塔式鉆具組合對氣體鉆井井斜影響研究

龍 剛管志川練章華蔣祖軍王希勇

（1.中國石油大學，山東東營 257061；2.中石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽 618000；3.西南石油大學，四川成都 610500）

塔式鉆具組合對氣體鉆井井斜影響研究

龍 剛1，2管志川1練章華3蔣祖軍3王希勇3

（1.中國石油大學，山東東營 257061；2.中石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽 618000；3.西南石油大學，四川成都 610500）

氣體鉆井技術由于其具有保護儲層、防止井漏和大幅度提高鉆井速度等優勢而被廣泛應用。但在實際鉆井過程中暴露出一定程度的井斜不易控制問題制約著此技術的發展。為探討塔式鉆具組合對氣體鉆井井斜的影響，基于塔式鉆具組合在鉆井時的力學受力分析，建立了塔式鉆具組合在氣體鉆井條件下的有限元靜力學模型，并通過理論計算驗證了其正確性。結合川西某氣井實際鉆井資料，進行了塔式鉆具組合的防斜效果研究，探討了井斜效果影響因素，表明其降斜能力隨著井斜角和鉆壓的變化而變化，使用空氣錘的塔式鉆具組合比使用牙輪鉆頭的組合有更大的降斜防斜能力，為塔式鉆具組合在氣體鉆井中的井斜控制研究和現場施工提供了理論指導。

氣體鉆井；塔式鉆具組合；有限元模型；井斜分析

氣體鉆井以氣體循環介質替代傳統液體循環介質，正逐漸成為能大幅提高機械鉆速、發現與保護油氣層、治理惡性井漏、降低鉆井成本的重要技術手段，并成功地解決了漏失嚴重地層、低滲透地層、水敏性低壓地層、嚴重缺水地區等特殊條件下的鉆井難題［1］。而由于鉆井液介質的不同, 造成鉆柱在井眼內遇到的阻力、鉆柱與井壁的碰摩系數和頻率、鉆柱的偏心質量等多種因素發生變化,形成氣體鉆井特有的動態造斜規律［2］，導致氣體鉆井普遍存在井斜不易控制的難題［3］，進而極大影響井身質量，甚至導致中途填井重鉆或報廢等問題。因此，基于理論和實際應用的需要，開展氣體鉆井井斜分析的研究意義重大。

目前對氣體鉆井井斜機理的研究和在井斜控制方面可供調研和參考的相關文獻較少。高如軍［4］從氣體鉆井可控和不可控因素進行分析，認為巖石破巖機理和地層各向異性是影響氣體鉆井井斜的主要原因。胡以寶［5］分析斜直井眼中全井鉆柱的受力變形特點,建立了鉆柱動力學模型,史玉才［6］對偏軸鐘擺鉆具組合進行了分析，均為井斜力學研究提出了一種方法。張杰等［7］針對光鉆鋌鐘擺鉆具在定向井穩斜段進行了井斜規律的探討，并給出了關鍵參數的計算方法。李敬元等［8］分析了鉆壓、鉆井流體密度對鉆具增斜能力的影響。練章華等［9-10］用有限元法對比分析了氣體鉆井和鉆井液鉆井條件下的井斜趨勢，并設計出氣體鉆井時具有較強的防斜糾斜能力的穩定器。張輝等［11］應用縱橫彎曲BHA（底部鉆具組合）分析方法和鉆頭與地層相互作用模型，探討了氣體鉆井井斜機理，并提出通過調整鉆具組合和鉆井參數來提高井身質量的方法。筆者利用有限元軟件對氣體鉆井中塔式鉆具組合的力學特性進行模擬分析，并結合現場資料探討塔式鉆具組合在不同鉆頭配合下的井斜效果分析，以期對井斜控制研究及現場施工提供理論指導。

1 塔式鉆具有限元力學模型建立

塔式鉆具組合是基于靜力學防斜打直技術,主要是利用傾斜井眼中鉆頭與切點之間的鉆鋌重力之橫向分力,迫使鉆頭趨向井眼低邊降斜鉆進，以達到糾斜和防斜的效果。在此，建立塔式鉆具組合與井壁接觸的非線性有限元靜力學簡化模型，得到如圖1 （a）塔式鉆具組合力學模型，其中L1為塔式鉆具組合中鉆頭上第一段鉆鋌長度，L2為第二段鉆鋌長度，L3為第三段鉆鋌或者加重鉆桿的長度。塔式鉆具組合在井斜角為α的井眼中受到鉆壓和重力的作用而與井眼下井壁接觸，即上切點。塔式鉆具組合的上切點可以通過光鉆鋌鉆具組合的三彎矩方程［12］求得，在有限元模型中取出塔式鉆具組合中上切點至鉆頭的鉆鋌進行防斜效果分析，其有限元模型如圖1（b）中所示。

圖1 氣體鉆井中塔式鉆具組合有限元力學模型

2 塔式鉆具對井斜影響分析

2.1 塔式鉆具組合有限元參數

現根據川西某氣井二開井段空氣鉆井塔式鉆具組合進行模型驗證，其鉆具組合為鉆具組合Ⅰ：?311.15 mm牙輪鉆頭+630×630浮閥+631×730+ ?288.6 mm鉆鋌×3根+731×731+?288.6 mm減震器+?203.2 mm無磁鉆鋌+?203.2 mm 鉆鋌×7根+ 631 × 410+?177.8 mm 鉆鋌×6+?127 mm 鉆桿+411×410回壓閥。

?311.15 mm空氣鉆頭及錘+630×630浮閥+631 ×730+?288.6 mm 鉆鋌×3根+731×731+?203.2 mm 無磁鉆鋌+?203.2 mm 鉆鋌×7根+631×410+ ?177.8 mm 鉆鋌×3+?127 mm 鉆桿+411×410回壓閥。

為了研究不同鉆鋌尺寸及配合空氣錘和牙輪鉆頭時塔式鉆具組合中的防斜效果，改變上述鉆具組合Ⅰ為鉆具組合Ⅱ：?311.15 mm牙輪鉆頭+630×630浮閥+631×730+?203.2 mm 鉆鋌×3根+731×731+?203.2 mm減震器+?203.2 mm 無磁鉆鋌+?203.2 mm 鉆鋌×7根+631×410+?152.4 mm 鉆鋌×6+?127 mm 鉆桿+411×410回壓閥。

?311.15mm空氣鉆頭及錘+630×630浮閥+ 631 ×730+?203.2 mm 鉆鋌×3根+731×731+?203.2 mm無磁鉆鋌+?203.2 mm 鉆鋌×7根+631×410+?152.4 mm鉆鋌×3+?127 mm鉆桿+411×410回壓閥。

根據氣體鉆井鉆井參數得到有限元模型中結構參數，見表1。

表1 塔式鉆具組合有限元參數

根據塔式鉆具組合的有限元力學模型（圖1）和有限元結構參數（表1）進行計算，可以得到鉆具組合Ⅰ在井斜角1°、鉆壓為20 kN時，塔式鉆具組合在接空氣錘時的有限元計算結果，見圖2所示。從圖中可以看出，此時的鉆具組合的上切點距離鉆頭為27.88 m，處在第一段鉆鋌上，而且鉆鋌受到的彎矩和應力都比較小。塔式鉆具組合Ⅰ與空氣錘聯合作用下，鉆壓為20 kN、井斜角為1°時的鉆頭處的側向力為?642.68 N，具有較強的降斜能力，在氣體鉆垂直井眼中，具有很好的防斜能力。通過三彎矩方程理論計算得到的鉆頭側向力為?650.52 N，與有限元模型計算得到的塔式鉆具組合的側向力相差極小，說明有限元力學模型建立正確。

圖2 塔式鉆具組合有限元計算結果圖

2.2 塔式鉆具組合配合空氣錘對井斜影響分析

根據此有限元模型計算了塔式鉆具組合Ⅰ和塔式鉆具組合Ⅱ在井斜角為1°、2°和3°的井眼中接空氣錘鉆頭鉆井時的側向力和上切點位置，見表2和表3。利用表2和表3中鉆具組合側向力的數據，建立如圖3的對比曲線圖，分析不同鉆具組合在不同鉆壓、不同井斜角的防斜能力。

表2 塔式鉆具組合Ⅰ靜力學計算結果（接空氣錘）

表3 塔式鉆具組合Ⅱ靜力學計算結果（接空氣錘）

圖3 塔式鉆具組合Ⅰ和組合Ⅱ在接空氣錘時的側向力

圖3是塔式鉆具組合Ⅰ和組合Ⅱ在接空氣錘鉆井時的側向力隨井斜角的變化圖。從圖中可見，鉆具組合Ⅰ在相同的井斜角下的側向力明顯大于組合Ⅱ中的側向力，而且隨著井斜角的增加，兩者之間的差值越大。從圖中還可以看出，組合Ⅰ的側向力隨著鉆壓的變化較小，而組合Ⅱ受鉆壓的影響相對較大。因此，塔式鉆具組合中鉆鋌的外徑越大，井斜角越大，鉆具的降斜防斜能力越大。所以，氣體鉆井中使用塔式鉆具組合鉆垂直井時，為更好地防斜和降斜，應該選用盡量大的鉆鋌。

2.3 塔式鉆具組合配合牙輪鉆頭對井斜影響分析

根據此有限元模型計算了塔式鉆具組合Ⅰ和塔式鉆具組合Ⅱ在井斜角為1°、2°和3°的井眼中接牙輪鉆頭鉆井時的側向力和上切點位置，見表4和表5。利用表4和表5鉆具組合側向力的數據，建立如圖4的對比曲線圖，分析不同鉆具組合在不同鉆壓、不同井斜角的防斜能力。

表4 塔式鉆具組合Ⅰ靜力學計算結果表（接牙輪鉆頭）

表5 塔式鉆具組合Ⅱ靜力學計算結果（接牙輪鉆頭）

圖4 塔式鉆具組合Ⅰ和組合Ⅱ在接牙輪鉆頭時的側向力

圖4是塔式鉆具組合Ⅰ和組合Ⅱ在接牙輪鉆頭鉆井時的側向力隨井斜角的變化圖。從圖中可見，鉆具組合Ⅰ在相同的井斜角下的側向力大于組合Ⅱ中的側向力，井斜角較小時其差值不大，隨著井斜角的增加，兩者之間的差值也增加。而且隨著鉆壓的增大，組合Ⅰ和組合Ⅱ的側向力都減小，但是組合Ⅱ的減小幅度大于組合Ⅰ。因此，塔式鉆具組合中鉆鋌的外徑越大，井斜角越大，鉆具的降斜防斜能力越大。所以，氣體鉆井中使用塔式鉆具組合鉆垂直井時，為更好地防斜和降斜，應該選用盡量大的鉆鋌。

2.4 塔式鉆具組合配合不同鉆頭對井斜影響分析

根據此有限元模型計算了塔式鉆具組合Ⅰ在井斜角為1°、2°和3°的井眼中接空氣錘鉆頭和牙輪鉆頭鉆井時的側向力和上切點位置，見表2和表4。利用表2和表4中鉆具組合側向力的數據，建立如圖5的對比曲線圖，分析組合Ⅰ不同鉆壓、不同井斜角的防斜能力。

圖5 塔式鉆具組合Ⅰ接空氣錘和牙輪鉆頭時的側向力

圖5是塔式鉆具組合Ⅰ在接空氣錘和牙輪鉆頭鉆井時的側向力隨井斜角的變化圖。從圖中可以看出，塔式鉆具組合Ⅰ與空氣錘結合使用時，鉆壓為10～30 kN，其側向力隨著鉆壓的變化出現較小的變化，而隨著井斜角的增大而迅速增大，說明塔式鉆具組合Ⅰ與空氣錘結合使用時，井斜角越多，降斜速度越快，而鉆壓對降斜速度影響較小。當塔式鉆具組合Ⅰ與牙輪鉆頭結合使用時，鉆壓為80～160 kN，其側向力隨著鉆壓的變化出現較大變化，鉆壓越大側向力越小，而且隨著井斜角的增大側向力也增大。由此對比分析可知，使用塔式鉆具組合與空氣錘結合使用的降斜防斜能力明顯大于塔式鉆具組合與牙輪鉆頭結合使用。

3 實例分析

為了更好地解決氣體鉆井過程中的井斜控制難題，川西某氣井在不同開次均使用了塔式鉆具組合（表6），并配合了大尺寸鉆鋌，進行井斜影響研究。

根據井斜的影響因素，針對川西某氣井制定了不同的鉆井參數，以達到研究井斜影響因素的目的，詳細參數見表7。

表6 川西某井鉆具組合應用情況統計

表7 川西某井鉆井參數

根據氣體鉆井實際情況，川西某氣井先使用牙輪鉆頭，再使用空氣錘，得到井斜和方位數據見表8，再對比全程使用牙輪鉆頭鉆井，繪制出井斜數據及井深關系圖（圖6）。

表8 川西某氣井井斜數據

圖6 川西某氣井井斜數據和井深關系

由圖6可看出，在相同塔式鉆具組合的情況下，牙輪鉆頭井段井斜有不斷增大的趨勢，改用空氣錘后，井斜逐漸下降；因空氣錘鉆進出現蹩鉆嚴重，轉盤負荷大，在1 692～1 852.67 m處井斜有增大的趨勢，但增幅相對牙輪鉆頭要小。在井段637～1 464.37 m鉆壓由60 kN增加到120 kN，井斜隨著井深有增加趨勢，改用空氣錘后井斜逐漸下降，井斜由3.68°下降到1.74°，說明應用空氣錘具有較好的防斜能力，進一步驗證塔式鉆具組合力學分析。

4 結論

（1）建立了氣體鉆井條件下的塔式鉆具組合有限元力學模型，并通過理論計算驗證了其正確性，為底部鉆柱力學分析提供了一種有效方法。

（2）氣體鉆井中塔式鉆具組合始終具有降斜防斜的作用，但是其降斜力隨著井斜角和鉆壓的變化而變化。

（3）塔式鉆具組合中鉆鋌外徑較大的組合的降斜防斜能力更強，使用空氣錘的塔式鉆具組合比使用牙輪鉆頭的組合有更大的降斜防斜能力。為更好地防斜和降斜，應該選用盡量大的鉆鋌。

［1］ SHEFFIELD J S. Air drilling practices in the midcontinent and rocky mountain areas ［R］. SPE 13490, 1985.

［2］ 楊剛，伊明，王新，等.氣體鉆井井斜機理分析［J］.新疆石油天然氣，2009，5（4）：67-70.

［3］ WILSON G E.A general overview of air drilling and deviation control ［R］. SPE 9529, 1981.

［4］ 高如軍，何世明，陳佳玉，等.氣體鉆井井斜機理與控制初探［J］.石油鉆采工藝，2008，30（2）：42-45.

［5］ 胡以寶，狄勤豐，姚建林，等.斜直井眼中鉆柱的動力學特性分析［J］.石油鉆采工藝，2009，31（1）：14-17.

［6］ 史玉才，管志川.偏軸鐘擺鉆具組合力學特性分析［J］.石油大學學報：自然科學版，2004，28（2）：42-44，48.

［7］ 張杰，蔣祖軍.定向井穩斜段氣體鉆井井斜機理應用研究［J］.鉆采工藝，2007，30（4）：16-19.

［8］ 李敬元，李子豐.氣體鉆井軌道易斜原因及對策［J］.石油鉆采工藝，2008，30（1）：33-42.

［9］ 林鐵軍，練章華.空氣鉆井井斜問題與地層傾角的規律探討［J］.鉆采工藝，2007，30（3）：7-9.

［10］ 魏臣興，練章華.氣體鉆井雙穩定器鐘擺鉆具的模擬仿真分析［J］.天然氣與石油，2012，30（5）：75-77.

［11］ 張輝，高德利.氣體鉆井井斜機理研究［J］.石油天然氣學報，2012，34（2）：103-109.

［12］ 白家祉，蘇義腦.井斜控制理論與實踐［M］.北京：石油工業出版社，1990.

（修改稿收到日期 2013-10-11）

〔編輯 薛改珍〕

Impact of tapered drill string assembly on well deviation during gas drilling

LONG Gang1, 2, GUAN Zhichuan1, LIAN Zhanghua3, JIANG Zujun3, WANG Xiyong3

（1. China University of Petroleum, Dongying 257061, China; 2. Engineering Technology Institute, SINOPEC Southwest Branch, Deyang 618000, China; 3. Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China）

Gas drilling has been widely used due to its advantages of effective formation protection, lost circulation prevention, and high penetration rate. However in the actual gas drilling process, well deviation control difficulty has restricted the development of the technology. To study the effect of tapered drillstring assembly on gas drilling well deviation, based on the stress analysis of tapered drillstring assembly in gas drilling, the finite element mechanics model during the gas drilling operation was established, and its correctness was verified through theoretical calculations. Combined with actual drilling data of a gas well in Western Sichuan, the deviation control effect was researched about tapered drillstring assembly, and the influencing factors of well deviation were analyzed, showing that its ability would change with inclination and drilling pressure, and tapered drillstring assembly with air hammer was better than that with cone bit in deviation prevention, which provided theoretical guidance for deviation control research and field operation of tapered drillstring assembly during gas drilling.

gas drilling; tapered drillstring assembly; finite element model; well deviation analysis

龍剛，管志川，練章華，等. 塔式鉆具組合對氣體鉆井井斜影響研究［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（6）：19-23.

TE242.6

A

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0019 – 05

國家自然科學基金重點項目“氣體鉆井技術基礎研究”(編號：51134004)。

龍剛，1974年生。1998年畢業于西南石油大學石油工程專業，中國石油大學（華東）博士研究生，高級工程師。電話：028-86016641。E-mail：zsqing666@126.com。