單彎螺桿造斜能力預(yù)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

呂加華，鄢　標(biāo)，饒巖巖，張鵬飛，李漢興，錢(qián)利勤，張　強(qiáng)

（1.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州434023；2.成都百施特金剛石鉆頭有限公司，四川成都610000；3.中海油研究總院，北京100000）

單彎螺桿造斜能力預(yù)測(cè)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

呂加華*1，鄢標(biāo)1，饒巖巖2，張鵬飛2，李漢興3，錢(qián)利勤1，張強(qiáng)1

（1.長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北荊州434023；2.成都百施特金剛石鉆頭有限公司，四川成都610000；3.中海油研究總院，北京100000）

造斜率預(yù)測(cè)是井眼軌跡控制技術(shù)的基礎(chǔ)和重要組成部分，利用幾何相似原理對(duì)具有初始結(jié)構(gòu)彎角的梁柱進(jìn)行了等效處理，綜合考慮井眼幾何參數(shù)（井斜角、井眼曲率）、鉆具組合結(jié)構(gòu)參數(shù)（彎角、穩(wěn)定器直徑和位置等）、鉆井參數(shù)（鉆壓）等各種影響因素，運(yùn)用縱橫彎曲法建立單彎螺桿力學(xué)模型。以單彎螺桿單穩(wěn)器鉆具組合為例，分析了螺桿彎角、井眼曲率、鉆壓、穩(wěn)定器直徑等參數(shù)對(duì)側(cè)向力和極限造斜率的影響。結(jié)合須家河組地層的特點(diǎn)，運(yùn)用極限曲率法計(jì)算了造斜率，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，指導(dǎo)鉆具組合設(shè)計(jì)。

單彎螺桿；極限造斜率；造斜能力

目前須家河組地區(qū)主要采用鉆頭+彎螺桿鉆具（帶穩(wěn)定器）+短鉆鋌的鉆具組合來(lái)實(shí)現(xiàn)造斜，如何合理設(shè)計(jì)鉆具組合和準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)造斜率是造斜成功的關(guān)鍵。常用預(yù)測(cè)造斜率的方法有經(jīng)驗(yàn)法［1］、力學(xué)計(jì)算法［2-4］、回歸分析法［5］及經(jīng)驗(yàn)公式法［6-7］等，影響鉆具組合造斜率的因素很多，比如下部鉆具組合的結(jié)構(gòu)、井眼幾何形狀、鉆井工藝參數(shù)、地層特性等。由于單彎螺桿鉆具存在結(jié)構(gòu)彎角，相當(dāng)于鉆具組合中存在初彎曲，所以如何處理結(jié)構(gòu)彎角是建立力學(xué)模型的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［8-9］用等效橫向集中載荷代替彎角對(duì)梁柱撓度的影響，即在彎肘點(diǎn)處施加等效集中載荷代替結(jié)構(gòu)彎角的影響，但這造成了附加力的作用。因此本文運(yùn)用等效原理處理了單彎螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角，對(duì)支座端面的相對(duì)附加轉(zhuǎn)角進(jìn)行了處理，建立了連續(xù)條件和上切點(diǎn)邊界條件。結(jié)合連續(xù)條件和上切點(diǎn)邊界條件，建立力學(xué)模型，開(kāi)發(fā)軟件分析螺桿彎角、井眼曲率、鉆壓、穩(wěn)定器直徑等參數(shù)對(duì)側(cè)向力和極限造斜率的影響。考慮到須家河組地區(qū)地層因素影響，預(yù)測(cè)了工具的造斜率，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

1　單彎螺桿造斜力學(xué)模型

1.1單彎螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角的等效處理

圖1　單彎螺桿彎角處理

如圖1單彎螺桿彎角為γ，AB長(zhǎng)為m1，BC長(zhǎng)為m2，由正弦定理得出：

由于單彎螺桿的結(jié)構(gòu)彎角通常不大于3°（α1和α2小于3°）則：

則式（1）可化為：

1.2連續(xù)條件和上切點(diǎn)邊界條件

如圖2所示，底部鉆具組合位于井眼曲率為K的圓弧井段中，由文獻(xiàn)［11］考慮井眼曲率的建立連續(xù)條件和上切點(diǎn)邊界條件得：

即等效結(jié)構(gòu)彎角：

圖2　BHA力學(xué)分析坐標(biāo)系

式中：βi——支座 i兩鄰跨橫坐標(biāo)間的夾角，βi=K（Li+Li+1）/2；

βT——上切點(diǎn)井眼切線(xiàn)與末跨x軸的夾角，βT=KLn+1/2。

1.3三彎矩方程的建立

圖3　單彎鉆具組合的彎曲與變形示意圖

如圖3鉆頭為O、穩(wěn)定器Si和上切點(diǎn)T。鉆頭處彎矩為M0，穩(wěn)定處彎矩為Mi，切點(diǎn)處彎矩為Mn+1，則［10］第一跨右端轉(zhuǎn)角為：

將式（7）～式（9）帶入連續(xù)條件和上切點(diǎn)邊界條件式（10）～式（13）建立三彎矩方程：

式（10）～式（13）中：X（u）、Y（u）、Z（u）、——系數(shù)；

K——井眼曲率；

m——系數(shù)，當(dāng)i=2時(shí)取1，其他取0；

Mn+1——上切點(diǎn)彎矩，Mn+1=EIK；

q1——線(xiàn)重；

Li——第i跨的長(zhǎng)度；

ei——鉆頭直徑、穩(wěn)定器直徑和上切點(diǎn)鉆具直徑與井徑差值的一半。

1.4鉆頭側(cè)向力和造斜率的計(jì)算（見(jiàn)圖4）

圖4　鉆頭側(cè)向力和造斜率計(jì)算模型

基于理論分析和鉆井實(shí)踐，根據(jù)極限曲率法［12］計(jì)算工具造斜造斜率KTα。

式中：KC——極限曲率；

AB——修正系數(shù)，通過(guò)該區(qū)塊的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)與極限曲率對(duì)比獲得。

在確定工具的實(shí)際造斜能力KTα后對(duì)井斜角進(jìn)行預(yù)測(cè)：

利用MATLAB開(kāi)發(fā)單彎單穩(wěn)定器力學(xué)分析模塊，開(kāi)展單彎螺桿鉆具組合力學(xué)分析和造斜率預(yù)測(cè)。

2　單彎螺桿的側(cè)向力影響因素分析

2.1單彎螺桿鉆具組合力學(xué)分析基本參數(shù)

本文以?172mm單彎螺桿鉆具和單穩(wěn)定器鉆具組合為例，基于上述理論對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析，計(jì)算參數(shù)如下：

鉆頭直徑：?215.9mm；螺桿外徑：?172mm；螺桿彎角：2.5°；鉆頭至下穩(wěn)定器中心距離：0.9m；下穩(wěn)定器中心至彎角距離：1.331m；彎角到螺桿頂端距離：5.331m；鉆鋌外徑：?165.1mm；鉆鋌內(nèi)徑：?71.4mm；穩(wěn)定器直徑：?213mm；工具面角：0°；井斜角：90°；鉆壓：90kN；鉆井液密度：1.29g/cm3。

2.2側(cè)向力影響因素分析

采用控制變量法來(lái)分析穩(wěn)定器直徑和井眼曲率對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響。

（1）穩(wěn)定器直徑對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響。由圖5可知，隨著穩(wěn)定器直徑增加，鉆頭側(cè)向力增加，而且這種變化基本呈線(xiàn)性關(guān)系，對(duì)單彎螺桿鉆具的鉆頭側(cè)向力影響尤為顯著。因此，這一結(jié)論對(duì)現(xiàn)場(chǎng)選擇穩(wěn)定器直徑來(lái)調(diào)節(jié)BHA的造斜能力具有指導(dǎo)意義。

（2）井眼曲率對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響。由圖6可知，隨著井眼曲率的增加，鉆頭側(cè)向力逐漸降低，當(dāng)超過(guò)某一井眼曲率后，側(cè)向力將為負(fù)值，即為降斜。

3　單彎螺桿的極限造斜率影響因素分析

（1）井斜角對(duì)極限造斜率的影響。由圖7可知，由于管柱重力作用，工具的極限造斜率隨井斜角的增加而增加。

（2）鉆壓對(duì)極限造斜率的影響。由圖8可知，當(dāng)鉆壓變化幅度較大時(shí)，極限造斜率的變化幅值較小，這一結(jié)論表明，通過(guò)調(diào)整鉆壓來(lái)調(diào)整鉆具的造斜能力是有限的。

圖5　穩(wěn)定器直徑對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響

圖6　井眼曲率對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響

圖7　井斜角對(duì)極限造斜率的影響

4　現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

須家河地區(qū)某區(qū)塊地層滑動(dòng)鉆井實(shí)鉆井眼軌跡及底部鉆具組合如表1所示，通過(guò)編程輸入鉆具組合參數(shù)，修正系數(shù)取0.62，提取不同井斜角下理論計(jì)算極限曲率，計(jì)算結(jié)果與全角變化率對(duì)比如表1所示，對(duì)比結(jié)果表明，最大誤差為9.07%。

圖8　鉆壓對(duì)極限造斜率的影響

5　結(jié)論

（1）采用幾何相似，等效處理單彎螺桿結(jié)構(gòu)彎角，運(yùn)用縱橫彎曲法建立力學(xué)模型，并分析結(jié)構(gòu)彎角、穩(wěn)定器直徑、穩(wěn)定器到鉆頭的距離、鉆壓以及井斜角等影響因素對(duì)鉆頭側(cè)向力和極限造斜率的影響；

（2）結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地層特點(diǎn)，利用極限曲率法修正極限造斜率，預(yù)測(cè)井斜角的變化。將預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際計(jì)算結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性，為現(xiàn)場(chǎng)鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)和指導(dǎo)。

表1　某井鉆具組合、鉆井參數(shù)及使用效果表

［1］彭國(guó)榮，狄勤豐.滑動(dòng)導(dǎo)向鉆具組合復(fù)合鉆井導(dǎo)向能力預(yù)測(cè)方法研究［J］.石油鉆探技術(shù)，2000，28（6）：4-5.

［2］蘇義腦，周煜輝.定向井井眼軌道預(yù)測(cè)方法研究及其應(yīng)用［J］.石油學(xué)報(bào)，1991，12（3）.

［3］郭宗祿，高德利，張輝，等.單彎雙穩(wěn)導(dǎo)向鉆具組合復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜能力分析與優(yōu)化［J］.石油鉆探技術(shù)，2013，41（6）：19-24.

［4］李緒鋒.彎螺桿鉆具水平段導(dǎo)向鉆進(jìn)穩(wěn)斜能力分析［J］.鉆采工藝，2012，35（3）：98-100.

［5］柳貢慧，劉偉，劉忠，等.利用四因素三水平正交回歸分析法進(jìn)行鉆具造斜率預(yù)測(cè)研究［J］.石油天然氣學(xué)報(bào)，2010（3）：108-112，409.

［6］王建軍，張紹槐，狄勤豐，等.偏心墊塊對(duì)螺桿鉆具造斜能力影響的預(yù)測(cè)方法［J］.石油機(jī)械，1994（12）：25-27，62.

［7］梁奇敏.叢式井定向鉆井造斜工具面的優(yōu)化控制分析［J］.石油機(jī)械，2013（9）：41-43.

［8］唐雪平，陳祖錫，汪光太，等.中短半徑水平井彎殼螺桿鉆具造斜率預(yù)測(cè)方法研究［J］.鉆采工藝，2000（3）：15-20.

［9］范濤春.中短半徑水平井螺桿鉆具力學(xué)性能分析［D］.中國(guó)石油大學(xué)（北京），2007.

［10］衛(wèi)增杰.中短半徑水平井螺桿鉆具力學(xué)性能分析［D］.西南石油學(xué)院，2005.

［11］唐雪平，蘇義腦，葛云華，等.旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向鉆具組合力學(xué)分析［J］.力學(xué)與實(shí)踐，2013（1）：55-59.

［12］蘇義腦.極限曲率法及其應(yīng)用［J］.石油學(xué)報(bào)，1997（3）：112-116.

TE921.2

A

1004-5716（2016）04-0079-04

2015-04-07

2015-04-14

重大專(zhuān)項(xiàng)子課題“高扭矩馬達(dá)關(guān)鍵技術(shù)研究及樣機(jī)開(kāi)發(fā)”2011ZX05024-003-03。

呂加華（1991-），男（漢族），安徽安慶人，長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向：井下工具的設(shè)計(jì)、診斷及動(dòng)態(tài)仿真。

簡(jiǎn)介：錢(qián)利勤（1982-），女（漢族），江蘇蘇州人，講師，現(xiàn)從事機(jī)械及仿真分析研究工作。