“S”型定向井鉆具組合受力分析

李俊勝，王輝東，姜朝民

（西部鉆探定向井技術服務公司，新疆烏魯木齊830026）

1 概述

“S”型定向井剖面類型普遍采用“直—增—穩—降—穩(直)”和“直—穩—增—降—穩(直)”2種剖面類型。軌跡控制難度大，準確預測鉆具組合的造斜率和預防鉆具失效是實現該類定向井優質高效鉆井的關鍵技術。為此,國內外在導向鉆具組合的力學特性分析方面開展了大量的研究工作,并取得了豐碩成果，高德利、蘇義腦、李子豐等學者都提出過下部鉆具組合(BHA)導向時鉆頭上的側向力的計算方法和模型，并在實際生產中取得了較好的效果。

研究發現鉆具失效事故發生井段多為“S”形井上部井段井眼曲率較大處。前期在“S”形井和大斜度井等復雜軌跡井眼鉆具設計時，絕大部分只考慮鉆具所受的扭矩、起下的拉伸載荷以及是否發生屈曲變形，而關于井眼彎曲處對鉆具應力的影響沒有充分考慮。在“S”形復雜軌跡井眼中，井眼彎曲會對鉆具產生疲勞破壞，從而嚴重影響鉆具壽命，是鉆具設計中不可忽略的要素。因此，對“S”形井眼鉆具組合進行力學分析至關重要。

2 “S”型定向井技術難點

（1）由于該類定向井裸眼井段長，在同一裸眼井段需要完成直—造斜（開窗）—穩斜—降斜—穩斜，對鉆具組合的導向能力要求高，鉆具組合導向能力預測難度大。

（2）該類定向井井眼中有2個異向“拐點”，在這2個“拐點”處應力集中，側向力大，托壓嚴重，軌跡控制效率低，易出現鉆具事故。

（3）剖面設計要求高，造斜段的造斜率和降斜段的降斜率設計不合理會為下部施工帶來隱患，易形成“鍵槽”，影響下步施工，造成起鉆阻卡和鉆進中井下復雜。

3 YC200井設計

3.1 井身結構

YC200井設計井身結構見圖1。

圖1 YC200井井身結構圖

3.2 井眼軌跡設計

軌跡設計為“直—增—穩—降—穩(直)”剖面。增斜后，進入目的層以前要降斜到零度，下部目的層為垂直段鉆進。經分析計算，認為造斜段造斜率選擇在4.5°/30m為宜，降斜段降斜率也不宜過高，降斜率選擇在1.9°/30m為宜，YC200井設計井眼軌跡數據見表1。

表1 YC200井剖面數據

3.3 設計鉆具組合

鉆具組合1：?215.9mmPDC+?172mm彎螺桿+浮閥+定向接頭+?127mm無磁鉆桿（1根）+?127mm鉆桿（45根）+?127mm鉆桿。

鉆具組合2：?152.4mmPDC鉆頭+?127mm螺桿+浮閥+定向接頭+?88.9mm無磁鉆桿（1根）+?88.9mm加重鉆桿（45根）+?88.9mm鉆桿+101.6鉆桿（3000m）。

4 YC200井實鉆數據

YC200井實鉆井眼軌跡見圖2。

5 鉆具組合受力分析

第一趟鉆采用設計造斜鉆具組合，按設計軌跡要求鉆至設計井斜，并穩斜鉆進至降斜井段，托壓嚴重無法完成定向作業，更換降斜鉆具組合：?215.9mmPDC鉆頭(SFD54H3)+?172mm（直螺桿）+浮閥+?165mm無磁鉆鋌（1根）+?212mm穩定器+?165mm定向接頭+?127mm無磁鉆桿（1根）+?127mm無磁鉆桿（1根）+?127mm加重鉆桿（45根）+?127mm鉆桿。

圖2 YC200井軌跡圖

本趟鉆井斜由17°降至9°，造斜率由-2.285°降至-1.582°，隨著井斜角的減小，降斜能力逐漸減弱。與通過理論計算基本一致，理論計算數據見表2。

表2 YC200井造斜率[(°)/30m]

對本趟鉆受力情況的計算分析，側向力計算分析結果見圖3，在4100m和4650～4700m處異常，均超過經驗上限值。結合實鉆軌跡情況，這2個井段分別是開窗井段和從最大井斜開始降斜井段。

本趟鉆鉆柱屈曲計算分析結果見圖4，正弦屈曲和螺旋屈曲均在極限范圍內。

后續鉆進時的鉆具組合受力分析顯示，側向力與上趟鉆一樣都是在4100m和4650～4700m處異常。鉆柱正弦屈曲和螺旋屈曲均在極限范圍內。

6 結論與認識

圖3 YC200井側向力分析

圖4 YC200屈曲分析

（1）“S”型井眼軌跡鉆柱與增、降斜段的井壁接觸面增大，導致滑動鉆進困難。因此，井眼軌跡的調整要盡量放在上部井段完成，以免下部滑動鉆進中調整軌跡困難。同時，為避免隨著井眼曲率的增大，鉆具疲勞破壞增加，軌跡力求平滑，減小上部井段曲率。

（2）建議現場在采用單彎螺桿鉆具配合PDC鉆頭進行復合鉆井，可依據不同的地層、井段和井眼軌跡的需要選用“小彎角螺桿或直螺桿+PDC”的復合方式鉆井。

（3）在托壓嚴重井段推薦采用常規定向+水力震蕩器組合方式，鉆具中加裝滾輪減阻工具等方式緩解托壓問題、實現鉆壓的有效傳遞。

（4）在“S”型復雜軌跡井眼中，井眼彎曲會對鉆具產生疲勞破壞，是鉆具設計中不可忽略的要素，必須對鉆具組合進行力學分析，優化鉆具組合設計。