單彎螺桿鉆具組合防斜打快技術研究

姜興福(西部鉆探準東鉆井公司，新疆 昌吉831100）

螺桿鉆具是一種以鉆井液為動力液的井下動力鉆具，在石油工程領域中應用較為廣泛。螺桿鉆具具有低轉速、大扭矩、大排量等特點，增加了鉆頭扭矩和功率，減少了鉆桿和套管的磨損和損壞，因而可以提高鉆井效率[1-2]。針對易斜地區防斜打快問題，筆者探討了單彎螺桿鉆具防斜打快機理，并采用有限元分析方法對正常鉆進時單彎螺桿鉆具的力學特性進行了模擬，以便為優化單彎螺桿鉆具組合和施工參數設計提供參考。

1 單彎螺桿鉆具組合的特點

圖1 單彎螺桿示意圖

單彎螺桿鉆具組合是一種偏心的井下動力鉆具，彎曲的螺桿在轉動的過程中會產生一定的離心慣性力，該慣性力可以增加鉆頭的側向力，可以達到降斜的目的，單彎螺桿鉆具組合示意圖如圖1所示。與傳統的防斜鉆具組合相比，單彎螺桿鉆具的優勢主要表現在以下幾個方面[3-4]：①螺桿鉆具組合增加了鉆頭的側向力。由于螺桿結構彎角的存在，肘點附近部分的中心偏離了軸線，螺桿在旋轉時產生了離心的慣性力，增大了鉆頭的側向力，從而可以達到防斜糾斜的作用。②單彎螺桿鉆具增加了單位進尺下鉆頭橫向切削井壁的次數。通過轉盤與螺桿鉆具實施聯合鉆進，鉆頭轉速明顯提高，即使用螺桿鉆具后，即在單位進尺下，鉆頭切削下井壁的次數是普通鐘擺鉆具的2～4倍。由于鐘擺鉆具是由鉆頭切削下井壁來實現防斜糾斜效果的，因此，增加單位進尺下鉆頭切削井壁的轉數可以達到防斜的作用。③螺桿鉆具在轉動時鉆頭的轉角呈正負交替變化。當螺桿的肘點位于下井壁時，鉆頭的傾角沿井斜的方向；當螺桿的肘點轉到上井壁，鉆頭的傾角變為與井斜方向相反的方向；螺桿在轉動一周時，鉆頭的傾角呈正負交替變化，由此可以抵消鉆頭傾角導致的井斜(見圖2）。④應用 “單彎螺桿＋PDC鉆頭”井下動力鉆具組合，在鉆進單位進尺時，PDC鉆頭切削井壁的次數是普通鐘擺鉆具的2～4倍。進尺相同條件下，增加鉆頭切削井壁次數可以提高防斜的能力。

圖2 單彎螺桿轉動時鉆頭傾角變化示意圖

2 單彎螺桿鉆具組合力學特性分析

在常規鉆具組合的基礎上將3m短鉆鋌改為6m短鉆鋌。改進的單彎螺桿鉆具組合設計如下(見圖3）：?215．9mm鉆頭＋?165mm單彎螺桿6．5m＋?159mm 鉆鋌9m＋?159mm短鉆鋌6m＋?214mm穩定器＋?159mm鉆鋌63m＋?127mm鉆桿。鉆井參數：鉆壓為1～3t；轉速為60～80r／min。

圖3 單彎螺桿鉆具組合示意圖

在鉆進過程中，關注井下單彎螺桿在轉動時的力學性能變化情況很重要，因而利用有限元方法對螺桿鉆具組合在井下轉進時的力學性能進行分析。圖4所示是鉆頭側向力和鉆頭轉角隨裝置角變化情況。由圖4可知，鉆頭側向力按簡諧規律進行變化，彎角靠下井壁時鉆頭側向力最大；鉆頭傾角呈正負交替的規律變化，因而在井斜角較大時具有較強的糾斜能力。

取裝置角為180°，對上述鉆具組合進行有限元計算。裝置角為180°時位移矢量圖如圖5所示(圖中右側為鉆頭）。由圖5可知，彎角以下的桿件橫向位移很小，加上一定厚度的偏心塊后不會造成與井壁接觸的問題。裝置角為180°時彎矩分布圖如圖6所示。由圖6可知，穩定器處的彎矩處于最大值而螺桿彎角處的彎矩很小。裝置角為180°時穩定器處應力分布如圖7所示。由圖7可知，穩定器處的應力最大。裝置角為180°時彎角處應力分布如圖8所示。由圖8可知，螺桿彎角處的應力很低。因此，螺桿改進后不會改變其在井下的應力狀態，可以安全使用。

圖4 鉆頭側向力和鉆頭轉角隨裝置角的變化圖

圖5 裝置角為180°時位移矢量圖

圖6 裝置角為180°時彎矩分布圖

圖7 裝置角為180°時穩定器處應力分布圖

圖8 裝置角為180°時彎角處應力分布圖

3 結 語

對單彎螺桿鉆具組合的特點進行了探討，采用有限元方法分析其在井下轉進時的力學性能。研究發現，單彎螺桿鉆具組合在轉動時，鉆頭側向力作為一種降斜力按簡諧規律進行變化，彎角靠下井壁時鉆頭側向力最大；鉆頭傾角按正負交替的規律變化，在井斜角較大時具有較強的糾斜能力。有限元計算結果表明，螺桿改進后沒有改變其在井下的應力狀態，可以安全使用。

[1]章揚烈 ．鉆柱運動學與動力學 [M]．北京：石油工業出版社，2000．

[2]鐘文建 ．復合鉆井防斜打快技術研究與應用 [D]．荊州：長江大學，2010．

[3]曹榮 ．鐘擺鉆具組合非線性屈曲的有限元分析 [J]．鉆采工藝，2008，31（4）：105-107．

[4]劉修善，岑章志，蘇義腦 ．底部鉆具組合的力學特性分析 [J]．工程力學，1999，16（增）：132-135．