后，本发明可以有两种方法合理选择加重钻杆下入深度及使用长度。

方法1：按给定设计参数和本发明所给设计流程和步骤，逐步计算出水平井造斜段钻柱屈曲因子，取造斜段钻柱屈曲因子为0.9(预留10％安全储备)迭代求解加重钻杆下入深度对应井斜角，进而求解出造斜点钻柱轴向力及加重钻杆使用长度。

方法2：按给定设计参数先求出水平段钻柱屈曲因子，然后按说明书给出的设计图表 1，直接查出加重钻杆下入深度及使用长度。必要时可以依据相近设计结果，采用插值方法，或按说明书中给出的调整策略，适当调整加重钻杆下入深度及使用长度。

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