巨厚礫石層氣體鉆井井筒不規則性對井斜的影響研究

婁爾標， 周 波， 劉洪濤， 陳 鋒， 王文昌， 薛艷鵬

（1.中國石油塔里木油田分公司，新疆庫爾勒 841000；2.上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072；3.上海大學力學與工程科學學院，上海 200072）

與鉆井液鉆井相比，氣體鉆井具有機械鉆速高、鉆頭壽命長、儲層保護和防漏失效果好等優點[1–3]。但是，氣體鉆井存在2個瓶頸問題：直井易斜和下套管困難[4–6]。氣體鉆井中井斜控制難度大，與地層不均質、底部鉆具組合（BHA）振動劇烈和井下情況復雜（如地層出水）等因素有關[7–11]。對此，目前公認的比較有效的方法是用空氣錘進行鉆進，不但機械鉆速快，而且在砂巖、泥頁巖和碳酸鹽巖地層中均有很好的井斜控制效果。但在塔里木油田山前巨厚礫石層中采用空氣錘鉆進，不但井斜控制難度很大，后續下套管作業也十分困難，主要表現為井筒規則性很差。

現場實踐表明，采用帶預彎結構的鐘擺BHA控斜效果較好，套管下入也很順利[12–13]。目前，基于預彎鐘擺BHA的控斜方法已在塔里木油田應用6口井，均取得了成功。但現有BHA受力模型都假設井筒光滑，沒有考慮井筒的不規則性[14–17]，因此不適合用其分析巨厚礫石層氣體鉆井井斜機理。為此，筆者從BHA與不規則井筒相互作用的角度出發，建立了有限元力學模型，分析了井筒不規則性對井斜的影響，并以塔里木油田山前地區鉆遇巨厚礫石層的某氣體鉆井為例進行了實例分析，驗證了相關結論的可靠性和準確性。

1 BHA 與井筒相互作用模型

1.1 BHA與不規則井筒相互作用物理模型

圖1（a）所示為塔里木油田山前地區巨厚礫石層采用空氣錘鉆井的一口典型井的實際井筒特征。可以看出，其井筒存在嚴重的不規則、不光滑現象。據此，建立了BHA與不規則井筒相互作用的物理模型，如圖1（b）所示。

圖1 BHA與不規則井筒相互作用物理模型Fig.1 Physical model of interaction between the BHA and the irregular wellbore

由圖1可知，BHA會受到不規則井筒的作用。在規則井筒中，BHA受重力作用的同時得到下井壁的“連續”支撐作用，可認為“BHA躺在下井壁上”；但在不規則井筒中，下井壁的不規則“凸起”會形成附加支點，改變BHA的受力特征，減小鉆頭上的降斜力，甚至可能在鉆頭上形成增斜力。

1.2 鉆柱井壁摩擦接觸模型

在BHA與不規則井筒相互作用模型的基礎上，建立了如圖2所示的鉆柱井壁摩擦接觸模型。設該模型中：采用笛卡爾直角坐標系O?x?y?z，z軸與井眼軸線重合，在井眼中心建立局部柱坐標系o?t?n?z；Ω1代表鉆柱，Ω2代表井壁， S(m)代表力學邊界（m=1，2分別表示2個接觸體）；l表示接觸體增量步起始時刻的間隙大小，l為負表示過盈。

圖2 鉆柱井壁摩擦接觸模型Fig.2 Frictional contact model between the drill string and the sidewall

采用罰函數法計算分析摩擦接觸問題。在每一個時間步檢查各從節點是否穿透主面，如有穿透，則在該從節點與被穿透主面間引入界面接觸力，其大小與穿透深度、主面的剛度成正比。用pc={pT,pN}T表示接觸面上的力，用o?t?n?z表示接觸面的局部坐標系，則接觸狀態的分離、粘結和滑動3類特征依次表示如下[18]：

1.3 BHA與井筒相互作用有限元計算模型

以單穩定器鐘擺鉆具組合為例，確定了4種工況：工況1，井筒規則，不彎曲；工況2，井筒有一定程度的彎曲，鉆鋌在特定位置與井筒相接觸（即形成附加支點），但鉆鋌未發生變形；工況3，井筒有較大程度的彎曲，鉆鋌在特定位置與井筒相接觸，且由于附加支點的作用鉆鋌發生了彎曲變形；工況4，井筒的不規則性比工況3更為嚴重。取鉆頭（空氣錘釬頭）外徑為 431.8 mm，鉆鋌外徑為 228.6 mm，鉆鋌內徑為 71.4 mm，扶正器外徑為 428.0 mm，扶正器距鉆頭 27 m，井眼直徑為 431.8 mm，井斜角為 5°，并假定BHA與井筒的摩擦系數為0.2，建立了BHA與井筒相互作用有限元計算模型，如圖3所示。

圖3 BHA與井筒相互作用有限元計算模型Fig.3 Finite element model of interaction between the BHA and the wellbore

2 井筒不規則程度對鉆頭側向力的影響

采用顯式算法模擬BHA與井筒間的相互作用機制，計算分析了井筒不同規則程度對鉆頭側向力的影響。該分析包括2個計算分析步：1）對BHA施加重力作用；2）在鉆頭處施加鉆壓。

在管柱自重和50 kN鉆壓作用下（空氣密度為1.29 kg/m3），工況1—4下鉆頭對井筒的作用力見表1（負為降斜力，正為增斜力）。

表1 鉆頭對井筒的作用力Table 1 Force of the bit on the wellbore

由表1可知，主要的作用力為x向作用力，即側向力。對比發現：工況1條件下，由于鐘擺效應，鉆頭降斜力較大，此時鉆具組合具有較好的降斜效果；工況2條件下，井筒的不規則性使得其在特定位置形成附加支點，減小了鐘擺的擺距，使鉆頭處的降斜力大幅減小；工況3條件下，不規則井筒使鉆柱發生一定變形，進一步減小了BHA的降斜能力；工況4條件下，嚴重不規則的井筒使鉆柱發生較大變形，使鉆頭處產生較大的增斜力。由此可知，井筒越不規則，鐘擺BHA降斜能力越弱，甚至可能變為增斜鉆具組合。

圖4所示為用矢量圖表示的不同工況條件下鉆頭處的側向力特征。

圖4 不同工況下的鉆頭側向力矢量圖Fig.4 Vector diagram of lateral force on the bit in different cases

由圖4可知，井筒的規則程度對鉆頭側向力影響很大，在嚴重不規則井筒中，鉆頭處會產生增斜力，不利于控制井斜。因此，采用氣體鉆井鉆進含礫巖層等復雜地層時，應盡可能提高井筒的規則性，以更好地控制井斜。

3 實例分析

以塔里木油田山前地區鉆遇巨厚礫石層的某井為例，其三開 2 505.00～2 926.00 m 井段采用空氣錘鉆井，井斜角從 0.71o 增至 4.48o，增幅很大；起鉆通井后，2 926.00～3 502.00 m 井段采用帶預彎結構的鐘擺 BHA 控斜，純鉆時間 120.42 h，鉆壓小于 20 kN，轉速 60 r/min，平均扭矩約 4.5 kN·m，且波動幅度很小，井斜角由最大 5.20°減至 0.63°（3 404.00 m 處），取得了很好的降斜效果。該井上述井段在鉆進中的井斜角隨井深的變化情況如圖5所示[12]。

圖5 某井鉆進礫巖地層時井斜角隨井深的變化情況Fig.5 Variation of the deviation angle with well depth during drilling of a well in the conglomerate formation

為分析巨厚礫石層氣體鉆井的井筒特征，利用測井儀器對井徑進行了測量。利用三次樣條函數對所測井徑數據進行處理，可得如圖6所示的重構井筒[13]。圖6（a）所示為 2 700.00～2 760.00 m 井段的井筒特征，該井段采用空氣錘鉆進，所用空氣錘鉆頭直徑為431.8 mm。由圖6（a）可知，該井段的井筒特征隨井深的變化情況非常復雜，除橢圓形狀十分明顯外（長軸的長度508.0 mm，短軸的長度431.8 mm），其上、下截面形狀之間的變化差異也很大，存在嚴重的不規則和不光滑現象。圖6（b）所示為 3 140.00～3 200.00 m 井段的井筒特征，該井段采用預彎鐘擺BHA控斜鉆進。由圖6（b）可知，該井段的井筒特征相對規則，橢圓度較小。結合圖5中井斜數據可知，該井段的井斜角從3.29o減小至1.79o，控制效果顯著。

圖6 不同井段的井筒特征Fig.6 Wellbore characteristics in different well sections

由以上分析可知，空氣錘鉆進井段控斜效果不好，而預彎鐘擺BHA鉆進井段井斜角減小幅度大，控斜效果顯著。這與本文模型分析所得結論相一致：井筒的不規則性增加了井斜控制難度，選擇控斜方法時必須考慮井筒規則性對井斜控制效果的影響，并設法提高井筒的規則性。實踐表明，預彎鐘擺BHA控斜效果好，其中一個重要原因是其可以在一定程度上改變井眼形狀，提高井壁的光滑度。

本文BHA受力分析結果與塔里木油田多口井的現場實測數據都能很好地吻合，證明建立的巨厚礫石層氣體鉆井條件下的BHA與井筒相互作用有限元模型可靠、準確。

4 結 論

1）不規則井筒易形成附加支點，縮短鐘擺鉆具組合的擺距，減小鉆頭上的降斜力。嚴重不規則井筒可使BHA發生彎曲變形，改變BHA的受力特征，大幅度減小鉆頭上的降斜力甚至使鉆頭側向力成為增斜力。

2）井筒規則程度對BHA的三維受力特征有較大影響，BHA力學分析應考慮井筒不規則性的影響。在含礫巖層等易形成不規則井筒的氣體鉆井中，選擇鉆井工具時應充分考慮所鉆井筒的規則性。

3）塔里木油田山前地區巨厚礫石層氣體鉆井實踐表明，預彎鐘擺BHA可有效改善井眼截面形狀，提高井筒的規則性，有利于控制井斜。