異向雙彎鉆具組合設計與防斜應用

沈建中 賀慶

中國石化華東石油局工程技術設計研究院

異向雙彎鉆具組合設計與防斜應用

沈建中 賀慶

中國石化華東石油局工程技術設計研究院

井斜一直是常規鉆井中的一大難題，之前以鉆柱靜力學分析為基礎提出的防斜鉆具組合雖取得了“防斜鉆直”的效果，但需要降低鉆壓來保證防斜效果。為此，通過對異向雙彎鉆具防斜機理和側向力模擬分析，評價了其防斜打快性能：隨著彎接頭偏心角、鉆壓和扶正器的高度的增大，防斜效果越明顯；隨著端部和中部直殼體的長度增加，造斜率有所下降，且穩定性會更好。進而提出并設計了新型異向雙彎防斜鉆具組合，優化改進了異向雙彎鉆具的彎接頭、短節和單邊扶正器等關鍵部件的技術參數，從而保證了該鉆具組合具有較好的防斜效果并能夠施加足夠的鉆壓來提高機械鉆速。經過2口井的現場試驗證明，平均鉆速提高了73.93%，井斜角控制在10°以內，實現了復雜井段的防斜打快，取得了良好的經濟效益。

鉆井工具 異向雙彎 彎接頭 直殼體 防斜 數值模擬 鉆壓 機械鉆速

傳統的防斜鉆具組合例如鐘擺防斜鉆具組合、滿眼防斜鉆具組合、柔性防斜鉆具組合、偏心防斜鉆具組合等，一般是建立在鉆柱靜力學分析的基礎上提出的［1－2］，在此基礎上設計的鉆具組合一般忽略地層的各向異性以及鉆具的各向異性，除此之外，還要求降低鉆壓，甚至要求輕壓吊打，不惜犧牲鉆速來保證防斜效果。因此我們需要一種新的鉆具組合，除了具有較好的防斜效果并且能夠施加足夠的鉆壓來保證鉆速不受影響。異向雙彎鉆具由于其獨特的造斜特性，加上液力推進器可以提高足夠的鉆壓，為了在實際應用中取得更好的效果，我們有必要對異向雙彎鉆具組合的防斜機理和防斜特性［3－6］進行分析。

1 異向雙彎鉆具的防斜機理

異向雙彎鉆具（DTU）主要由彎接頭和直殼體組成，彎接頭是指本體中心軸線與公扣中心線成一定角度的配合接頭，主要應用于定向鉆具組合起支點作用來改變下部鉆具的方向。圖1、2分別為彎接頭和異向雙彎短節示意圖。

為了避免在鉆具設計、加工和現場施工的盲目性，有必要對異向雙彎井底鉆具的防斜特性進行分析，并對其造斜特性進行計算，以更有利于指導鉆井實踐。由于理論上精確地分析計算十分復雜，且地層因素及井眼條件等參數在現場難以確定，預測的與實鉆效果總有相當大的誤差，因此，以簡單的幾何分析方法計算預測工具的糾斜能力仍有一定的實用意義。

圖1 彎接頭示意圖

圖2 異向雙彎短節結構示意圖

對于雙彎鉆具，其坐標參數（圖3）為：

圖3 異向雙彎鉆具示意圖

式中L1為端部直殼體長度，即1號彎接頭肘點至鉆頭長度；L2為1號彎接頭肘點至端部直殼體長度；L3為2個彎曲肘點之間的距離，m；L4為上扶正器到上彎曲肘點的距離；γ1為下結構彎角，（°）；γ2為上結構彎角，（°）。造斜率k［（°）／30 m］為：

式中LT為從上扶正器到鉆頭的鉆具總長度，m；λ為彎角位置影響因子，無因次。

理論研究和實例驗證均表明，簡化公式具有很高的計算精度，與精確公式的計算結果基本相同。

2 異向雙彎鉆具的側向力模擬

筆者采用有限元軟件ABAQUS對模型進行模擬。ABAQUS是國際上最先進的大型通用有限元計算分析軟件之一，具有很好的模擬性能。其解決問題的范圍從相對簡單的線性分析到許多復雜的非線性問題。它包括一個豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫和與之相應的材料模型庫。作為通用的模擬工具，ABAQUS除了能解決大量結構（應力、位移）問題。首先在PROE建立模型并保存為STP格式，然后導入到ABAQUS軟件中，材料屬性定義各向均性的線彈性材料：彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比定義為0.3。然后經過組裝，采用四面體網格劃分，根據實際情況添加一定的扭矩和壓力，經過運算分析可以得到異向雙彎鉆具的受力云圖（圖4），然后通過分析靠近鉆頭的側向力就可以分析這種異向雙彎鉆具的防斜性能。

圖4 異向雙彎鉆具受力云圖

通過改變不同的尺寸和受力條件，我們得到各組成要素對異向雙彎鉆具防斜能力的影響，主要有：端部和中部直殼體的長度，扶正器的位置和形狀，彎接頭的偏心角，鉆壓等因素。通過改變某一變量，固定其他參數的方法，可以模擬和分析各組成要素的對防斜性能的影響，下面是我們的分析結果：

圖5 偏心角對側向力的影響圖

圖6 鉆壓對側向力的影響圖

從上面的分析結果可以看出，隨著偏心角、鉆壓和扶正器的高度的增大，防斜效果越明顯（圖5、6）；隨著端部和中部直殼體的增加，造斜率有所下降（圖7、8），但是穩定性會更好，便于施加鉆壓提高鉆速，因此我們要權衡各組成要素對整體防斜性能的影響，經過優化設計提出下面的設計方案并進行了現場試驗。

圖7 端部直殼體長度對側向力的影響圖

圖8 中部直殼體長度對側向力的影響圖

3 異向雙彎鉆具組合的設計

表1 異向雙彎鉆具結構參數表

新型的異向雙彎鉆具組合有如下特點：①偏心短鉆鋌的作用，②雙彎鉆具組合的作用，③鐘擺鉆具組合的防斜作用，④單邊扶正器可有效防止地層掉塊引起卡鉆及起下鉆困難的問題。其特征是在鉆頭與扶正器之間的鉆鋌的適當位置連接異向雙彎短鉆鋌，合理設計的異向雙彎半瓣短鉆鋌（異向雙彎半瓣短鉆鋌：該類型鉆鋌橫截面為在一空心圓柱面上設有半瓣穩定定位凸塊和異向雙彎的組合形狀，穩定定位凸塊為上下兩塊，與圓心成180°對稱設置，異向雙彎位于兩塊穩定定位凸塊處。）幾何形狀，使其在旋轉過程中具有足夠的離心力和較好的穩定作用。另外使用液力推力器主要目的是起隔離作用，減小其上部和下部鉆具的振動，從而減小鉆具和鉆頭受力的應力幅度，提高使用壽命，這可以使得鉆鋌振動平穩而不發生異常的沖擊振動，有利于延長鉆頭壽命，提高鉆井機械鉆速。

4 現場試驗

在現場的鉆井中，某試驗區為了保證井下安全通常是采用常規鉆具鉆進，隨著井深的增加，井斜不斷增大，完井井斜一般在13°～18°。

4.1 試驗鉆具組合

4.2 鉆井參數及試驗結果

異向雙彎鉆具現場試驗效果見表2。

該區1號試驗井、2號試驗井試驗了DTU短節，2口井在試驗井段通過強化鉆壓（180 k N）鉆進，平均機械鉆速達3.67 m／h，1號、2號試驗井的井斜均得到了有效控制，完鉆井斜控制10°以內，其中1號試驗井井斜控制在5°以內，井斜由使用前10°降至4.5°取得了較好的防斜打快效果（表2）。

表2 異向雙彎鉆具現場試驗效果表

5 結論

1）通過研究異向雙彎短節防斜機理并根據現場試驗，證實了DTU具有較好的防斜效果。

2）新設計的DTU鉆具組合結構簡單，雙彎單邊扶正器結構設計，增加環容，利于井下安全，滿足防斜快打的需要。

3）異向雙彎短節＋液力推進器的鉆具組合有效地釋放了鉆壓，機械鉆速提高了73.93%，井斜由13°～18°降至10°以內。

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［2］李佩武，董明鍵，張居波.防斜打直新技術在川科1井中的應用［J］.天然氣工業，2010，30（7）：62－64.

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Design of the double－titled U－joint housing drilling tool and its application to well deviation control

Shen Jianzhong，He Qing
（Engineering Design ＆Research Institute of East China Petroleum Bureau，Sinopec，Nanjing，Jiangsu 210031，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 5，pp.55－58，5／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Well deviation is always a bottlenecking problem during the conventional drilling process.Although this problem can be solved by the previously used deviation－control BHA based on the static analysis of the drilling string，the WOB has to be reduced.In view of this，the study on the mechanism of double－titled U－joint housing（DTU）drilling tool is made，and a simulation analysis is conducted regarding the side force on the tool to evaluate its deviation－control performance.It is observed that the deviation control will become better with the higher eccentricity of the bent house，the higher WOB，and the higher stabilizer placement.And the longer the end and middle sections of the housing，the lower the buildup rate will be and the higher the stability will become.Thus，a new type of DTU is then developed with its technical parameters optimized including the critical parts like the bent housing，the sub and the stabilizer，thereby to help achieve not only a better deviation control performance but a higher ROP under enough WOB.Through pilot tests in two wells，the average ROP was enhanced by 73.93%and the well deviation is controlled within 10°.Therefore，this new type of DTU is proved to help achieve economic benefit.

drilling tool，DTU，deviation control，numerical simulation，WOB，ROP

沈建中，1975年生，工程師；2004年畢業于石油大學石油工程專業；主要從事鉆井工藝技術研究工作。地址：（210031）江蘇省南京市華東石油局工程技術設計研究院。電話：（025）58869097。E－mail：sjz＿75＠sina.com

沈建中等.異向雙彎鉆具組合設計與防斜應用.天然氣工業，2012，32（5）：55－58.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.05.015

（修改回稿日期 2012－03－01 編輯 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.05.015

Shen Jianzhong，engineer，born in 1975，graduated in petroleum engineering from China University of Petroleum in 2004.He is now doing research on drilling technology.

Add：Nanjing，Jiangsu 210031，P.R.China

Tel：＋86－25－5886 9097 E－mail：sjz＿75＠sina.com