常規(guī)雙穩(wěn)鉆具組合穩(wěn)斜性能的分析與優(yōu)化

趙嘵棟，武 毅，楊建政，郭宗祿

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

常規(guī)雙穩(wěn)鉆具組合穩(wěn)斜性能的分析與優(yōu)化

趙嘵棟*，武 毅，楊建政，郭宗祿

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津300452）

在鹽膏層內(nèi)的穩(wěn)斜段鉆進(jìn)需要使用很高的鉆井液密度，這大大縮短了馬達(dá)的使用壽命，因此需要設(shè)計一套用于穩(wěn)斜的常規(guī)鉆具組合。根據(jù)底部鉆具組合的靜力學(xué)分析模型，編制了相應(yīng)的計算機(jī)程序，模擬計算了底部鉆具組合結(jié)構(gòu)參數(shù)和鉆壓對常規(guī)雙穩(wěn)鉆具組合穩(wěn)斜能力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：第一穩(wěn)定器外徑不可以過小，否則將在井眼中處于懸空狀態(tài)，失去支撐井壁的作用；鉆頭井斜力會隨著第二穩(wěn)定器外徑的減小而減小；鉆壓對鉆頭井斜力影響很小。應(yīng)用上述模擬計算結(jié)果，對用于在鹽膏層內(nèi)穩(wěn)斜鉆進(jìn)的常規(guī)雙穩(wěn)鉆具組合進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。研究結(jié)果可為今后底部鉆具組合的優(yōu)化設(shè)計提供參考。

鹽膏層；穩(wěn)斜；底部鉆具組合

米桑油田群位于伊拉克東南部米桑省，毗鄰伊朗邊界，主要包括3個油田：Abu Ghirab油田、Fauqi油田和Buzurgan油田。主要儲層為2個：埋深2800～3100m的Asmari碳酸鹽巖和埋深3800～4100m的Mishrif灰?guī)r。儲層上部有一套石膏鹽巖和泥巖夾層，埋深在2000～3000m，厚度約800m。如何在鹽膏層內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)斜，將是在米桑油田鉆成定向井需要面臨的一大挑戰(zhàn)。鑒于在鹽膏層內(nèi)鉆進(jìn)需要使用很高的鉆井液密度，使得馬達(dá)壽命大大縮短，因此需要設(shè)計一套穩(wěn)斜性能較好的常規(guī)鉆具組合。本文應(yīng)用底部鉆具組合的靜力學(xué)分析模型，針對常規(guī)雙穩(wěn)鉆具組合的穩(wěn)斜性能進(jìn)行了影響因素分析，并將其應(yīng)用于優(yōu)化實際的底部鉆具組合穩(wěn)斜性能之中。

1 底部鉆具組合力學(xué)分析模型

1.1 控制方程

在考慮重力（鉆井液中）、鉆壓、扭矩等載荷的情況下，底部鉆具組合在參考坐標(biāo)系O-XYZ下的非線性控制方程可表達(dá)為[1]：

式中：U、V——底部鉆具組合在X軸和Y軸方向的位移分量，m；

s——底部鉆具組合變形曲線上任一點的弧長坐標(biāo)變量，m；

EI——底部鉆具組合的抗彎剛度，kN·m2；

T——作用于底部鉆具組合的軸向力，kN；

Mt——施加于底部鉆具組合上的扭矩，kN·m；

hX、hY——單位長度的底部鉆具組合所受的外力

（面力與體力）分別在X軸和Y軸方向的分量，kN/m；

q——底部鉆具組合在鉆井液中的線重，kN/m；

P——底部鉆具組合各跨下端點的Z向壓力，kN。

1.2 計算過程概述

依據(jù)目前較成熟的理論，底部鉆具組合靜力學(xué)分析的基本過程可敘述如下：

（1）對底部鉆具組合進(jìn)行簡化處理，根據(jù)穩(wěn)定器、彎曲結(jié)構(gòu)等在鉆具組合中的位置劃分跨段。

（2）假定一個上切點長度，以上切點至鉆頭的方向，依據(jù)鉆柱變形的控制方程、邊界條件和連續(xù)條件，逐一對各跨段鉆柱的變形進(jìn)行求解。

（3）以鉆頭彎矩為零作為目標(biāo)函數(shù)，對上切點的長度進(jìn)行迭代計算，最終確定各跨段鉆柱的變形。

（4）根據(jù)近鉆頭跨段的鉆柱變形，計算鉆頭側(cè)向力。

2 常規(guī)雙穩(wěn)鉆具組合穩(wěn)斜能力的影響因素分析

為探討各因素對常規(guī)雙穩(wěn)鉆具組合穩(wěn)斜能力的影響規(guī)律，采用以下鉆具組合進(jìn)行模擬計算：?311.1mmPDC鉆頭+浮閥+?308.0mm穩(wěn)定器+?203.2mm鉆鋌短節(jié)3m+ ?308.0mm穩(wěn)定器+?203.2mm鉆鋌13根+?203.2mm震擊器（帶撓性接頭）+轉(zhuǎn)換接頭+?127.0mm加重鉆桿14根+?127.0mm鉆桿。計算條件包括：井斜角為25°；井斜變化率和井斜方位變化率均為0°/30m；鉆井液密度為2.25g/cm3；鉆壓為90kN。

另外，在下面的計算分析中，鉆頭井斜力以增斜力為“+”，以降斜力為“-”。

2.1 底部鉆具組合結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

2.1.1 第一穩(wěn)定器外徑

如圖1所示，隨著第一穩(wěn)定器的外徑的減小，鉆頭井斜力起初會增大。當(dāng)?shù)谝环€(wěn)定器的外徑減小到一定程度時（圖1中第一穩(wěn)定器外徑小于305mm），鉆頭井斜力不會發(fā)生變化，原因是第一穩(wěn)定器開始在井眼中處于懸空狀態(tài)。因此，為了使第一穩(wěn)定器支撐井壁并發(fā)揮其應(yīng)有的作用，其外徑不能過小。

圖1 第一穩(wěn)定器外徑對鉆頭井斜力的影響

2.1.2 第二穩(wěn)定器外徑

如圖2所示，當(dāng)?shù)诙€(wěn)定器的外徑減小，鉆頭井斜力會隨之減小。

圖2 第二穩(wěn)定器外徑對鉆頭井斜力的影響

2.1.3 鉆鋌短節(jié)的長度

模擬計算條件如上所述，僅改變2個穩(wěn)定器之間的?203.2mm鉆鋌短節(jié)的長度，得到其對鉆頭井斜力的影響規(guī)律。如圖3所示，隨著鉆鋌短節(jié)長度的增加，鉆頭井斜力起初會減小，之后會增大。

圖3 鉆鋌短節(jié)的長度對鉆頭井斜力的影響

2.2 鉆壓的影響

如圖4所示，當(dāng)鉆壓增大，鉆頭井斜力會隨之增大，但影響程度相對較小。因此，在條件允許的情況下，可以適當(dāng)?shù)卦龃筱@壓以提高機(jī)械鉆速。

3 常規(guī)雙穩(wěn)穩(wěn)斜鉆具組合的優(yōu)化設(shè)計

依據(jù)上述各因素對常規(guī)雙穩(wěn)鉆具組合穩(wěn)斜能力的影響規(guī)律研究，對用于在穩(wěn)斜段（穩(wěn)斜角為25°）鉆進(jìn)的底部鉆具組合進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，其中穩(wěn)斜段將貫穿于整個鹽膏層，推薦如下常規(guī)鉆具組合：?311.1mmPDC鉆頭+浮閥+?308.0mm穩(wěn)定器+?203.2mm鉆鋌1根+?203.2mm鉆鋌短節(jié)4.3m+?308.0mm穩(wěn)定器+ ?203.2mm鉆鋌12根+?203.2mm震擊器（帶撓性接頭）+轉(zhuǎn)換接頭+?127.0mm加重鉆桿14根+?127.0mm鉆桿。

對于此鉆具組合，圖5說明了鉆鋌短節(jié)的長度對鉆頭井斜力的影響規(guī)律。如圖5所示，當(dāng)鉆鋌短節(jié)的長度取為4.3m時，鉆頭井斜力接近于零，鉆具組合的穩(wěn)斜性能最好。

圖4 鉆壓對鉆頭井斜力的影響

圖5 鉆鋌短節(jié)的長度對鉆頭井斜力的影響

4 結(jié)論

（1）常規(guī)雙穩(wěn)鉆具組合中的第一穩(wěn)定器外徑不可以過小，否則將在井眼中處于懸空狀態(tài)，失去支撐井壁的作用。

（2）鉆壓的變化對常規(guī)雙穩(wěn)鉆具組合的鉆頭井斜力影響不顯著。因此，可以適當(dāng)?shù)卦龃筱@壓以提高機(jī)械鉆速。

（3）在對常規(guī)雙穩(wěn)鉆具組合的穩(wěn)斜能力進(jìn)行優(yōu)化時，推薦采取調(diào)整第二穩(wěn)定器外徑或兩個穩(wěn)定器間距的方式。

[1] 高德利.井眼軌跡控制[M].東營:石油大學(xué)出版社,1994:61-62.

TE21

A

1004-5716（2015)10-0049-03

2014-11-07

中海石油伊拉克有限公司項目“米桑油田鹽膏層定向鉆井技術(shù)研究”（編號：CMITWRS-210-PRT-10.53-20296）。

趙曉棟（1984-），男（漢族），陜西寶雞人，工程師，現(xiàn)從事油氣田鉆井技術(shù)工作。