偏心防斜技術在大慶油田的應用

孫英偉

(大慶鉆探工程公司鉆井三公司，黑龍江大慶163412）

從20世紀50年代起，大慶油田鉆井施工中一直使用標準鉆具組合，即鐘擺鉆具組合和滿眼鉆具組合，這2種鉆具組合在大慶油田大部分區塊施工中確實實現了防斜快打的功效。但是大慶油田內部存在一些區塊，具有地層傾角大、斷層多、斷距大、地下情況復雜的特點，其中大慶油田南二區就是典型易斜區塊之一，經驗證，2種標準鉆具組合在該區塊不能實現高效防斜的目的。針對以上特點相關專家制定了許多有針對性的防斜措施，其中偏心防斜鉆具的應用取得了最顯著的效果。

1 偏心鉆具設計

1.1 建立力學模型

在鉆井工程的下部鉆具組合中應用偏心接頭，由于偏心接頭與上部接頭之間存在一定的偏心距，因此在鉆具進行旋轉的過程中所有的偏心接頭以下的部分就會相對于上部鉆柱發生公轉，進而產生了離心力。力學模型如圖1所示。

圖1 偏心鉆具力學模型

圖1 所示作用狀態可視為平面縱橫彎曲梁柱問題進行分析。取原點在井眼軸線的鉆頭處，Z軸經過井眼軸線上鉆頭和上穩定器中心所處的兩點，并指向上方，X軸垂直于Z軸并指向井眼低邊，Z軸與鉛垂線夾角為β。

假設每一跨中軸向力是均勻的。在如圖坐標系下，可得到底部鉆具組合平面縱橫彎曲變形的控制方程：

式中：μj——底部鉆具組合彈性線相對Z軸的橫向撓度位移，m；

s——彈性變形上任一點弧長坐標，m。

式中：qj——鉆鋌在鉆井液中單位長度有效重量，kN/m；

EIj——鉆鋌抗彎剛度，kN·m2。

式中：pj——各跨段左端點處的Z向壓力，kN。

對上式可求得解析形式的通解：

式中：cij——待定系數。

在圖1中鉆頭至穩定器間作為一個整體跨段，中間有2個突變點B、C。B點是OC段質心，離心力作用產生了剪力突變，C是偏心接頭所處位置，有一個橫向位移增量Δμj和彎矩突變ΔMj。

設有突變點相鄰的兩段鉆鋌的撓度分別為μj-l（s），μ（s），依據：

可得到OA段撓曲線方程為：

式中：Rq——離心力；

Δuj——偏心距；

其它符號同前。

式中：離心力方向由偏心旋轉方向而定，偏心向上井壁取“+”，反之，取“-”；

n——轉盤轉速，r/s；

w——鉆鋌單位質量，kN/m；

L1——鉆頭至偏心接頭間距離，m。

式中：符號由Δu確定。

1.2 建立目標函數及求解

利用鉆柱各跨段端部的連續條件：

式中：μ′,μ″—— μ 的一、二階導數。

通過循環迭代，利用切點處的邊界條件可得到第一個穩定器（距離鉆頭最近的扶正器）處各參數值，這些參數值可作為撓度方程（6）的邊界條件。對式（6）求一、二、三階導數，帶入邊界條件方程組可計算各待定系數Cj。

由鉆頭處的μ″01→0，可得到目標函數：

利用逐步搜索法和二分法，可求出式（8）滿足精度要求的切點長度值。鉆頭處的側向力及轉角為：

式中：P1——鉆頭處的軸向力；

ka——井斜變化率，（°）/30m；

La——鉆頭至上穩定器間的長度，m。

2 偏心防斜技術在大慶油田南二區的應用

大慶油田南二區主要特點是地層傾角大，地層傾角變化范圍9°～23°之間。多年的鉆井施工實踐證明，井斜問題已經嚴重影響鉆井速度，造成該區塊施工效率低下，鉆井速度遠低于大慶油田其它區塊。

2.1 偏心鉆具組合優選

先后應用了3種鉆具組合，分別為：

（1）?215mmPDC鉆頭+?159mm鉆鋌×10m+?178mm偏心短節+?159mm鉆鋌×10m+?214mm穩定器+?159mm鉆鋌×80m；

（2）?215mmPDC鉆頭+?178mm鉆鋌×20m+?214mm穩定器+?159mm鉆鋌×80m；

（3）?215mmPDC鉆頭+?178mm鉆鋌×10m+?214mm穩定器+?178mm穩定器×20m+?214mm穩定器+?178mm穩定器×30m+?159mm鉆鋌×30m。

2.2 試驗數據分析

現場試驗數據如表1所示。

為了體現出明顯的對比性，以上所選6口井，所處區域為半徑50m的圓形區域，地層傾角均為16°，完鉆井深相差僅2m。由表1可以看出，偏心防斜鉆具組合，能夠有效控制井斜，在機械鉆速方面，比滿眼鉆具組合平均提高了11.2m/h，比鐘擺鉆具組合提高了8.9m/h。

3 結論與建議

（1）偏心鉆具組合通過在南二區塊的應用表明，該鉆具組合是一種有效解決井斜問題，提高鉆井速度和施工效率的方法，使鉆井施工的成本得到大幅度降低。

（2）偏心接頭結構簡單，加工方便，成本低廉，可以大規模推廣應用。

表1 大慶油田南二區現場試驗情況對比表

（3）偏心接頭組合盡量在井斜小的時候下入，并且合理控制鉆井參數，這樣防斜效果更加。

[1]李增科，何開平.偏心防斜技術的研究及應用[J].鉆采工藝，2000（5）.