一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法，包括如下步驟：a.求取入井管柱底部的總水平位移；b.求取垂直引起的作用力；c.求取水平引起的作用力；d.計算大鉤載荷。本發(fā)明實現(xiàn)用于預測石油鉆機大鉤載荷的一種方法，通過井眼軌道或規(guī)跡、入井管柱的特性參數(shù)等已知條件，確保了計算結果的可靠性；通過經(jīng)驗模型和模型折算系數(shù)，確保了數(shù)據(jù)計算結果的精度；為工程技術人員鉆機選型和鉆井施工安全評估提供了幫助。
【專利說明】
-種石油鉆機大鉤載荷的計算方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明設及油氣井工程領域，特別是一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法。
【背景技術】
[0002] 大鉤載荷指大鉤所承受的軸向力。它是鉆機選型及設備配套的重要基礎數(shù)據(jù)之 一，也是進行鉆井施工安全評估的重要依據(jù)之一。因此，鉆井時有效預測大鉤載荷是非常重 要的。從鉆井、完井及處理復雜事故等過程中，大鉤所承受的載荷包括鉆機起升系統(tǒng)和管柱 自重、鉆井液作用的浮力、彎曲井段彎曲力、井壁作用的摩阻力及遇阻遇卡活動時沖擊力等 多種力。其中，彎曲力、摩阻力和沖擊力計算相對比較復雜。
[0003] 目前，現(xiàn)有石油行業(yè)推薦標準SY/T 5724-2008《套管柱結構與強度設計》和公開專 著《油氣井管柱力學與工程》（中國石油大學出版社，2006年10月出版），公開了直井、二維井 眼和Ξ維井眼的軸向力計算模型，將井眼軌道或軌跡劃分為N個微元段，根據(jù)靜載荷的平衡 原理和不同的數(shù)學模型，進行遞推計算出不同管柱在不同工況下的軸向力。運種計算方法， 根據(jù)不同的井眼軌跡和管柱組合進行微小單元計算并疊加求解，可靠性高，得到鉆井行業(yè) 技術人員認可。不足之處是計算模型復雜，計算過程繁瑣，需要借助專業(yè)軟件方可得到結 果，不利于鉆井作業(yè)現(xiàn)場使用。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法，W解決目前采用的計 算模型復雜、計算過程繁瑣等問題。
[0005] 本發(fā)明解決其技術問題采用的技術方案是:一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法， 它包括如下步驟：
[0006] a.根據(jù)井眼軌道或軌跡確定關鍵井深點的數(shù)量；
[0007] b.獲取計算的基本數(shù)據(jù)；
[000引C.求取垂直引起的作用力Τν，單位為牛;計算公式為：
[0009]
[0010] 式中：j為垂直分段變量，無量綱;qej為第j段垂直管柱單位長度有效重量，單位為 N/m; ΔΗν^為第j段井眼垂直增量，單位為米；
[OOW d.求取水平引起的作用力Th，單位為牛;分為W下子步驟：
[0012] ①、求取入井管柱底部的總水平位移化，單位為米;計算公式為：
[0013]
[0014] 式中：i為井深分段變量，無量綱;Ni為第i點的北坐標，Ni-i為第i-1點的北坐標，Ei 為i點的東坐標，Ei-i為第i -1點的東坐標，單位為米；
[001引②、求取水平引起的作用力Th，單位為牛;計算公式為：
[0016]
[0017] 式中：λ為模型折算系數(shù)，無量綱;k為水平分段變量，Wk為第k段摩阻系數(shù)，無量綱； qek為第k段水平管柱單位長度有效重量，單位為N/m; Hhk為第k段水平位移長度，單位為米；
[0018] e.計算大鉤載荷T，單位為牛;計算公式為：
[0019] T = Tv±Th
[0020] 式中符號"±"的使用方式：當上提管柱時，使用V'號；當下放管柱或鉆進時，使用 當管柱靜止時，水平引起的作用力化取零計算。
[0021] 所述步驟C中，垂直分段變量j的上邊界m是由入井管串在垂直方向表現(xiàn)出的不同 單位長度重量的數(shù)量確定。
[0022] 所述步驟C中，垂直管柱單位長度有效重量qej是根據(jù)W下公式求?。?br>[0023]
[0024] 式中：qsj為第j段管柱在空氣中的單位長度重量，單位為kg/m; Pd為鉆井液密度，單 位為g/cm3; Ps為管柱管材密度，單位為g/cm3;
[0025] 管柱在空氣中的單位長度重量qsj是根據(jù)鉆具組合參數(shù)中的管柱特性參數(shù)確定；
[0026] 鉆井液密度Pd是根據(jù)工程設計或現(xiàn)場實際使用鉆井液密度確定；
[0027] 管柱管材密度Ps是根據(jù)管柱的特性參數(shù)確定。
[0028] 所述步驟C中，井眼垂深增量ΔΗν^是根據(jù)入井管串在井眼軌道或軌跡對應垂直深 度確定。
[0029] 所述驟d中，井深分段變量i的上邊界η是根據(jù)井眼軌道或軌跡的關鍵井深點數(shù)量 減1確定。
[0030] 所述驟d中，水平分段變量k的上邊界Ρ是根據(jù)入井管串在井眼水平方向表現(xiàn)出的 不同單位長度重量確定。
[0031] 所述步驟d中，模型折算系數(shù)λ是回歸求取或推薦使用1.6-2.0中的某一數(shù)值；
[0032] 所述步驟d中，水平管柱單位長度有效重量qek是根據(jù)W下公式求?。?br>[0033]
[0034] 式中：qsk為第k段管柱在空氣中的單位長度重量，單位為kg/m; Pd為鉆井液密度，單 位為g/cm3; Ps為管柱管材密度，單位為g/cm3;
[0035] 管柱在空氣中的單位長度重量qsk是根據(jù)鉆具組合參數(shù)中的管柱特性參數(shù)確定；
[0036] 鉆井液密度Pd是根據(jù)工程設計或現(xiàn)場實際使用鉆井液密度確定；
[0037] 管柱管材密度Ps是根據(jù)管柱的特性參數(shù)確定。
[0038] 本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明通過利用井眼軌道或軌跡、入井管柱的特性參數(shù)等 條件數(shù)據(jù)，確保了計算結果的可靠性;通過利用模型折算系數(shù)，確保了數(shù)據(jù)計算結果的精 度;能滿足石油行業(yè)工程技術人員鉆機選型和鉆井施工安全評估的需求，依據(jù)該發(fā)明的計 算方法制作計算器計算即可求取大鉤載荷。
【具體實施方式】
[0039] 實施例1
[0040] 任何一個井眼均有垂直井深和水平位移兩個參數(shù)，入井的管柱主要由鉆桿、加重 鉆桿和鉆挺等鉆井管柱或套管柱構成;大鉤載荷基于W上數(shù)據(jù)作為主要已知條件，根據(jù)發(fā) 明模型分別計算出垂直、水平引起的作用力，疊加或減求取即為不同工況下的大鉤載荷。
[0041] 它包括如下步驟：
[0042] a.根據(jù)井眼軌道或軌跡確定關鍵井深點的數(shù)量；
[0043] b.獲取計算的基本數(shù)據(jù)；
[0044] C.求取垂直引起的作用力Τν，單位為牛;計算公式為：
[0045]
[0046] 式中：j為垂直分段變量，無量綱;qej為第j段垂直管柱單位長度有效重量，單位為 N/m; ΔΗν^為第j段井眼垂直增量，單位為米；
[0047] d.求取水平引起的作用力化，單位為牛;分為W下子步驟：
[004引1、求取入井管柱底部的總水平位移化，單位為米;計算公式為：
[0049]
[0050] 式中：i為井深分段變量，無量綱;Ni為第i點的北坐標，Ni-i為第i-1點的北坐標，Ei 為i點的東坐標，Ei-i為第i -1點的東坐標，單位為米；
[0051] 2、求取水平引起的作用力化，單位為牛;計算公式為：
[0化2]
[0053] 式中：λ為模型折算系數(shù)，無量綱;k為水平分段變量，Wk為第k段摩阻系數(shù)，無量綱； qek為第k段水平管柱單位長度有效重量，單位為N/m; Hhk為第k段水平位移長度，單位為米；
[0054] e.計算大鉤載荷T，單位為牛;計算公式為：
[0055] T = Tv±Th
[0056] 式中符號"±"的使用方式：當上提管柱時，使用V'號；當下放管柱或鉆進時，使用 當管柱靜止時，水平引起的作用力化取零計算。
[0057] 本發(fā)明通過利用井眼軌道或軌跡、入井管柱的特性參數(shù)等條件數(shù)據(jù)，確保了計算 結果的可靠性;通過利用模型折算系數(shù)，確保了數(shù)據(jù)計算結果的精度;能滿足石油行業(yè)工程 技術人員鉆機選型和鉆井施工安全評估的需求，依據(jù)該發(fā)明的計算方法制作計算器計算即 可求取大鉤載荷。
[0化引實施例2
[0059] 所述步驟b中，獲取的計算基本數(shù)據(jù):完鉆井深、垂深、井身結構(包括開次、井眼尺 寸、井深、套管外徑及下深）、井眼軌道或數(shù)據(jù)(包括測深、垂深、井斜角、方位角、北坐標、東 坐標、全角變化率）、鉆具組合參數(shù)(包括鉆具名稱、外徑、單根長度、單位長度重量、數(shù)量、長 度），使用鉆井液密度體系名稱，密度；
[0060] 所述步驟C中，垂直分段變量j的上邊界m是由入井管串在垂直方向表現(xiàn)出的不同 單位長度重量的數(shù)量確定。例如，入井管串垂直方向上為18根Φ 88.9mm鉆桿+21根Φ 127mm 加重鉆桿+36根Φ 127mm鉆桿，其單位長度重量分別為19.80、75.27、32.6化g/m，則垂直分段 變量j的上邊界m是3;
[0061] 所述步驟c中，垂直管柱單位長度有效重量qej是根據(jù)W下公式求?。?br>[0062]
[0063] 式中：qsj為第j段管柱在空氣中的單位長度重量，單位為kg/m; Pd為鉆井液密度，單 位為g/cm3; Ps為管柱管材密度，單位為g/cm3;
[0064] 管柱在空氣中的單位長度重量qsj是根據(jù)鉆具組合參數(shù)中的管柱特性參數(shù)確定；
[0065] 鉆井液密度Pd是根據(jù)工程設計或現(xiàn)場實際使用鉆井液密度確定；
[0066] 管柱管材密度Ps是根據(jù)管柱的特性參數(shù)確定，例如鋼材的密度為7.85g/cm3;
[0067] 所述步驟C中，井眼垂深增量ΔΗν^是根據(jù)入井管串在井眼軌道或軌跡對應垂直深 度確定。
[006引實施例3
[0069] 所述驟d中，井深分段變量i的上邊界η是根據(jù)井眼軌道或軌跡的關鍵井深點數(shù)量 減1確定。例如某井井眼軌道關鍵井深點數(shù)量為8,則上邊界η值為7;
[0070] 所述驟d中，水平分段變量k的上邊界Ρ是根據(jù)入井管串在井眼水平方向表現(xiàn)出的 不同單位長度重量確定。例如，某井324m總水平位移化的鉆具管串為討良Φ 88.9mm鉆桿+9根 (1)127111111加重鉆桿+24根(1)127111111鉆桿，其單位長度重量分別為19.80、75.27、32.6化肖/111，單 根Φ88.9mm鉆桿、Φ 127mm加重鉆桿、Φ 127mm鉆桿的長度均為9m，則水平分段變量P是3,總 水平位移化劃分的段長分別是27m、81m、216m;
[0071] 所述步驟d中，模型折算系數(shù)λ是回歸求取或推薦使用1.6-2.0中的某一數(shù)值；
[0072] 所述步驟d中，摩阻系數(shù)Wk是根據(jù)表1的參考值確定或者回歸求取；
[0073] 表1摩阻系數(shù)經(jīng)驗參考值
[0074]
[0075] 所述步驟d中，水平管柱單位長度有效重量qek是根據(jù)W下公式求?。?br>[0076]
[0077] 式中：qsk為第k段管柱在空氣中的單位長度重量，單位為kg/m; Pd為鉆井液密度，單 位為g/cm3; Ps為管柱管材密度，單位為g/cm3;
[0078] 管柱在空氣中的單位長度重量qsk是根據(jù)鉆具組合參數(shù)中的管柱特性參數(shù)確定；
[0079] 鉆井液密度Pd是根據(jù)工程設計或現(xiàn)場實際使用鉆井液密度確定；
[0080] 管柱管材密度Ps是根據(jù)管柱的特性參數(shù)確定，例如鋼材的密度為7.85g/cm3;
[0081 ] 實施例4
[0082] 本實施例根據(jù)一口水平井井A數(shù)據(jù)計算石油鉆機大構載荷，對本發(fā)明作進一步的 描述：
[0083] a.根據(jù)井A軌道確定關鍵井深點的數(shù)量為6;
[0084] b.獲取計算的基本數(shù)據(jù)：
[00化](1)井A井身結構數(shù)據(jù)如表2所示，井眼完鉆井深:4443.00m，垂深:3461.00m。
[0086] 表2井A井身結構數(shù)據(jù)表
[0087]
[0088] (2)井A井眼軌道數(shù)據(jù)表如表3所示。
[0089] 表3井眼軌道數(shù)據(jù)表
[0090]
[0091] (3)井A鉆至4443.00m時的二開鉆具組合及鉆具特性參數(shù)數(shù)據(jù)如表4所示。
[0092] 表4鉆具組合及鉆具特性參數(shù)
[0093]
[0094] c.計算垂直引起的作用力Tv:
[00巧]計算公式為：
[0096]
[0097] 式中：由于入井管串在垂直方向表現(xiàn)加重鉆桿和鉆桿兩種。因此，垂直分段變量j 的上邊界m為2，第1段垂直管柱為外徑127.00mm的加重鉆桿，單位長度重量qsi為75.2化g/m， 井眼垂深增量A Hvi是334.80m(36根鉆桿，單根長度9.30m);第2段垂直管柱為外徑127.00mm 的鉆桿，單位長度重量qsi為32.6化g/m，井眼垂深增量Δ Hv2是3126.20m(垂深3461.00m與第 1段井眼垂深增量334.80m的差值）；鉆井液密度Pd為1.25g/cm3，管柱管材密度Ps為7.85g/ cm3。則
[0098] 9.81 X (1-1.25^7.85) X (75.27X334.80+32.62X3126.20)
[0099] =1048943.00N
[0100] d.計算水平引起的作用力化：
[0101] 第一步:求取入井鉆柱底部的總水平位移化。
[0102] 計算公式為：
[0103]
[0104] 式中：井深分段變量i的上邊界η為5;第1點的北坐標No為Om，東坐標Eo為Om;第2點 的北坐標化為Om，東坐標El為Om;第3點的北坐標化為62.89m，東坐標E2為-21.35m;第4點的 北坐標N4為83.59m，東坐標E4為-28.38m;第5點的北坐標N4為434.00m，東坐標E4為- 147.00m;第6點的北坐標化為11化.66m，東坐標Es為-380.48m。貝IJ
[0105]
[0106] 第二步:求取水平引起的作用力化。計算公式為：
[0107]
[0108] 式中：模型折算系數(shù)λ取1.85 ;鉆井液密度Pd為1.25g/cm3，管柱管材密度Ps為 7.85g/cm3;鉆井液體系為聚合物水基類，查表1可知套管內摩阻系數(shù)取0.2,裸眼段摩阻系 數(shù)取0.3,模型折算系數(shù)取1.85。由于入井管串在水平方向表現(xiàn)無磁鉆挺、加重鉆桿和鉆桿3 種。因此，水平分段變量k的上邊界P為3。第1段水平管柱為無磁鉆挺，摩阻系數(shù)μι為0.3,單 位長度重量qsi為149.1 Ikg/m，水平位移長度化1為9.15m( 1根鉆挺，單根長度9.15m);第2段 水平管柱為加重鉆桿，摩阻系數(shù)μ2為0.3，單位長度重量qsi為75.2化g/m，水平位移長度化2為 83.70m(9根加重鉆桿，單根長度9.30m);第3段水平管柱為鉆桿，摩阻系數(shù)μ3為0.3，單位長 度重量qsi為32.6化g/m，水平位移長度化2為1095.37m(總水平位移1188.22m與第1、2段井眼 水平位移長度9.15、83.70m的差值）。則
[0109] 9.81X1.85X(1-1.25^7.85)
[0110] X (0.3 X 149.11 X 9.15+0.3 X 75.27 X 83.7
[0111] +0.3X32.62X1095.37)
[0112] =198646.20N
[0113] e.計算上提鉆具時的大鉤載荷T。計算公式為：
[0114] T = Tv+Th
[0115] 垂直引起的作用力Tv為1048943.00N，水平引起的作用力Th為198646.20N。貝IJ
[0116] 1048943.00+198646.20 = 1247589.20N= 1247.59kN
[0117] 計算結果的誤差分析：
[0118] 利用目前大型專業(yè)軟件計算的結果為1201.45kN，比較誤差約3.84%;實際鉆井現(xiàn) 場指重表監(jiān)測數(shù)據(jù)為1222. OOkN，比較誤差約2.09%。
【主權項】
1. 一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法，它包括如下步驟： a. 根據(jù)井眼軌道或軌跡確定關鍵井深點的數(shù)量； b. 獲取計算的基本數(shù)據(jù)； c. 求取垂直引起的作用力IV，單位為牛;計算公式為：式中：j為垂直分段變量，無量綱;Qej為第j段垂直管柱單位長度有效重量，單位為N/m; A Hvj為第j段井眼垂直增量，單位為米； d. 求取水平引起的作用力Th，單位為牛;分為以下子步驟： ① 、求取入井管柱底部的總水平位移Hh，單位為米;計算公式為：式中：i為井深分段變量，無量綱;Ni為第1點的北坐標，Ni-i為第i-Ι點的北坐標，EAiA 的東坐標，Ei-i為第i-1點的東坐標，單位為米； ② 、求取水平引起的作用力Th，單位為牛;計算公式為：式中：λ為模型折算系數(shù)，無量綱;k為水平分段變量，yk為第k段摩阻系數(shù)，無量綱;(^為 第k段水平管柱單位長度有效重量，單位為N/m; Hhk為第k段水平位移長度，單位為米； e. 計算大鉤載荷T，單位為牛;計算公式為： T = TV土Th 式中符號" ±"的使用方式：當上提管柱時，使用"+"號；當下放管柱或鉆進時，使用； 當管柱靜止時，水平引起的作用力Th取零計算。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法，其特征是:所述步驟c中， 垂直分段變量j的上邊界m是由入井管串在垂直方向表現(xiàn)出的不同單位長度重量的數(shù)量確 定。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法，其特征是:所述步驟c中， 垂直管柱單位長度有效重量qg是根據(jù)以下公式求取：式中：qsj為第j段管柱在空氣中的單位長度重量，單位為kg/m; pd為鉆井液密度，單位為 g/cm3; ps為管柱管材密度，單位為g/cm3; 管柱在空氣中的單位長度重量qsj是根據(jù)鉆具組合參數(shù)中的管柱特性參數(shù)確定； 鉆井液密度Pd是根據(jù)工程設計或現(xiàn)場實際使用鉆井液密度確定； 管柱管材密度PS是根據(jù)管柱的特性參數(shù)確定。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法，其特征是:所述步驟c中， 井眼垂深增量A Hvj是根據(jù)入井管串在井眼軌道或軌跡對應垂直深度確定。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法，其特征是:所述驟d中，井 深分段變量i的上邊界η是根據(jù)井眼軌道或軌跡的關鍵井深點數(shù)量減1確定。6. 根據(jù)權利要求1所述的一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法，其特征是:所述驟d中，水 平分段變量k的上邊界p是根據(jù)入井管串在井眼水平方向表現(xiàn)出的不同單位長度重量確定。7. 根據(jù)權利要求1所述的一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法，其特征是:所述步驟d中， 模型折算系數(shù)λ是回歸求取或推薦使用1.6-2.0中的某一數(shù)值。8. 根據(jù)權利要求1所述的一種石油鉆機大鉤載荷的計算方法，其特征是:所述步驟d中， 水平管柱單位長度有效重量qA是根據(jù)以下公式求?。菏街校簈sk為第k段管柱在空氣中的單位長度重量，單位為kg/m; pd為鉆井液密度，單位為 g/cm3; ps為管柱管材密度，單位為g/cm3; 管柱在空氣中的單位長度重量qsk是根據(jù)鉆具組合參數(shù)中的管柱特性參數(shù)確定； 鉆井液密度Pd是根據(jù)工程設計或現(xiàn)場實際使用鉆井液密度確定； 管柱管材密度PS是根據(jù)管柱的特性參數(shù)確定。
【文檔編號】G06F17/50GK105825028SQ201610195698
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月31日
【發(fā)明人】梁宏偉, 李欣, 劉克強, 武自博, 牛濤, 周珊珊, 楊敏, 曹建偉, 楊憲利
【申請人】中國石油集團川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院