超短半徑多分支井柔性鉆具設計及應用

摘要：利用超短半徑多分支井可高效靶向挖潛中老油田局部富集剩余油和斷塊油田閣樓油，加大儲層泄油面積，提高油田的采收率。柔性鉆具是超短半徑側鉆多分支井技術中的核心工具，在鉆進過程中受力較為復雜，國內尚未形成完整的柔性鉆具設計方法及相應的力學分析。基于工藝特點和現場需求，對柔性鉆具進行了受力分析和總體結構設計，給出了整體管柱的設計方法，建立了力學模型進行有限元分析，對不同載荷條件下的鉆具強度進行校核。在南海某井的現場應用結果表明，該柔性鉆具造斜鉆進順利，作業后與治理前相比日產量提升三倍，含水率降低53%?？蔀檫m用于超短半徑多分支井的柔性鉆具的設計與研究提供參考。

關鍵詞：超短半徑；柔性鉆具；剩余油；閣樓油；設計方法；力學分析

中圖分類號：TE921 " " " " "文獻標志碼：A " " " doi：10.3969/j.issn.1001-3482.2024.03.011

Design and Application of Flexible Drilling Tools for Multi-branch Ultrashort Radius Wells

GAO Pengyang，GUAN Haolun，XUE Xianbo，ZHANG Wenbo，WANG Weijun，ZHAO Jinyong

（COSL Integrated Solution amp; New Energy，Tianjin 300459，China）

Abstract： The use of multi-branch ultrashort radius wells can efficiently target the enrichment of remaining and attic oil in old and medium-aged oil fields，increase the area of reservoir oil leakage，and improve the oil recovery rate of the oilfield. Flexible drilling tools are the core tool in the technology of ultrashort radius sidetracking multi-branch wells，and the forces during the drilling process are relatively complicated. There is no complete design method and corresponding mechanical analysis for flexible drilling tools in China. Based on the process characteristics and on-site requirements，mechanical analysis and overall structural design of the flexible drilling tool were conducted，and a design method for the overall pipe string was provided. A mechanical model was established for finite element analysis，and the strength of the drilling tool under different load conditions was checked. The on-site application result of the flexible drilling tool in a well in the South China Sea indicated that the drilling process is smooth，with a daily production increase of three times and a water content reduction of 53% compared to before treatment. This can provide a reference for the design and research of flexible drilling tools suitable for multi-branch ultrashort radius wells.

Key words： ultrashort radius；flexible drilling tools；remaining oil；attic oil；design method；mechanical analysis

隨著我國海上部分油田進入開發中后期，利用中、短、超短半徑分支井等特殊井型鉆井提高采收率成為了中老油田進一步有效釋放油藏潛力的重要方向［1-2］。

超短半徑多分支井技術利用特制柔性鉆具側鉆并配套軌跡控制技術延伸出超高造斜率分支井眼，可對整裝油田局部富集剩余油和斷塊油田閣樓油實施多分支定向挖潛，加大儲層泄油面積實現增產［3-4］。

2001年開始，美國、加拿大、澳大利亞等國家在超短半徑分支井技術領域進行了研究并研制出了各類工具并在現場試驗應用［5］。2009年開始，大慶油田、中聯煤層氣引入利用柔性鉆桿進行側鉆的超短半徑水平井鉆井技術并在現場應用［6-8］。2019年，該技術開始應用于海上油田［9］，中海油服在渤海創造了92 m的國內海上油田超短半徑分支井單分支進尺最長記錄［10］。

超短半徑多分支井技術的核心工具包括柔性鉆具、套管開窗工具、循環閥、高效破巖鉆頭等［11］。其中，柔性鉆具是開窗、造斜和水平鉆進過程中必不可少的關鍵工具。柔性鉆具結構設計的合理性和性能直接決定了技術實施效果以及分支井眼的延伸能力［12］。張紹林等［13］基于十字萬向節結構設計了一種單節彎曲角度為5°的柔性鉆具并進行了現場試驗。薛世華等［14］采用理論分析與數值模擬相結合的方法，開展了鉸接式柔性鉆桿參數化設計的研究。

柔性鉆具在井下鉆進過程中受力較為復雜、環境較為惡劣，現有研究尚未形成一套完整的柔性鉆具設計方法及相應的力學分析。因此，筆者結合超短半徑側鉆分支井現場作業需求及現有各類柔性鉆具特點，研制了能夠在較短距離內產生較高造斜率的柔性鉆具并給出了整體鉆具的設計方法，研究結果可為適用于超短半徑多分支井的柔性鉆具的設計與研究提供參考。

1 技術分析

在超短半徑分支井眼中，柔性管柱呈近似圓弧狀分布，鉆具下表面沿井眼外法線方向與井壁接觸。鉆進過程中，柔性鉆具將地面鉆壓和扭矩傳遞給鉆頭進行破巖，受力十分復雜。除受到自身重力外，既要傳遞來自地面的軸向鉆壓和彎矩、扭矩載荷，還要承受來自井壁的接觸約束力和摩擦力、開窗點位置的軸向力、旋轉離心力以及起下鉆附加動載的作用，如圖1所示。根據超短半徑多分支井高造斜率要求和現場作業需求，柔性鉆具的設計要點如下：

1） 在任意方向上實現一定角度的偏轉，使一定長度的柔性鉆具滿足高造斜率要求。

2） 在曲率半徑較小井眼里實現一定扭矩的傳遞，盡量避免扭矩在造斜段的過量損失。

3） 承受一定的軸向載荷作用，以便鉆具在水平段能夠將軸向力傳遞到鉆頭上。

4） 在鉆進過程中保證密封性，以免鉆井液的溢流和部件的腐蝕。

5） 承受最大軸向力不低于25 kN，內部密封壓力不低于4 MPa。

1.1 機械結構設計

根據以上設計要點，在借鑒現有超短半徑多分支井鉆具的基礎上，設計柔性鉆具結構如圖2所示。該鉆具基于“蛇骨”仿生結構設計，由多節能撓曲一定角度的短節組成，可實現超短半徑定向造斜鉆進和水平鉆進，并具有抗拉、抗壓、抗扭能力，內為高強度密封件，可承受泥漿循環泵壓和密封排量，與普通鉆桿使用方法幾乎相同。

柔性鉆具的上接頭與連接套由螺紋連接，連接套徑向分布四個階梯孔，用于放置抗扭螺釘?？古ぢ葆斢糜谶B接活動接頭，以滿足柔性鉆具的彎曲度并且傳遞扭矩，抗扭螺釘外設置有彈簧擋圈限位防止工作期間內外力作用下抗扭螺釘脫落發生事故。活動接頭外設有螺紋從而實現多節柔性鉆桿的串聯組合。柔性鉆具整體材料主要選用具有高強度和韌性的超高強度鋼42CrMo，為滿足柔性鉆具的密封要求，在關鍵連接部位采用O形圈進行密封。

1.2 單節鉆桿設計

柔性鉆具由多個單節柔性鉆桿相連組成，單節鉆桿的尺寸以及相鄰兩個單節的柔性彎曲連接是柔性鉆具設計的關鍵，其合理性直接關系到柔性鉆具在鉆井過程中能否順利在薄油層厚度內彎曲到位實現側鉆和水平鉆進［15］，因此需要根據每口井的不同情況（井筒大小、曲率半徑、目標造斜率等）對鉆具的尺寸、長度、彎曲角度、節數進行相應的選擇和調整。

為確保單節柔性鉆桿在不彎曲變形的情況下能夠順利通過造斜段，依據井筒尺寸和對單節鉆桿的長度尺寸和彎曲角度進行設計。單節柔性鉆桿計算示意圖如圖3所示，設定造斜段井筒內徑為D，柔性鉆桿外徑為d，井筒曲率半徑為R，單節柔性鉆桿長度為l，井筒和單節柔性鉆桿之間的間隙為Δ。

將具體數值代入以上各式，為保證鉆具通過性舍去余量Δ取8 mm，即可計算出不同曲率半徑下單節柔性鉆桿的極限長度和彎曲角度，對不同井筒尺寸及曲率半徑下的單節鉆桿進行設計。

1.3 整體管柱設計

整根柔性管柱的設計既要準確地完成預定造斜率的造斜鉆進，又要滿足造斜段進尺長度的要求。在造斜段中，在確保單節柔性鉆桿不發生變形的情況下，即當相鄰兩節柔性鉆桿達到最大彎曲極限角度時，柔性鉆具總體造斜角度與鉆具進尺長度成正比關系。柔性鉆具的數量應同時滿足造斜角度和造斜段進尺的要求，最終完成組合整套柔性鉆具的設計。

2 柔性鉆具力學分析

柔性鉆具柔性單元主要由上外套、抗扭螺釘、活動接頭和彈性擋圈組成。柔性鉆具的主要材料為42CrMo，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.28，硬度為48 HRC，抗拉強度為965 MPa，屈服強度為930 MPa，伸長率δ≥12%，沖擊韌性值≥78 J/cm2。忽略螺紋，建立柔性鉆具的三維力學模型結構并按照Fine劃分網格，如圖4所示，由于其工作環境惡劣，受力特性復雜，可借鑒的經驗和算法較少，對其開展相關的受力分析和強度校核。

柔性鉆具的活動接頭連桿和上球座之間接觸傳遞軸向力，抗扭螺釘與活動接頭凹槽接觸傳遞扭矩?；顒咏宇^下端作為固定支承施加約束，對上接頭施加軸向壓力載荷、軸向拉力載荷、徑向扭轉載荷求扭矩、徑向載荷求彎矩?？古ぢ葆斉c活動接頭凹槽、連接頭與活動接頭的接觸可以模擬成剛體和柔體的面與面接觸，抗扭螺釘與活動接頭凹槽、連接頭與活動接頭分別使用Conta174和Targl70接觸單元來模擬面-面的接觸，均采用接觸非線性的方法模擬兩者之間的連接關系。根據約束的不同可劃分：抗扭螺釘與活動接頭凹槽分別作為柔性面和剛性面，連接頭與活動接頭分別作為柔性面和剛性面，相應在接觸模擬中作為接觸面和目標面。

2.1 軸向拉壓載荷受力分析

對上接頭頂部施加軸向壓力載荷，即鉆桿最上端吊鉤與鉆桿連接位置，計算結果如圖5所示，變形發生在施加載荷處，最大變形量為0.301 9 mm，該變形量小于伸長率。最大應力發生在活動接頭球面位置，當力加載到2.0×106 N（遠高于常規要求載荷1 200 kN），等效應力為779 MPa，小于42CrMo的屈服極限930 MPa，活動接頭不會失效。對上接頭頂部施加軸向拉力載荷計算結果類似，符合技術要求。因此，該結構下采用42CrMo材料，在軸向載荷下強度可靠。

2.2 徑向扭轉載荷受力分析

在徑向扭轉載荷作用下，常規柔性鉆具的活動接頭和抗扭螺釘接觸位置為線接觸，易產生明顯的應力集中現象，對整體強度帶來隱患。因此，本結構在活動接頭處設計了R=1的倒角，通過面接觸減小應力集中，模擬結果如圖6所示，在抗扭螺釘作用下，活動接頭、連接頭與抗扭螺釘接觸后在接觸位置發生最大總變形且變形量相同，最大為0.327 76 mm。應力最大位置位于連接頭與抗扭螺釘接觸位置。單個抗扭螺釘扭轉達到屈服極限可承受的最大扭矩值為11.4 kN·m，四個抗扭螺釘總扭矩可達到45.6 kN·m，能夠滿足現場30 kN·m左右的技術指標需求。此結構最大扭轉角度可達到4.1°，符合強度要求，設計結構合理。

2.3 徑向彎矩載荷受力分析

柔性鉆具的彎曲角度是造斜的關鍵，該結構下的連接頭、外套與活動接頭組合后最大彎曲角度可以達到4.52°。對徑向彎矩載荷作用下的連接頭、外套與活動接頭組合進行分析計算，結果如圖7所示。當柔性鉆具的彎曲角度達到最大值4.52°時，外套和活動接頭達到屈服極限，此時最大變形出現在活動接頭與外套相互接觸位置，最大位移為3.10 mm，最大應力發生在活動接頭、外套與連接頭相互接觸點，最大應力為802.64 MPa，上接頭的應力計算結果與活動接頭相同，模擬結果顯示力與彎矩呈線性增長關系。最大應力小于42CrMo的屈服極限930 MPa，故該結構設計合理，在徑向彎矩載荷下強度可靠。

2.4 整體載荷分析

柔性鉆具管柱在鉆進過程中通過多個相連單節柔性鉆桿自上而下彼此傳遞鉆壓和扭矩，因此需對整體管串承受載荷能力進行校核。由于柔性鉆桿結構復雜，若整體模型采用實體單元建模，計算模型將很大，難以運行求解。因此，采用Beam188梁單元建立柔性鉆具整體模型，采用實體單元建立單節柔性鉆桿局部模型，將整體模型得到的危險截面上的載荷施加到局部模型上，對局部模型上的載荷進行強度評價。

鉆進過程中，柔性鉆具主要承受彎矩和軸向壓力，其邊界條件為：開窗點處橫向位移約束，井底3個移動自由度和彎曲自由度限制，柔性鉆具與套管之間為接觸摩擦邊界。由于泥漿的潤滑作用，故忽略摩擦。對模型設定為加載恒定25 kN軸向壓力，加載漸進式彎矩，計算結果如圖8所示。計算結果顯示，當彎矩加載到9.9 kN·m時，上接頭開始彎曲，最大位移發生在施加載荷處，最大位移為4.186 mm。軸向力與彎矩作用下的最大應力發生在活動接頭、外套與連接頭相互接觸點，最大應力為864 MPa，小于42CrMo的屈服極限，模擬結果顯示應力與彎矩呈線性增長關系。即柔性鉆具整體在綜合受力下，強度性能依舊可靠，能夠滿足作業需求。

3 現場應用

南海某定向側鉆井完鉆后在177.8 mm尾管ICD控水完井，生產后期因電泵故障關停。根據油藏儲層特點，計劃使用超短半徑多分支井技術在177.8 mm尾管中側鉆兩個分支井眼提高采收率。現以該井T1分支作業為例，利用本文提出的單節鉆桿和整體管柱的設計方法，根據設計的軌跡及技術要求對單節柔性短節進行設計校核，并對使用的柔性鉆具數量進行計算。

基于靶點位置，軌跡設計T1分支開窗深度為1 966 m，井斜26.04°，造斜至1 971.22 m后井斜達到90 °，隨后再水平鉆進至2 051.22 m。主井眼最大狗腿度為7.593 （°）/30m，造斜期間的最大狗腿度達到600 （°）/30m。T1分支井眼設計軌跡數據如表2所示。

將造斜部分的造斜率換算成對應的曲率半徑R為4 676.11 mm。該井計劃選用的造斜鉆頭外徑為144 mm，即井眼內徑D為144 mm。由于該井軌跡較為復雜，造斜過程扭方位角度較大，為保證整根管柱能夠在井眼中順利通過，定制設計1根外徑為127 mm的柔性造斜鉆桿，使鉆柱與井壁留有充分的間隙Δ。為使管柱整體具有較高的靈活性，單節柔性鉆桿長度選用為較小尺寸的165 mm。經式（1）～（5）的校核計算，單節鉆桿長度符合設計要求。

該分支井段總進尺5.22 m，從進尺長度和造斜角度方面限定，該分支井段共造斜63.96°，該井選用的柔性鉆具相鄰兩節柔性鉆桿之間的最大彎曲角度為2.5°，鉆桿節數應大于26節。

結合力學分析，為保證整根鉆具整體剛度要求，最終該井造斜段鉆具組合設計為：？準144 mm造斜鉆頭+1根？準127 mm柔性造斜鉆具+1根？準133 mm柔性造斜鉆具+浮閥接頭+變扣接頭+101.6 mm加重鉆桿+變扣+120.65 mm液壓震擊器+變扣+101.6 mm加重鉆桿+鉆桿立柱。

每根柔性鉆具的總長度為4.5 m，由26節長165 mm的單根柔性鉆桿及上、下接頭組成。由軌跡設計可知，從造斜點開始至水平鉆進結束，共鉆進85.22 m。最終水平段鉆具組合設計為：？準144 mm水平鉆進鉆頭+22根？準133 mm柔性鉆桿+浮閥接頭+變扣+101.6 mm加重鉆桿+變扣+120.65 mm液壓震擊器+變扣+101.6 mm加重鉆桿+鉆桿立柱。

該井軌跡具有造斜段長、扭方位角度大等特點，作業難度較大。中海油服利用自研柔性鉆具順利地完成了兩個分支井眼的鉆井作業，進尺分別達到76 、82.54 m，驗證了該柔性鉆具結構的可靠性及設計原理的合理性。該井作業后，增產效果良好，與治理前相比日產量提升3倍，含水率降低53%，驗證了該技術對于實現低產低效井增產具有重要作用。

4 結論與建議

1） 依據超短半徑側鉆工藝和設計要點，研制了一種適用于超短半徑多分支井的柔性鉆具，該柔性鉆具能夠在較短進尺內實現較高的造斜率，性能可靠。

2） 得到了對柔性鉆具單節鉆桿長度尺寸、彎曲角度和整體管柱所用柔性鉆桿節數的設計方法，以針對每個分支井眼的不同情況給出適配方案。

3） 對柔性鉆具進行了軸向拉壓、徑向扭轉、徑向彎矩及整體載荷作用下的力學分析，建立了力學模型并通過有限元模擬驗證了工具結構的可行性。

4） 現場應用結果表明，該超短半徑多分支井柔性鉆具設計合理，整體性能安全可靠，能夠實現分支井眼的側鉆并對低產低效井進行有效增產。

5） 該柔性鉆具的結構可基本滿足現場超短半徑鉆井需求，建議以此結構為基礎，通過在現場的應用對其結構和配套工藝進行不斷優化改進，以達到更好的施工效果。

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