深井底部鉆具組合選型及防斜性能評價指標分析

崔海波

(中石化經緯有限公司 地質測控技術研究院，山東 青島 266000)

目前，我國陸地油氣資源勘探以深部地層鉆探為主，在新疆等主力探區，完鉆井深屢創紀錄。例如，2021年完鉆的塔深5井[1]，設計井深8 890 m，完鉆井深達9 017 m。隨著深井鉆井技術的發展，一套系統化的深井鉆井理論體系正在形成，并日漸完善。其中的深井防斜打快技術體系優化包括井身結構優化、鉆井液優選、鉆頭優選、底部鉆具組合(以下簡稱BHA)優化設計以及鉆井方式優選等。制約鉆井速度的主要因素是BHA的種類與結構，以及鉆頭與地層的配合[2]。由于深部地層情況復雜，巖石可鉆性極值大、研磨性強，在進行深井BHA設計時，只有綜合考慮地層-BHA-鉆頭之間的相互作用，針對實鉆情況合理設計計算參數，才能在鉆前有效模擬井下情況，優選防斜鉆具組合。

在地層-鉆頭-BHA的相互作用方面，前人已經做了大量研究。Lubinski和Woods[3]提出了地層各向異性指數的概念，用于描述巖石各向異性。白家祉[4]等通過分析總結大量井史資料，給出了預測地層造斜率的經驗公式。蘇義腦[5]提出了計算BHA造斜能力的極限曲率法。在眾多方法中，平衡趨勢法[6-8]能夠定量分析地層、鉆頭以及BHA力學結構對鉆具組合防斜性能的影響。該方法以井斜趨勢角為評價指標，預測鉆頭前進趨勢，在現場取得了較好的應用效果。

本文基于縱橫彎曲梁法和平衡趨勢原理建立了深井防斜鉆具組合的防斜能力評價模型，分析了幾類典型的防斜鉆具組合的防斜能力，提出了一種深井防斜鉆具組合優選方法。

1 鉆具組合防斜性能評價參數求解

通過調研文獻資料[9]，總結常用的幾類被動式防斜鉆具組合的基本結構和防斜機理，如表1所示。總體而言，各類防斜鉆具組合都是憑借特殊的結構設計，使BHA在鉆進時能產生使鉆頭向著降斜趨勢前進的力。

表1 常用被動式防斜鉆具組合的基本結構與防斜機理

1.1 BHA力學模型建立

為了深井鉆井提速的需要，常采用PDC鉆頭+井下動力鉆具/提速工具型鐘擺鉆具組合設計，例如，“孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿鉆具”復合鉆進技術，其在新疆瑪湖[10, 11]、四川盆地川中地區[12]的深井鉆井實踐中都取得了較好的效果。

應用平衡趨勢法分析鉆具組合的防斜能力時，首先需要求解鉆頭側向力和轉角。以直螺桿型鐘擺鉆具組合為例，如圖1所示。采用縱橫彎曲梁法建立力學分析模型，如圖2所示。其他類型鉆具組合力學模型建立與其類似。

圖1 直螺桿單鐘擺鉆具組合示意圖

Pb-鉆壓；M-內彎矩；y-縱坐標；L-跨梁柱的長度；q-橫向均布載荷。圖2 直螺桿單鐘擺鉆具力學模型示意圖

直螺桿和短鉆鋌連接處存在變截面，需要在此處將鉆具斷開，即新增1跨梁。增加1跨梁后會新增2個未知量，即斷開截面處的內彎矩M1和撓度Y1。此外，系統還存在穩定器處的內彎矩M2和最后一跨長度Lt2個未知量。

變截面處存在如式(1)～(2)的連續性條件：

(1)

Q1=Q2

(2)

由上述連續性條件可以得到如式(3)～(4)的三彎矩方程：

(3)

(4)

式中：Pb為鉆壓；Li、Ii、Pi、qi分別為第i跨梁柱的長度、截面矩、軸向力、線重；E為彈性模量；Mi、Yi分別為第i個支座處的內彎矩和y坐標；X(ui)、Y(ui)、Z(ui)分別為第i跨梁端部轉角放大因子。

穩定器和上切點處的連續性條件如式(5)～(6)：

(5)

(6)

式中：θT為上切點處的端部轉角；K為井眼曲率。

可以得到另外2個三彎矩方程為：

(7)

(8)

由式(3)、(4)、(7)和(8)組成了直螺桿鐘擺鉆具組合的三彎矩方程組，求解出M1、Y1后即可計算出鉆頭處的側向力Nb和轉角Aα：

(9)

(10)

1.2 井斜趨勢角求解

BHA的力學分析僅僅是從BHA結構及鉆井參數2個方面考慮鉆具組合的力學特性。平衡趨勢原理則進一步將下部鉆具組合的受力變形和地層以及鉆頭特性相結合，定量地描述3者之前的相互作用關系。平衡趨勢原理以井斜趨勢角[13-14]預測鉆頭的前進趨勢，如圖3所示，圖中θ為鉆頭轉角，α為鉆頭軸向切削位移和側向切削位移不同而產生的夾角，即鉆頭各向異性產生的附加轉角，β為井斜趨勢角。當β>0時，鉆頭為增斜趨勢；當β<0是，鉆頭為降斜趨勢。

圖3 井斜趨勢角示意圖

平衡趨勢原理基于NL鉆頭-地層相互作用模型[15]建立，當假設地層為橫向各向同性，鉆進方向可以表示為：

rNer=IbIref+Ir(1-Ib)cosAafea+(1-Ir)×

rNcosArded

(11)

式中：Ib、Ir為鉆頭地層各向異性指數；Aaf為鉆頭合力方向和鉆頭軸向方向的夾角；Ard為鉆進方向和地層層面法線方向的夾角；rN為一般狀態下的鉆進效率；er、ef、ea以及ed分別為鉆進趨勢方向、鉆頭合力方向、鉆頭軸線方向及地層層面法線方向的單位矢量。

將求取的鉆頭側向力、轉角代入式(11)即可求得井斜趨勢角Ar：

(12)

式中：K1,K2分別為井口坐標系到井底坐標系及井口坐標系轉換到地層坐標系的轉換矩陣。

2 鉆具組合防斜性能影響因素分析

總體而言，影響鉆具組合防斜能力的因素可以分為2類，即客觀因素和主觀因素。客觀因素主要是不能人為改變的地層因素，包括地層傾角和地層各向異性等；主觀因素主要包括鉆井參數、鉆頭選型和BHA結構設計等，這類因素是可調控的。鉆井實踐表明，地層因素在很多情況下是引起井斜的決定性因素，具體來說是可以總結為地層傾角大和地層各向異性強。不同種類的防斜鉆具組合，由于自身結構的差異，適用的情景也不同。因此，優選防斜鉆具組合的第1步就是按照不同的地層情況，分析BHA的適用性。以?215.9 mm尺寸井眼為例，選定3套典型的防斜鉆具組合。

1) 塔式鉆具組合。?215.9 mm鉆頭+?178.8 mm鉆鋌×3根+?158.8 mm鉆鋌。

2) 鐘擺鉆具組合。?215.9 mm鉆頭+?172 mm直螺桿+?158.8 mm鉆鋌×1根+?215 mm穩定器+?158.8 mm鉆鋌。

3) 單彎雙穩鉆具組合。?215.9 mm鉆頭+?172 mm彎螺桿鉆具(帶欠尺寸穩定器)+?158.8 mm短鉆鋌+?215 mm穩定器+?158.8 mm鉆鋌。

圖4和圖5分別為井斜趨勢角隨地層傾角和地層各向異性指數的變化關系，結果表明，3類鉆具組合中單彎雙穩導向鉆具組合對地層適應性最好。當地層傾角不大于5°時，塔式鉆具組合能夠有效防斜；當地層傾角略大于5°時，應改用鐘擺鉆具組合；當地層傾角大于7°并小于10°時，宜使用預彎曲動力鉆具組合；當地層傾角大于10°后，應采用垂直鉆井工具。

圖4 井斜趨勢角隨地層傾角的變化關系

圖5 井斜趨勢角隨地層各向異性指數的變化關系

各項鉆井參數中，增大鉆壓是提高機械鉆速的主要手段，但不同類型鉆具組合對鉆壓的敏感性不同。圖6為3種鉆具組合防斜性能隨鉆壓的變化關系。結果顯示，隨著鉆壓的增大，塔式鉆具組合和鐘擺鉆具組合均由降斜趨勢轉變為增斜趨勢，不利于防斜打快；單彎雙穩鉆具組合對鉆壓適應性好，隨著鉆壓增大，始終為降斜趨勢。

圖6 井斜趨勢角隨鉆壓的變化關系

鉆頭方面，常用鉆頭各向異性指數來描述不同類型鉆頭的切削特性，鉆頭各向異性指數越大，代表鉆頭側向切削能力越強。圖7為井斜趨勢角隨鉆頭各向異性指數的變化關系。結果表明，鉆頭的側向切削能力越強，越有利于防斜打快。

圖7 井斜趨勢角隨鉆頭各向異性指數的變化關系

除了在鉆井過程中防斜，在井斜發生后BHA的糾斜能力也是優選防斜快打鉆具組合的1個重要指標，如果BHA糾斜能力較弱，常常需要起鉆更換鉆具組合，這就產生了大量的非生產時間，提高了鉆井成本。

圖8結果表明，隨著井斜角增大，鐘擺鉆具組合和塔式鉆具組合的降斜趨勢快速增大，這表明塔式鉆具組合和鐘擺鉆具組合具有更強的降斜能力。

圖8 井斜趨勢角隨井斜角的變化關系

綜合以上結果可知，對于列出的3類防斜鉆具組合，各項參數中地層傾角變化對井斜趨勢角的影響最大。因此，深井防斜鉆具組合的優選應按照如下步驟進行：

1) 根據鄰井信息分析待鉆井地層情況，確定目標層位地層傾角大小和地層各向異性強弱，初步選定防斜鉆具組合類型。

2) 根據現場條件確定鉆頭參數，并按照現場施工需求確定各項鉆井參數。

3) 分別分析每套待選鉆具組合在當前情況下的防斜性能強弱，以此為指標最終選定鉆具組合。

3 結論

1) 本文基于縱橫彎曲梁模型和平衡趨勢原理建立了底部鉆具組合(BHA)的防斜能力評價方法。該方法能夠定量描述鉆頭-地層-BHA 之間的相互作用關系，適用于深井防斜快打鉆具組合優選。

2) 深井防斜鉆具組合的優選應先從地層因素出發，根據地層特性初步選定鉆具組合類型。然后根據鉆頭情況和現場施工需求進一步分析備選鉆具組合的防斜性能，并以防斜性能為指標確定鉆具組合優選結果。