自動垂直鉆井工具糾斜能力影響因素分析*

楊登文 張凱 柴麟 劉寶林

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院；自然資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點實驗室)

0 引 言

隨著石油勘探和地質(zhì)勘探的難度不斷增加，在直井井眼軌跡控制中，鉆進(jìn)易斜復(fù)雜地層時，傳統(tǒng)的被動防斜大多采用降低鉆壓和鉆速的方法，不能很好地滿足工程實際需求，尤其是在垂直井的鉆進(jìn)中[1]。自動垂直鉆井技術(shù)可有效解決鉆壓和防斜之間的矛盾,可實現(xiàn)井下主動防斜、糾斜，有效減小了鉆柱扭矩和摩阻，在保持垂直井眼精度的條件下能夠釋放鉆壓并提高機(jī)械鉆速[2-4]。

國內(nèi)多家單位相繼研發(fā)了自動垂直鉆井系統(tǒng)。機(jī)械式自動垂直鉆井工具具有成本低和可靠性高等特點，能有效解決直井防斜打快問題[5-7]。目前我國機(jī)械式自動垂直鉆井工具處于研發(fā)測試階段[8]。如何使自動垂直鉆井工具高效糾斜、防斜是一個關(guān)鍵問題，而關(guān)于機(jī)械式垂直鉆具的相關(guān)理論研究還不足[9]，因此需要對工具的糾斜能力進(jìn)行研究。

分析工具糾斜能力常常使用計算工具理論造斜率以及計算鉆頭側(cè)向力和轉(zhuǎn)角的方法，國外常用三點定圓法和平衡曲率法等預(yù)測底部鉆具組合(BHA)造斜率[10]。國內(nèi)許多學(xué)者采用縱橫彎曲連續(xù)梁法建立BHA力學(xué)模型分析鉆頭側(cè)向力和轉(zhuǎn)角[11-12]，但大多沒有考慮地層因素的影響。本文通過分析鉆頭鉆進(jìn)趨勢的方法來研究工具糾斜能力，基于縱橫彎曲連續(xù)梁法建立了自動垂直鉆井工具BHA力學(xué)模型，并結(jié)合鉆頭與地層相互作用模型推導(dǎo)鉆進(jìn)趨勢角模型，分析了鉆進(jìn)參數(shù)、鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)以及鉆頭與地層特性參數(shù)對工具糾斜能力的影響規(guī)律。研究結(jié)果可為鉆具組合結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆井參數(shù)優(yōu)選以及井眼軌跡預(yù)測和控制提供理論依據(jù)。

1 自動垂直鉆井工具糾斜能力分析模型

1.1 BHA力學(xué)模型

自動垂直鉆井工具底部鉆具組合結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉆具糾斜原理為：通過翼肋處巴掌推出，對井壁施加推靠力，從而在鉆頭處產(chǎn)生側(cè)向力，加重向井眼底邊位置切削，使井眼回到垂直狀態(tài)，達(dá)到糾斜的目的。

1—鉆頭；2—翼肋；3—第一穩(wěn)定器；4—柔性短節(jié)；5—第二穩(wěn)定器；6—鉆鋌。

為建立簡化的力學(xué)模型，假設(shè)井壁為剛性體，不考慮井徑隨時間的變化[13]，不考慮鉆柱振動的影響[14]，將穩(wěn)定器與井壁的接觸部位看作是點接觸，底部鉆具組合的變形看作是小彈性變形。對底部鉆具組合的三維分析通常是將三維問題分解為在兩個二維平面上求解的問題[15]，分別在井斜平面和方位平面獨立求解相應(yīng)的側(cè)向分力Pα和Pφ。給定推靠力為Q，工具面角為ω，可求得井斜平面上推靠力分量Qα=Qcosω，方位平面上推靠力分量Qφ=Qsinω。以鉆頭中心為原點建立局部坐標(biāo)系，采用縱橫彎曲連續(xù)梁的方法建立井斜平面的底部鉆具組合力學(xué)模型，如圖2所示。

圖2 自動垂直鉆井系統(tǒng)BHA力學(xué)模型

圖2中：Mi為每跨鉆柱右端點處彎矩，N·m；qi為每跨鉆柱橫向均布載荷，N/m；i=1、2、3、4；L0為翼肋至鉆頭距離，m；L1為第一穩(wěn)定器至翼肋距離，m；L2為柔性短節(jié)長度，m；L3為柔性短節(jié)至第二穩(wěn)定器距離，m；L4為第二穩(wěn)定器與上切點之間距離，m；P0為鉆壓，N。

對柔性短節(jié)與鉆柱的連接處采用了變截面處理[16]，根據(jù)連續(xù)條件與邊界條件得到三彎矩方程以及補(bǔ)充方程：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：ui為第i跨鉆柱穩(wěn)定系數(shù)；X(ui)、Y(ui)、Z(ui)分別為第i跨鉆柱放大因子；k為計算因子，m-1；Ei為第i跨鉆柱彈性模量，Pa；Ii為第i跨鉆柱的慣性矩，m4；Kα為井斜平面井眼曲率，(°)/m；e1和e2分別為第一穩(wěn)定器和第二穩(wěn)定器外徑與井徑差值的，m；es為變截面處撓度，m；y0、y1、y2、y3和y4分別為鉆頭處、第一穩(wěn)定器中心處、變截面處、第二穩(wěn)定器中心處和切點處的縱坐標(biāo)，m；Pi為第i跨鉆柱中點軸向力，N；假設(shè)鉆頭與地層之間無力偶作用，則M0為0。

對三彎矩方程和補(bǔ)充方程進(jìn)行求解，得到第1跨鉆柱右端點處M1后，再對第1跨鉆柱進(jìn)行力矩分析，就可以得到井斜平面上鉆頭處的側(cè)向力Pα和轉(zhuǎn)角θα：

(6)

(7)

施加的推靠力指向井眼低邊方向時規(guī)定為正，指向井眼高邊方向時規(guī)定為負(fù)，則當(dāng)鉆頭上的側(cè)向力為增斜力時為正，當(dāng)為降斜力時為負(fù)。

同樣建立方位平面的底部鉆具組合力學(xué)模型，不考慮橫向均布載荷以及軸向載荷，均用鉆壓P0替代，為區(qū)分井斜平面的y1、u1、k和M1，加下標(biāo)Q表示，得到方位平面上鉆頭處的側(cè)向力以及轉(zhuǎn)角：

(8)

(9)

1.2 鉆頭與地層相互作用模型

(10)

式中：Ib、Ir1和Ir2分別為鉆頭各向異性指數(shù)和地層各向異性指數(shù)；[E]為單位矩陣；[U]、[V]、[W]均為實對稱矩陣，其中[U]與[W]只與井斜角α、井斜方位角φ、地層傾角γ及地層走向方位角φf有關(guān)，[V]與鉆頭轉(zhuǎn)角θα和θφ有關(guān)。

1.3 鉆進(jìn)趨勢預(yù)測模型

鉆頭三維分力示意圖如圖3所示。以井口O為中心建立井口坐標(biāo)系，分別以正北、正東及垂深方向作為N軸、E軸及H軸；以鉆頭處o為中心建立井底坐標(biāo)系，x軸正向指向井眼高邊方向，z軸正向指向井眼軸線切線方向，y軸由右手法則確定。鉆頭在變井斜力Fx、變方位力Fy和軸向力Fz共同作用下鉆進(jìn)。以鉆進(jìn)趨勢角分析井眼軌跡的變化趨勢，鉆進(jìn)趨勢角為鉆進(jìn)趨勢方向與實際鉆進(jìn)方向之間的夾角[19]。根據(jù)有效鉆力，可以推導(dǎo)鉆進(jìn)趨勢角的計算公式。

圖3 鉆頭三維分力示意圖

鉆頭實際鉆進(jìn)方向沿著井眼軸線的切線z軸方向，如圖4所示。井斜xoz平面中，在變井斜力作用下，z軸與鉆進(jìn)趨勢方向之間的夾角為井斜趨勢角Aα；將方位yoz平面的鉆頭受力向水平面投影，在變方位力作用下，變井斜力與軸向力的合力F′與鉆進(jìn)趨勢方向之間的夾角為方位趨勢角Aφ。

圖4 二維平面鉆頭受力分析

則井斜趨勢角和方位趨勢角的表達(dá)式為：

(11)

(12)

F′=Fzsinα+Fxcosα

(13)

由式(6)、式(7)和式(11)分別計算井斜平面鉆頭側(cè)向力、轉(zhuǎn)角和井斜趨勢角來分析工具糾斜能力。根據(jù)以上推導(dǎo)公式，影響工具糾斜能力的影響因素主要有推靠力Q、鉆壓P0、翼肋至鉆頭距離L0、穩(wěn)定器位置L1與L3、穩(wěn)定器外徑Ds1與Ds2、柔性短節(jié)長度L2與外徑D2、鉆頭各向異性指數(shù)Ib以及地層各向異性指數(shù)Ir1與Ir2。規(guī)定井斜趨勢角為正時為增斜鉆進(jìn)，為負(fù)時則為降斜鉆進(jìn)，后續(xù)在分析井斜趨勢角的變化時均討論數(shù)值絕對值大小。

1.4 模型驗證

為驗證模型的準(zhǔn)確性，以長寧氣田的一口頁巖氣水平井的實測數(shù)據(jù)為例[20-21]。該井段中，鉆壓為90 kN，推靠力為22.5 kN，鉆具組合結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 鉆具組合結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)

以井斜趨勢角和方位趨勢角預(yù)測的井斜角和方位角與實測井斜角和方位角進(jìn)行對比，對模型進(jìn)行驗證，驗證結(jié)果如表2所示。

表2 某井段實測值與預(yù)測值對比

由表2可以看出，在53.53 m的進(jìn)尺中，預(yù)測的井斜角誤差均值為0.57°，預(yù)測的方位角誤差均值為0.51°，滿足鉆井現(xiàn)場要求。因此，可以使用本文中BHA力學(xué)模型以及鉆進(jìn)趨勢預(yù)測方法來分析自動垂直鉆井工具的糾斜能力。

2 自動垂直鉆井工具糾斜能力影響因素

鉆進(jìn)參數(shù)和鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)影響B(tài)HA的受力，鉆頭與地層特性參數(shù)影響鉆頭切削地層過程中的鉆進(jìn)趨勢，從而影響工具糾斜能力。因此以井斜趨勢角為評價指標(biāo)，結(jié)合鉆頭側(cè)向力和轉(zhuǎn)角，從鉆進(jìn)參數(shù)、鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)以及鉆頭與地層特性參數(shù)3個方面分析影響工具糾斜能力的變化規(guī)律。相關(guān)參數(shù)設(shè)計為?152.0 mm鉆頭+?140.0 mm自動垂直鉆井工具+?114.0 mm鉆鋌，井斜角α=3°，方位角φ=0°，工具面角ω=180°，地層傾角γ=5°，地層上傾走向方位角φf=300°，其他參數(shù)見表3。

表3 影響工具糾斜能力的參數(shù)取值

2.1 鉆進(jìn)參數(shù)

圖5a表示推靠力對工具糾斜能力的影響曲線。由圖5a可以看出，改變推靠力的大小對鉆頭側(cè)向力和井斜趨勢角的影響比較顯著。隨著推靠力增加，鉆頭側(cè)向力增大，井斜趨勢角先減小后增大，表明鉆具由增斜鉆進(jìn)變?yōu)榻敌便@進(jìn)。因此，單純以鉆頭側(cè)向力和轉(zhuǎn)角作為鉆進(jìn)趨勢預(yù)測指標(biāo)不夠全面，應(yīng)考慮井斜趨勢角。推靠力太小，鉆頭處產(chǎn)生的變井斜力達(dá)不到糾斜效果，故若進(jìn)行糾斜作業(yè)，推靠力應(yīng)大于8 kN。

圖5b表示鉆壓對工具糾斜能力的影響曲線。由圖5b可以看出，隨著鉆壓不斷增大，鉆頭側(cè)向力和轉(zhuǎn)角不斷增大，但變化幅度不大。從井斜趨勢角的變化來看，鉆壓小于24 kN時，井斜趨勢角隨鉆壓不斷減小，但仍然處于糾斜鉆進(jìn)，鉆壓超過24 kN時鉆具開始增斜鉆進(jìn)。所以為了達(dá)到較好的糾斜效果，應(yīng)選擇較低的鉆壓鉆進(jìn)，并且鉆壓值有一個最佳范圍。

圖5 鉆進(jìn)參數(shù)對工具糾斜能力的影響曲線

2.2 鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2.1 翼肋位置

圖6表示翼肋位置對工具糾斜能力的影響曲線。由圖6可以看出，翼肋距離鉆頭越近，鉆頭側(cè)向力越大，轉(zhuǎn)角變化不明顯。當(dāng)改變鉆頭至翼肋之間的距離時，井斜趨勢角的變化顯著，且存在一個臨界距離0.9 m，翼肋與鉆頭之間距離大于0.9 m時，鉆具處于增斜鉆進(jìn)。距離過遠(yuǎn)，產(chǎn)生的推靠力不足以抵消鉆具自身彎曲和地層作用下的鉆頭側(cè)向力，反而達(dá)不到糾斜效果。因此，為了達(dá)到較好的糾斜效果，設(shè)計鉆具結(jié)構(gòu)時翼肋與鉆頭之間的距離應(yīng)盡可能小。

圖6 翼肋位置對工具糾斜能力的影響曲線

2.2.2 穩(wěn)定器位置與外徑

圖7表示穩(wěn)定器位置對工具糾斜能力的影響曲線。由圖7可知：第一穩(wěn)定器與翼肋之間距離越大，側(cè)向力和轉(zhuǎn)角越大，井斜趨勢角先增大后減小，表明改變第一穩(wěn)定器的位置，對鉆具糾斜能力的影響比較大，距離為3 m時糾斜能力最強(qiáng)；改變第二穩(wěn)定器與柔性短節(jié)之間的距離，轉(zhuǎn)角與井斜趨勢角的變化不明顯，鉆頭側(cè)向力先增大后減小，所以存在一個最佳距離。

圖7 穩(wěn)定器位置對工具糾斜能力的影響曲線

圖8表示穩(wěn)定器外徑對工具糾斜能力的影響曲線。

由圖8可以看出，分別增大第一穩(wěn)定器和第二穩(wěn)定器外徑，轉(zhuǎn)角和井斜趨勢角變化均不明顯，側(cè)向力分別減小和增大。這表明鉆具糾斜能力隨著第一穩(wěn)定器外徑增大而降低，隨著第二穩(wěn)定器外徑增大而增強(qiáng)，但影響較小。

圖8 穩(wěn)定器外徑對工具糾斜能力的影響曲線

2.2.3 柔性短節(jié)參數(shù)

圖9表示柔性短節(jié)長度和外徑對工具糾斜能力的影響曲線。

由圖9可以看出，改變?nèi)嵝远坦?jié)長度和外徑對鉆頭轉(zhuǎn)角和井斜趨勢角的影響不大，側(cè)向力隨著柔性短節(jié)長度的增加而增大，隨著外徑增大而減小，且柔性短節(jié)長度大于3 m后側(cè)向力變化幅度基本不變。

圖9 柔性短節(jié)參數(shù)對工具糾斜能力的影響曲線

2.3 鉆頭與地層特性參數(shù)

2.3.1 鉆頭各向異性指數(shù)

圖10表示鉆頭各向異性指數(shù)對工具糾斜能力的影響曲線。

由圖10可以看出，隨著鉆頭各向異性指數(shù)增大，鉆頭軸向鉆進(jìn)能力減弱，側(cè)向鉆進(jìn)能力增強(qiáng)，井斜趨勢角先減小后增大，表明鉆具糾斜能力增強(qiáng)。在垂直鉆進(jìn)時，為了防斜應(yīng)選用各向異性指數(shù)較小的鉆頭，若要進(jìn)行糾斜作業(yè)，應(yīng)選用各向異性指數(shù)較大的鉆頭，以獲得更大的糾斜力。

圖10 鉆頭各向異性指數(shù)對工具糾斜能力的影響曲線

2.3.2 地層各向異性指數(shù)

圖11表示地層各向異性指數(shù)對工具糾斜能力的影響曲線。

由圖11可以看出，井斜趨勢角隨著地層各向異性指數(shù)增大而增大，施加的推靠力克服了地層的造斜作用，使得鉆進(jìn)趨勢遠(yuǎn)離了地層法線方向，朝垂直方向鉆進(jìn)。相反，在偏斜井眼中也可利用地層的自然造斜規(guī)律使井眼回到垂直狀態(tài)。

圖11 地層各向異性指數(shù)對工具糾斜能力的影響曲線

2.4 自動垂直鉆井鉆具優(yōu)化

根據(jù)以上分析，在滿足鉆進(jìn)效果并保證鉆具安全鉆進(jìn)的前提下，對自動垂直鉆井工具鉆具組合進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化參數(shù)如表4所示。

表4 自動垂直鉆井工具鉆具組合優(yōu)化參數(shù)

3 結(jié) 論

(1)基于縱橫彎曲連續(xù)梁法，建立了考慮變截面處理的自動垂直鉆井系統(tǒng)BHA力學(xué)模型，推導(dǎo)了鉆頭側(cè)向力和轉(zhuǎn)角計算公式。結(jié)合鉆頭與地層相互作用模型，推導(dǎo)了鉆進(jìn)趨勢角計算公式，并對模型進(jìn)行了驗證。

(2)以井斜趨勢角為評價指標(biāo)，結(jié)合鉆頭側(cè)向力和轉(zhuǎn)角，對工具糾斜能力影響因素進(jìn)行了分析。分析結(jié)果表明：工具糾斜能力隨著鉆壓增大而降低，隨著推靠力增大而增強(qiáng)；隨著鉆頭與翼肋之間距離減小、第一穩(wěn)定器外徑減小、第二穩(wěn)定器外徑增大而增強(qiáng)；隨著柔性短節(jié)長度增加和外徑減小而增強(qiáng)，但超過一定長度后變化幅度基本不變；兩個穩(wěn)定器均存在一個最佳安裝位置使得工具糾斜能力最強(qiáng)；隨著鉆頭側(cè)向鉆進(jìn)能力增大、巖石各向異性指數(shù)減小而增強(qiáng)。

(3)分析影響工具糾斜能力的因素可為鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計、鉆井參數(shù)優(yōu)選以及井眼軌跡預(yù)測和控制提供理論依據(jù)，推導(dǎo)的鉆進(jìn)趨勢角模型可預(yù)測井眼延伸方向，從而進(jìn)行井眼軌跡三維可視化，為鉆井現(xiàn)場井眼軌跡控制提供依據(jù)。