超深井徑向鉆孔鈦合金管轉向阻力計算及安全評估*

吳春洪，翟科軍，萬小勇，劉少胡，劉元亮，楊 哲

(1.中國石油化工集團公司 碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；2.中國石油化工股份有限公司 西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；3.長江大學 機械工程學院，湖北 荊州 434023；4.中石化江漢石油工程有限公司 鉆井一公司,湖北 潛江 433100)

0 引言

塔河油田井深在6 500 m以上、井下溫度150 ℃以上、井底壓力70 MPa以上，是典型的高溫高壓超深井[1-2]。塔河油田為繼續挖潛老區剩余油，救活停躺老井，所以采用常規側鉆技術和高壓徑向水力鉆孔技術，進行增產作業。碳酸鹽巖油藏非主應力方向改造溝通難度大，而側鉆費用高，周期長，垂距大[3-4]。高壓徑向水力鉆孔技術在塔河油田有廣泛的應用前景。美國[5-6]RDS公司利用水力噴射技術鉆出50 mm的井眼，長達100 m。中國石油江漢石油機械研究所、中石化勝利石油工程公司鉆井工藝研究院等[7-9]也針對高壓徑向水利鉆孔技術開展了相關的研究和試驗。

塔河油田作業井深超過6 000 m后需要高強度的管柱，且需要較大的射流速度，管柱能夠傳遞鉆壓。為滿足現有的徑向鉆孔需求，提出利用修井機和油管進行徑向鉆孔技術，并對其鉆進過程進行力學分析及轉向軌道設計。

1 徑向鉆孔數值模擬及軌道優選

在6 000 m及以上深井由于連續管和高壓軟管的剛度較低，徑向鉆孔極易發生屈曲[10-12]。針對上述問題，提出用修井機和油管分別代替連續管作業車和連續管，用鈦合金管代替高壓軟管，把高壓水力破巖和管柱施加恒定鉆壓相結合。

1.1 有限元模型建立

考慮到修井機和油管進行徑向鉆孔鉆進工藝中的高壓管柱為半剛性的鈦合金管，在S型雙向彎曲軌道和有矯直段的單向彎曲轉向軌道進行優選[13]，如圖1所示。轉向器在193.7 mm套管內完成徑向鉆孔，鈦合金管的外徑為25 mm,壁厚為 2 mm,長度為1 000 mm,與軌道的間隙為2 mm，根據上述軌道軌跡設計參數建立鈦合金管和軌道的有限元模型。鈦合金管材料選用TA18,其彈性模量為120 GPa,泊松比為0.39，材料單軸拉伸應力應變曲線見文獻[14]。鈦合金管的失效分為損傷起始及損傷演化2個階段，選用Ductile damage為失效準則，計算參數見文獻[15]。

圖1 轉向軌跡示意Fig.1 Schematic diagram of steering trajectory

1.2 網格劃分和邊界設置

網格單元類型采用八節點六面體線性縮減積分C3D8R來描述其厚壁特征。單元類型選用計算較少精度較高的Hex六面體單元。使用Sweep掃掠網格劃分技術，并選用中性軸算法對鈦合金管及軌道進行劃分。將轉向器軌道設為剛體，鈦合金管設置成柔性體。設置接觸方式為面-面接觸，設置鈦合金管與軌道間的滑動摩擦系數為0.1。給予鈦合金管上表面1個向下的位移載荷，并對其施加1個重力加速度，使其能夠順利從轉向器內部穿過。

1.3 軌道優選

鈦合金管從2種不同軌道穿出的應力云圖，如圖2所示。鈦合金管從S型雙向彎曲軌道鉆進過程中，在轉向段時，由于管柱下方轉向阻力過大，導致管柱受阻遇卡，上端管柱發生屈曲失穩，使得管柱無法繼續鉆進。而在有矯直段的單向彎曲轉向軌道中，管柱可以平滑的穿過軌道，并繼續水平鉆進1段距離，最大彎曲應力為1 052 MPa,在鈦合金管的抗拉強度范圍內。通過鈦合金管和2種軌道的適應性分析對比可知，有矯直段的單向彎曲轉向軌道與鈦合金管的適配性更好，可以實現平滑穩定鉆進。

圖2 2種軌道適應性分析Fig.2 Adaptive analysis of the two tracks

2 鈦合金管鉆進過程影響因素分析

2.1 轉向半徑及轉向角度

保持鈦合金管外徑為25 mm,壁厚為2 mm,與軌道的間隙為2 mm,研究軌道轉向半徑和轉向角度對鈦合金管鉆進能力的影響。從圖3中可以看出，當進入彎曲段約50 mm時，鈦合金管開始接觸軌道內壁，產生摩擦阻力；進入轉向段，開始發生塑性變形，管柱整體彎曲程度增大，達到最大轉向阻力后趨于穩定。當鈦合金管前端緩慢穿出，阻力趨于穩定。隨著轉向半徑的增大，鉆進阻力減小。

圖3 轉向角度為40°下鉆進阻力Fig.3 Drilling resistance with steering angle of 40°

2.2 鈦合金管壁厚

保持轉向半徑為500 mm，轉向角度為25°，與軌道的間隙為2 mm,研究鈦合金管外徑及壁厚對鈦合金管的鉆進能力的影響。圖4看出，隨著鈦合金管外徑以及壁厚的增大，轉向阻力增大，但達到最大轉向阻力時的鉆進位移基本沒有改變。

圖4 不同壁厚下鉆進阻力Fig.4 Drilling resistance under different wall thicknesses

2.3 鈦合金管與軌道的間隙

保持鈦合金管外徑為25 mm，壁厚為2 mm,轉向軌道半徑及角度分別為500 mm及25°，研究鈦合金管與軌道之間的距離對鉆進能力的影響。由圖5可知，隨著間隙的增大，整個鉆進過程的阻力減小。水平穿出位移和最大鉆進阻力整體上都是隨著間隙的增大而減小。在間隙為5 mm時，最大轉向阻力開始增大。其中水平穿出位移隨間隙的增大下降趨勢較大，而轉向阻力下降趨勢比較緩慢。

圖5 不同間隙下水平穿出位移和最大轉向阻力Fig.5 Horizontal penetration displacements and maximum steering resistance under different clearances

2.4 參數敏感性分析及優選

為了進一步分析轉向半徑R及角度α、鈦合金管外徑D與壁厚T以鈦合金管外徑D與壁厚T間的距離Δ這5個因素對徑向鉆孔過程的鉆進能力的影響程度，并優選出較為合適的軌道與鈦合金管的鉆進組合，采用正交試驗法對其進行敏感度分析。不考慮各種因素之間的交互作用，正交試驗法方案及試驗結果如表1及表2所示。

表1 敏感性分析正交試驗方案Table 1 Orthogonal test scheme for sensitivity analysis

表2 因素水平分析Table 2 Factor level analysis table

3 結論

1)通過對比得到有矯直段的單向彎曲轉向軌道與鈦合金管的適配性更好。通過不同參數下鈦合金管鉆進過程的模擬分析可以得到，軌道轉向半徑與轉向阻力呈正比關系，轉向半徑增大，轉向阻力減小；鈦合金管外徑以及壁厚增大，轉向阻力增大；間隙增大，轉向阻力減小。

2)基于正交試驗法敏感度分析可以得到，對轉向阻力影響的主次順序為：T>D>Δ>R>α；而對水平穿出位移的影響主次順序為：R>T>Δ>D>α。

3)綜合考慮對鉆進阻力和水平穿出位移的影響，在結合轉向軌道的實際加工尺寸，最終優選鈦合金管與轉向器軌道的組合參數為：軌道轉向半徑600 mm,轉向角度30°，鈦合金管外徑25 mm，壁厚2 mm，與軌道間的間隙4 mm。