適合215mm直井井眼最優(yōu)防斜鉆具組合的討論

寧清志

（大慶油田有限責(zé)任公司大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163318）

適合215mm直井井眼最優(yōu)防斜鉆具組合的討論

寧清志*

（大慶油田有限責(zé)任公司大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163318）

為防止直井井眼偏斜和發(fā)生偏斜后有效降斜，對(duì)常用的鐘擺鉆具組合進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用對(duì)比，對(duì)得出的結(jié)論做出合理的解釋。為尋求適合215mm直井井眼的大鉆壓下防斜鉆具組合，進(jìn)行了技術(shù)研究和改進(jìn)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證實(shí)了改進(jìn)后的鐘擺偏心鉆具組合的防斜降斜效果好于以往所用的，且實(shí)現(xiàn)了大鉆壓糾斜，效果令人滿意。

鐘擺鉆具；防斜；橫向分力；縱橫彎曲

直井中防斜降斜的鉆具組合有很多種，如鐘擺、滿眼、塔式鉆具組合等等，如今這些鉆具組合已經(jīng)在鉆井工程中獲得了廣泛的應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也對(duì)這些鉆具組合的防斜原理做過(guò)詳細(xì)地說(shuō)明和系統(tǒng)地論述，但任何鉆具組合都有它的優(yōu)點(diǎn)和不足，也有發(fā)揮最佳防斜降斜效果的使用條件（鉆壓、轉(zhuǎn)速、地層傾角、井眼井斜角等），同時(shí)受實(shí)際情況（設(shè)備參數(shù)、水力參數(shù)、地質(zhì)參數(shù)等）的制約，對(duì)于這些在此不做贅述。眾所周知，鐘擺鉆具的糾斜能力大大強(qiáng)于滿眼鉆具和塔式鉆具，在大慶油田，更多地采用鐘擺鉆具組合,控制鉆壓，輕壓慢打。大慶油田打的井大多數(shù)都是在1300m以內(nèi)，井眼尺寸215mm的調(diào)整井，井淺，地層復(fù)雜情況少，唯一的難點(diǎn)就是地層造斜能力強(qiáng)，特別是嫩二段。輕壓吊打，既影響了鉆井速度，井身質(zhì)量也不是很好，特別是對(duì)于地層傾角較大的地層，所以，尋求大慶油田215mm直井井眼最佳的防斜降斜鉆具組合，成為亟待解決的問(wèn)題。

1 鐘擺鉆具的原理

利用鉆具自身重力產(chǎn)生的鐘擺力實(shí)現(xiàn)降斜的目的，根據(jù)降斜率和井斜角的大小，來(lái)設(shè)計(jì)穩(wěn)定器到鉆頭的距離，根據(jù)井眼尺寸和穩(wěn)定器下面鉆鋌的尺寸來(lái)限定施加的鉆壓，以保證良好的降斜效果。

2 鐘擺鉆具組合的應(yīng)用對(duì)比及技術(shù)改進(jìn)

2.1 常用的鐘擺鉆具組合的應(yīng)用對(duì)比和效果分析

常用的5種鐘擺鉆具組合如下：

組合1：?215mm鉆頭+?178mm鉆鋌（19.26m）+?210mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿；

組合2：?215mm鉆頭+?178mm鉆鋌（28.26m）+?210mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿；

組合3：?215mm鉆頭+?178mm鉆鋌（19.26m）+?214mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿；

組合4：?215mm鉆頭+?165mm鉆鋌（19.26m）+?214mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿；

組合5：?215mm鉆頭+?203鉆鋌（19.26m）+?214mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿。

在大慶油田喇區(qū)試驗(yàn)了這5種鐘擺鉆具組合，將實(shí)際應(yīng)用情況做了對(duì)比，對(duì)比的前提是：

（1）試驗(yàn)的井位于同一區(qū)塊，相距較近，且受地層特性的影響程度相同。

（2）同一種鉆機(jī)，相同的鉆井參數(shù)和水力參數(shù)。

（3）鉆井工程技術(shù)措施相同。

（4）每種鉆具組合的鉆具參數(shù)嚴(yán)格符合設(shè)計(jì)的要求。

（5）每種鉆具組合進(jìn)行了3口井試驗(yàn)，取其井眼中的最大井斜角及相應(yīng)的井深。

試驗(yàn)的實(shí)鉆數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

由表1可知，按防斜降斜效果由好到壞對(duì)這5種鉆具組合排序?yàn)?→1→5→4→2，下面對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用得出的排序結(jié)果做出解釋。

表1 5種鐘擺鉆具組合實(shí)鉆數(shù)據(jù)表

對(duì)于3→1→5，穩(wěn)定器以下的鉆鋌尺寸雖然增加了，鉆鋌剛性得到了增強(qiáng)，使得下部鉆鋌重量的橫向分力也增大，但并不能從很大程度上增加鐘擺鉆具的降斜力，此時(shí)影響鉆具防斜降斜效果的主要因素是鉆頭的軸線轉(zhuǎn)角，而不是下部鉆具自重的橫向向力。鉆鋌尺寸增加了，井眼環(huán)空卻減小了，類似于塔式鉆具組合的防斜能力強(qiáng)，降斜能力弱，當(dāng)鉆遇硬夾層或易斜地層時(shí)，鐘擺鉆具的糾斜效果明顯強(qiáng)于塔式鉆具。鉆井施工中，鉆具處于高轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，在井眼中要受到離心力、鉆柱橫向擺振造成的公轉(zhuǎn)力的作用，環(huán)空間隙小了，鉆具擺動(dòng)的橫向位移受到井眼尺寸的限制，鉆頭切削井眼低邊的運(yùn)動(dòng)幅度也相應(yīng)降低了，理論上能夠達(dá)到的側(cè)向切削角和側(cè)向切削力，實(shí)際上根本達(dá)不到，鉆頭側(cè)向切削的轉(zhuǎn)角減小，影響了鉆頭側(cè)向切削效果，所以盡管橫向力大了，但實(shí)際的降斜力卻小了。4→2，隨著穩(wěn)定器到鉆頭的距離的增加（L），穩(wěn)定器尺寸（D）的降低，降斜效果減弱了，筆者認(rèn)為，L比D更能影響鉆具組合的防斜降斜效果，L增加，在施加鉆壓的情況下，穩(wěn)定器以下的鉆鋌與井壁形成了新的切點(diǎn)，構(gòu)成了鉆具組合的新支點(diǎn)，相當(dāng)于又增加了一個(gè)小尺寸穩(wěn)定器，而減弱了原來(lái)的穩(wěn)定器的支點(diǎn)作用，同時(shí)又減短了下部鉆具組合施加橫向分力的鉆鋌有效長(zhǎng)度，降低了下部鉆具的橫向分力，所以降斜糾斜力明顯降低。

賈仲宣等人運(yùn)用縱橫彎曲連續(xù)梁法計(jì)算出了直井中最優(yōu)的鐘擺鉆具組合[1]：

組合6:?215mm鉆頭+?178mm鉆鋌（19.26m）+?214mm方接頭+?178mm鉆鋌（9.36m）+?214mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿。

在喇區(qū)試驗(yàn)了這種雙穩(wěn)定器鐘擺鉆具組合，對(duì)比的前提同上。

試驗(yàn)的實(shí)鉆數(shù)據(jù)見(jiàn)表2

表2 鉆具組合6的實(shí)鉆數(shù)據(jù)表

由上，鉆具組合6的防斜降斜效果好于上述5種鐘擺鉆具組合。

2.2 防斜鉆具組合的技術(shù)改進(jìn)及原理分析

以上6種鉆具都是在低鉆壓吊打的情況下，表現(xiàn)出的降斜防斜效果。鉆壓小，機(jī)械鉆速太低，大大延長(zhǎng)了建井周期，增加了設(shè)備的損耗，影響了鉆井的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)該種鐘擺鉆具鉆頭與井眼軸線夾角較大，防斜降斜效果并不理想，井斜發(fā)生率高。鉆壓大又會(huì)造成井斜的明顯增加，需要改進(jìn)以往的鐘擺鉆具，使其能夠適應(yīng)大鉆壓下還能發(fā)揮較好的降斜作用，改進(jìn)后的鉆具組合如下：

組合7：?215mm鉆頭+?178mm鉆鋌（9.66m）+?194mm偏心接頭（1.9m）+?178mm鉆鋌（9.46m）+?214mm方接頭+?178mm鉆鋌（9.36m）+?214mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿。

在相同的條件下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)鉆數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 鉆具組合7的實(shí)鉆數(shù)據(jù)表

綜上，鉆具組合7的防斜降斜效果最好，且滿足大鉆壓下增加機(jī)械鉆速的要求，被稱為鐘擺偏心防斜鉆具組合。

分析如下：鉆具組合7有單鐘擺鉆具自重的橫向分力降斜的特點(diǎn)，又能在大鉆壓下減小了鉆頭軸線傾角，并使鉆頭朝向井眼低邊的方向切削，即鉆頭軸線傾角為負(fù)值，將以往大鉆壓的不利因素變?yōu)橛欣蛩兀欣阢@具的防斜降斜性能的發(fā)揮。

鐘擺偏心防斜鉆具組合在井眼發(fā)生偏斜時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析如下：

當(dāng)偏心接頭的偏心帶旋轉(zhuǎn)至下井壁時(shí)，下部鉆具的受力變形如圖2所示，鉆頭軸線與井眼軸線之間的夾角β小于圖1的β，減小了鉆頭的上傾切削角，自然就減弱了鉆具的增斜力，偏心接頭以下的鉆鋌起到了鐘擺力作用。當(dāng)偏心接頭的偏心帶轉(zhuǎn)至上井壁時(shí)，下部鉆具的受力變形如圖3所示，偏心力將鉆柱拉向上井壁，鉆頭軸線與井眼軸線之間的夾角β是負(fù)的，即鉆頭鉆進(jìn)的方向是朝井眼低邊，鉆頭切削下井壁，起到了降井斜的作用，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速越高，在離心力的作用下，偏心帶更多次地處于上井壁，降斜效果越理想。

為便于對(duì)比，選定相同的計(jì)算參數(shù)：轉(zhuǎn)速為280r/min；井眼直徑取?226mm（擴(kuò)大率為1.05）；井斜變化率0.3°/100m；鉆頭直徑?215mm；穩(wěn)定器直徑?214mm；偏心接頭直徑?194mm；鉆井液密度1.10g/cm3。對(duì)鉆具組合6和鉆具組合7運(yùn)用縱橫彎曲連續(xù)梁法進(jìn)行了理論計(jì)算，見(jiàn)表4。

表4 2種鉆具組合在不同鉆井參數(shù)下的受力變形計(jì)算結(jié)果

據(jù)表4，組合7的鉆頭側(cè)向力與組合6相比，小得多；當(dāng)組合7的偏心接頭偏心帶處于上井壁時(shí)，鉆頭軸線轉(zhuǎn)角相差很大。組合7的鉆頭軸線轉(zhuǎn)角為負(fù)值，起了很好地降斜作用，這為組合7優(yōu)于組合6提供了重要的理論依據(jù)。

3 結(jié)論和認(rèn)識(shí)

（1）運(yùn)用縱橫彎曲梁法能夠?qū)ο虏裤@具組合進(jìn)行準(zhǔn)確的受力變形計(jì)算，為防斜降斜鉆具組合的設(shè)計(jì)提供了重要的理論依據(jù)。

（2）通過(guò)技術(shù)改進(jìn)，研究出了鐘擺偏心防斜鉆具組合，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的降斜效果較為理想，并運(yùn)用縱橫彎曲連續(xù)梁法從理論上給予了求證。

（3）在鉆具組合的降井斜力上，各種影響因素起的作用程度不同，有的占主要，有的占次要。

（4）對(duì)下部鉆具組合的分析僅從靜力學(xué)角度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，還要根據(jù)井下的實(shí)際情況和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)建立瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)模型，綜合分析井下鉆具的受力和變形及其動(dòng)態(tài)的變化。

（5）鐘擺鉆具組合在低鉆壓下才能收到防斜降斜的效果，且不是很理想，大大地降低了鉆井速度和井身質(zhì)量。要實(shí)現(xiàn)大鉆壓下的防斜降斜，筆者認(rèn)為有2種途徑：

①可以將滿眼鉆具與鐘擺鉆具有機(jī)結(jié)合，并充分利用高轉(zhuǎn)速下鉆具的離心力，實(shí)現(xiàn)鉆具的公轉(zhuǎn)，通過(guò)鉆柱切點(diǎn)沿井壁的周性公轉(zhuǎn)，達(dá)到使井底周邊受均等的切削機(jī)會(huì)，避免井斜，不失為設(shè)計(jì)大鉆壓下防斜鉆具組合的一種方法，如倒鐘擺鉆具組合的設(shè)計(jì)[2]。

②可以將偏心鉆具與鐘擺鉆具結(jié)合起來(lái)，利用偏心鉆具的偏心力和切點(diǎn)下鉆具的鐘擺力，鉆頭產(chǎn)生負(fù)傾角切削井眼低邊，使得井眼趨向鉛直狀態(tài)，達(dá)到防斜降斜，如偏心防斜鉆具的應(yīng)用[3]。

[1]賈仲宣，閻鐵，周英操.大慶長(zhǎng)垣西翼易斜區(qū)鉆井技術(shù)研究[C]//于洪金，等.大慶鉆井技術(shù)新進(jìn)展，石油工業(yè)出版社，2005:131-156.

[2]尹虎，李黔.倒裝鐘擺鉆具組合設(shè)計(jì)方法[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007,29（6）：168-170.

[3]殷朝陽(yáng)，柏景海，孫超，等.偏心防斜鉆具[J].大慶石油學(xué)院學(xué)報(bào)，1999,23（3）：58-60.

TE921

B

1004-5716（2015）01-0035-04

2014-01-02

寧清志（1985-），男（漢族），黑龍江大慶人，工程師，現(xiàn)從事鉆井現(xiàn)場(chǎng)的定向管理工作。