常規雙穩鉆具組合穩斜性能的分析與優化

趙嘵棟，武 毅，楊建政，郭宗祿

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

常規雙穩鉆具組合穩斜性能的分析與優化

趙嘵棟*，武 毅，楊建政，郭宗祿

（中海油能源發展股份有限公司工程技術分公司，天津300452）

在鹽膏層內的穩斜段鉆進需要使用很高的鉆井液密度，這大大縮短了馬達的使用壽命，因此需要設計一套用于穩斜的常規鉆具組合。根據底部鉆具組合的靜力學分析模型，編制了相應的計算機程序，模擬計算了底部鉆具組合結構參數和鉆壓對常規雙穩鉆具組合穩斜能力的影響規律。結果表明：第一穩定器外徑不可以過小，否則將在井眼中處于懸空狀態，失去支撐井壁的作用；鉆頭井斜力會隨著第二穩定器外徑的減小而減小；鉆壓對鉆頭井斜力影響很小。應用上述模擬計算結果，對用于在鹽膏層內穩斜鉆進的常規雙穩鉆具組合進行了優化設計。研究結果可為今后底部鉆具組合的優化設計提供參考。

鹽膏層；穩斜；底部鉆具組合

米桑油田群位于伊拉克東南部米桑省，毗鄰伊朗邊界，主要包括3個油田：Abu Ghirab油田、Fauqi油田和Buzurgan油田。主要儲層為2個：埋深2800～3100m的Asmari碳酸鹽巖和埋深3800～4100m的Mishrif灰巖。儲層上部有一套石膏鹽巖和泥巖夾層，埋深在2000～3000m，厚度約800m。如何在鹽膏層內實現穩斜，將是在米桑油田鉆成定向井需要面臨的一大挑戰。鑒于在鹽膏層內鉆進需要使用很高的鉆井液密度，使得馬達壽命大大縮短，因此需要設計一套穩斜性能較好的常規鉆具組合。本文應用底部鉆具組合的靜力學分析模型，針對常規雙穩鉆具組合的穩斜性能進行了影響因素分析，并將其應用于優化實際的底部鉆具組合穩斜性能之中。

1 底部鉆具組合力學分析模型

1.1 控制方程

在考慮重力（鉆井液中）、鉆壓、扭矩等載荷的情況下，底部鉆具組合在參考坐標系O-XYZ下的非線性控制方程可表達為[1]：

式中：U、V——底部鉆具組合在X軸和Y軸方向的位移分量，m；

s——底部鉆具組合變形曲線上任一點的弧長坐標變量，m；

EI——底部鉆具組合的抗彎剛度，kN·m2；

T——作用于底部鉆具組合的軸向力，kN；

Mt——施加于底部鉆具組合上的扭矩，kN·m；

hX、hY——單位長度的底部鉆具組合所受的外力

（面力與體力）分別在X軸和Y軸方向的分量，kN/m；

q——底部鉆具組合在鉆井液中的線重，kN/m；

P——底部鉆具組合各跨下端點的Z向壓力，kN。

1.2 計算過程概述

依據目前較成熟的理論，底部鉆具組合靜力學分析的基本過程可敘述如下：

（1）對底部鉆具組合進行簡化處理，根據穩定器、彎曲結構等在鉆具組合中的位置劃分跨段。

（2）假定一個上切點長度，以上切點至鉆頭的方向，依據鉆柱變形的控制方程、邊界條件和連續條件，逐一對各跨段鉆柱的變形進行求解。

（3）以鉆頭彎矩為零作為目標函數，對上切點的長度進行迭代計算，最終確定各跨段鉆柱的變形。

（4）根據近鉆頭跨段的鉆柱變形，計算鉆頭側向力。

2 常規雙穩鉆具組合穩斜能力的影響因素分析

為探討各因素對常規雙穩鉆具組合穩斜能力的影響規律，采用以下鉆具組合進行模擬計算：?311.1mmPDC鉆頭+浮閥+?308.0mm穩定器+?203.2mm鉆鋌短節3m+ ?308.0mm穩定器+?203.2mm鉆鋌13根+?203.2mm震擊器（帶撓性接頭）+轉換接頭+?127.0mm加重鉆桿14根+?127.0mm鉆桿。計算條件包括：井斜角為25°；井斜變化率和井斜方位變化率均為0°/30m；鉆井液密度為2.25g/cm3；鉆壓為90kN。

另外，在下面的計算分析中，鉆頭井斜力以增斜力為“+”，以降斜力為“-”。

2.1 底部鉆具組合結構參數的影響

2.1.1 第一穩定器外徑

如圖1所示，隨著第一穩定器的外徑的減小，鉆頭井斜力起初會增大。當第一穩定器的外徑減小到一定程度時（圖1中第一穩定器外徑小于305mm），鉆頭井斜力不會發生變化，原因是第一穩定器開始在井眼中處于懸空狀態。因此，為了使第一穩定器支撐井壁并發揮其應有的作用，其外徑不能過小。

圖1 第一穩定器外徑對鉆頭井斜力的影響

2.1.2 第二穩定器外徑

如圖2所示，當第二穩定器的外徑減小，鉆頭井斜力會隨之減小。

圖2 第二穩定器外徑對鉆頭井斜力的影響

2.1.3 鉆鋌短節的長度

模擬計算條件如上所述，僅改變2個穩定器之間的?203.2mm鉆鋌短節的長度，得到其對鉆頭井斜力的影響規律。如圖3所示，隨著鉆鋌短節長度的增加，鉆頭井斜力起初會減小，之后會增大。

圖3 鉆鋌短節的長度對鉆頭井斜力的影響

2.2 鉆壓的影響

如圖4所示，當鉆壓增大，鉆頭井斜力會隨之增大，但影響程度相對較小。因此，在條件允許的情況下，可以適當地增大鉆壓以提高機械鉆速。

3 常規雙穩穩斜鉆具組合的優化設計

依據上述各因素對常規雙穩鉆具組合穩斜能力的影響規律研究，對用于在穩斜段（穩斜角為25°）鉆進的底部鉆具組合進行了優化設計，其中穩斜段將貫穿于整個鹽膏層，推薦如下常規鉆具組合：?311.1mmPDC鉆頭+浮閥+?308.0mm穩定器+?203.2mm鉆鋌1根+?203.2mm鉆鋌短節4.3m+?308.0mm穩定器+ ?203.2mm鉆鋌12根+?203.2mm震擊器（帶撓性接頭）+轉換接頭+?127.0mm加重鉆桿14根+?127.0mm鉆桿。

對于此鉆具組合，圖5說明了鉆鋌短節的長度對鉆頭井斜力的影響規律。如圖5所示，當鉆鋌短節的長度取為4.3m時，鉆頭井斜力接近于零，鉆具組合的穩斜性能最好。

圖4 鉆壓對鉆頭井斜力的影響

圖5 鉆鋌短節的長度對鉆頭井斜力的影響

4 結論

（1）常規雙穩鉆具組合中的第一穩定器外徑不可以過小，否則將在井眼中處于懸空狀態，失去支撐井壁的作用。

（2）鉆壓的變化對常規雙穩鉆具組合的鉆頭井斜力影響不顯著。因此，可以適當地增大鉆壓以提高機械鉆速。

（3）在對常規雙穩鉆具組合的穩斜能力進行優化時，推薦采取調整第二穩定器外徑或兩個穩定器間距的方式。

[1] 高德利.井眼軌跡控制[M].東營:石油大學出版社,1994:61-62.

TE21

A

1004-5716（2015)10-0049-03

2014-11-07

中海石油伊拉克有限公司項目“米桑油田鹽膏層定向鉆井技術研究”（編號：CMITWRS-210-PRT-10.53-20296）。

趙曉棟（1984-），男（漢族），陜西寶雞人，工程師，現從事油氣田鉆井技術工作。