偏心防斜技術(shù)在大慶油田的應(yīng)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(jì)50年代起，大慶油田鉆井施工中一直使用標(biāo)準(zhǔn)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(qū)塊施工中確實(shí)實(shí)現(xiàn)了防斜快打的功效。但是大慶油田內(nèi)部存在一些區(qū)塊，具有地層傾角大、斷層多、斷距大、地下情況復(fù)雜的特點(diǎn)，其中大慶油田南二區(qū)就是典型易斜區(qū)塊之一，經(jīng)驗(yàn)證，2種標(biāo)準(zhǔn)鉆具組合在該區(qū)塊不能實(shí)現(xiàn)高效防斜的目的。針對(duì)以上特點(diǎn)相關(guān)專家制定了許多有針對(duì)性的防斜措施，其中偏心防斜鉆具的應(yīng)用取得了最顯著的效果。

1 偏心鉆具設(shè)計(jì)

1.1 建立力學(xué)模型

在鉆井工程的下部鉆具組合中應(yīng)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(jìn)行旋轉(zhuǎn)的過程中所有的偏心接頭以下的部分就會(huì)相對(duì)于上部鉆柱發(fā)生公轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生了離心力。力學(xué)模型如圖1所示。

圖1 偏心鉆具力學(xué)模型

圖1 所示作用狀態(tài)可視為平面縱橫彎曲梁柱問題進(jìn)行分析。取原點(diǎn)在井眼軸線的鉆頭處，Z軸經(jīng)過井眼軸線上鉆頭和上穩(wěn)定器中心所處的兩點(diǎn)，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(shè)每一跨中軸向力是均勻的。在如圖坐標(biāo)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(duì)Z軸的橫向撓度位移，m；

s——彈性變形上任一點(diǎn)弧長(zhǎng)坐標(biāo)，m。

式中：qj——鉆鋌在鉆井液中單位長(zhǎng)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(diǎn)處的Z向壓力，kN。

對(duì)上式可求得解析形式的通解：

式中：cij——待定系數(shù)。

在圖1中鉆頭至穩(wěn)定器間作為一個(gè)整體跨段，中間有2個(gè)突變點(diǎn)B、C。B點(diǎn)是OC段質(zhì)心，離心力作用產(chǎn)生了剪力突變，C是偏心接頭所處位置，有一個(gè)橫向位移增量Δμj和彎矩突變?chǔ)j。

設(shè)有突變點(diǎn)相鄰的兩段鉆鋌的撓度分別為μj-l（s），μ（s），依據(jù)：

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(hào)同前。

式中：離心力方向由偏心旋轉(zhuǎn)方向而定，偏心向上井壁取“+”，反之，取“-”；

n——轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，r/s；

w——鉆鋌單位質(zhì)量，kN/m；

L1——鉆頭至偏心接頭間距離，m。

式中：符號(hào)由Δu確定。

1.2 建立目標(biāo)函數(shù)及求解

利用鉆柱各跨段端部的連續(xù)條件：

式中：μ′,μ″—— μ 的一、二階導(dǎo)數(shù)。

通過循環(huán)迭代，利用切點(diǎn)處的邊界條件可得到第一個(gè)穩(wěn)定器（距離鉆頭最近的扶正器）處各參數(shù)值，這些參數(shù)值可作為撓度方程（6）的邊界條件。對(duì)式（6）求一、二、三階導(dǎo)數(shù)，帶入邊界條件方程組可計(jì)算各待定系數(shù)Cj。

由鉆頭處的μ″01→0，可得到目標(biāo)函數(shù)：

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(diǎn)長(zhǎng)度值。鉆頭處的側(cè)向力及轉(zhuǎn)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(wěn)定器間的長(zhǎng)度，m。

2 偏心防斜技術(shù)在大慶油田南二區(qū)的應(yīng)用

大慶油田南二區(qū)主要特點(diǎn)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(shí)踐證明，井斜問題已經(jīng)嚴(yán)重影響鉆井速度，造成該區(qū)塊施工效率低下，鉆井速度遠(yuǎn)低于大慶油田其它區(qū)塊。

2.1 偏心鉆具組合優(yōu)選

先后應(yīng)用了3種鉆具組合，分別為：

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

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

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

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

為了體現(xiàn)出明顯的對(duì)比性，以上所選6口井，所處區(qū)域?yàn)榘霃?0m的圓形區(qū)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(jī)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(jié)論與建議

（1）偏心鉆具組合通過在南二區(qū)塊的應(yīng)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工方便，成本低廉，可以大規(guī)模推廣應(yīng)用。

表1 大慶油田南二區(qū)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況對(duì)比表

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

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