易斜地區(qū)鉆井單彎螺桿鉆具組合應(yīng)用研究

種法強(qiáng)

摘 要：單彎螺桿鉆具組合是一種偏心的井下動(dòng)力鉆具，彎曲的螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中會產(chǎn)生一定的離心慣性力，該慣性力可以增加鉆頭的側(cè)向力，可以達(dá)到降斜的目的。針對易斜地區(qū)防斜打快問題，筆者探討了單彎螺桿鉆具防斜打快機(jī)理，并采用有限元分析方法對正常鉆進(jìn)時(shí)單彎螺桿鉆具的力學(xué)特性進(jìn)行了模擬，以便為優(yōu)化單彎螺桿鉆具組合和施工參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：單彎螺桿鉆具；防斜打快；力學(xué)特性；施工參數(shù)

螺桿鉆具是一種以鉆井液為動(dòng)力液的井下動(dòng)力鉆具，在石油工程領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛。螺桿鉆具具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩、大排量等特點(diǎn)，增加了鉆頭扭矩和功率，減少了鉆桿和套管的磨損和損壞，因而可以提高鉆井效率。本文針對易斜地區(qū)防斜打快問題，分析了單彎螺桿鉆具組合的轉(zhuǎn)點(diǎn)，并采用有限元分析方法對正常鉆進(jìn)時(shí)單彎螺桿鉆具的力學(xué)特性進(jìn)行了模擬。 研究發(fā)現(xiàn)鉆頭側(cè)向力隨轉(zhuǎn)動(dòng)按簡諧規(guī)律變化，且彎角靠下井壁時(shí)鉆頭側(cè)向力最大； 鉆頭傾角呈正負(fù)交替的規(guī)律變化， 因而在井斜角較大時(shí)具有較強(qiáng)的糾斜能力。有限元計(jì)算結(jié)果表明，改進(jìn)單彎螺桿鉆具組合不會改變其在井下的應(yīng)力狀態(tài)，可以安全使用。

1 單彎螺桿鉆具組合特點(diǎn)

單彎螺桿鉆具組合是一種偏心的井下動(dòng)力鉆具，彎曲的螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)的過程中會產(chǎn)生一定的離心慣性力，該慣性力可以增加鉆頭的側(cè)向力，可以達(dá)到降斜的目的，單彎螺桿鉆具組合示意圖如圖1所示。與傳統(tǒng)的防斜鉆具組合相比，單彎螺桿鉆具的優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)放賣弄：①螺桿鉆具組合增加了鉆頭的側(cè)向力。由于螺桿結(jié)構(gòu)彎角的存在，肘點(diǎn)附近部分的中心偏離了軸線，螺桿在旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生了離心的慣性力，增大了鉆頭的側(cè)向力，從而可以達(dá)到防斜糾斜的作用。②單彎螺桿鉆具增加了單位進(jìn)尺下鉆頭橫向切削井壁的次數(shù)。通過轉(zhuǎn)盤與螺桿鉆具實(shí)施聯(lián)合鉆進(jìn)，鉆頭轉(zhuǎn)速明顯提高，即使用螺桿鉆具后，即在單位進(jìn)尺下，鉆頭切削下井壁的次數(shù)是普通鐘擺鉆具的2-4倍。由于鐘擺鉆具是由鉆頭切削下井壁來實(shí)現(xiàn)防斜糾

斜效果的，因此，增加單位進(jìn)尺下鉆頭切削井壁的轉(zhuǎn)數(shù)可以達(dá)到防斜的作用。③螺桿鉆具在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鉆頭的轉(zhuǎn)角呈正負(fù)交替變化。當(dāng)螺桿的肘點(diǎn)位于下井壁時(shí)，鉆頭的傾角沿井斜的力一向；當(dāng)螺桿的肘點(diǎn)轉(zhuǎn)到上井壁，鉆頭的傾角變?yōu)榕c井斜力一向相反的方向；螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，鉆頭的傾角呈正負(fù)交替變化，由此可以抵消鉆頭傾角導(dǎo)致的井斜（見圖2）。①應(yīng)用“單彎

螺桿+PDL鉆頭”井下動(dòng)力鉆具組合，在鉆進(jìn)單位進(jìn)尺時(shí)，PDL鉆頭切削井壁的次數(shù)是普通鐘擺鉆具的2-4倍。進(jìn)尺相同條件下，增加鉆頭切削井壁次數(shù)可以提高防斜的能力。

2單彎螺桿鉆具組合力學(xué)特性分析

在常規(guī)鉆具組合的基礎(chǔ)上將3m短鉆挺改為6m短鉆挺。改進(jìn)的單彎螺桿鉆具組合設(shè)計(jì)如下：O215. 9mm鉆頭+O165mm單彎螺桿6. 5 m+O159mm鉆挺9m+O159mm短鉆挺6m+O214mm穩(wěn)定器+O159mm鉆挺63m+O127mm鉆桿。鉆井參數(shù)：鉆壓為1-3t；轉(zhuǎn)速為60-80r/min。在鉆進(jìn)過程中，關(guān)注井下單彎螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的力學(xué)性能變化情況很重要，因而利用有限元方法對螺桿鉆具組合在井下轉(zhuǎn)進(jìn)時(shí)的力學(xué)性能進(jìn)行分析。圖4所示是鉆頭側(cè)向力和鉆頭轉(zhuǎn)角隨裝置角變化情況。由圖4可知，鉆頭側(cè)向力按簡諧規(guī)律進(jìn)行變化，彎角靠下井壁時(shí)鉆頭側(cè)向力最大；鉆頭傾角呈正負(fù)交替的規(guī)律變化，因而在井斜角較大時(shí)具有較強(qiáng)的糾斜能力。

取裝置角為1800，對上述鉆具組合進(jìn)行有限元計(jì)算。裝置角為1800時(shí)位移矢量圖如圖5所示（圖中右側(cè)為鉆頭）。由圖可知，彎角以下的桿件橫向位移很小，加上一定厚度的偏心塊后不會造成與井壁接觸的問題。裝置角為1800時(shí)彎矩分布圖如圖6所示。由圖可知，穩(wěn)定器處的彎矩處于最大值而螺桿彎角處的彎矩很小。裝置角為1800時(shí)穩(wěn)定器處應(yīng)力分布穩(wěn)定器處應(yīng)力最大。裝置角為180。螺桿彎角處的應(yīng)力很低。因此，螺桿改進(jìn)后不會改變其在井下的應(yīng)力狀態(tài)，可以安全使用。

3 結(jié)語

對單彎螺桿鉆具組合的特點(diǎn)進(jìn)行了探討，采用有限元方法分析其在井下轉(zhuǎn)進(jìn)時(shí)的力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，單彎螺桿鉆具組合在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鉆頭側(cè)向力作為一種降斜力按簡諧規(guī)律進(jìn)行變化，彎角靠下井壁時(shí)鉆頭側(cè)向力最大；鉆頭傾角按正負(fù)交替的規(guī)律變化，在井斜角較大時(shí)具有較強(qiáng)的糾斜能力。有限元計(jì)算結(jié)果表明，螺桿改進(jìn)后沒有改變其在井下的應(yīng)力狀態(tài)，可以安全使用。

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