螺桿鉆具結(jié)構(gòu)形狀影響造斜率的研究

王春陽(yáng)，宋 燁，曹道坤，陸天明，呂 方

（中國(guó)石油渤海裝備鉆井裝備公司，天津 300280）

隨著螺桿鉆具在石油鉆井直井提速、定向井井眼軌跡控制等鉆井作業(yè)中的普遍應(yīng)用，螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)井眼軌跡控制的影響也逐漸被石油鉆井工程師所重視。從單純依靠調(diào)整鉆具組合到綜合鉆具組合、螺桿鉆具結(jié)構(gòu)、鉆頭等多個(gè)方面共同控制井眼軌跡，這是一個(gè)逐步調(diào)整尋優(yōu)的過(guò)程。研究螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)彎角、彎點(diǎn)位置、扶正器尺寸、形狀及位置等因素對(duì)提高定向井造斜率和穩(wěn)斜控制的影響，對(duì)鉆井作業(yè)過(guò)程具有重要的指導(dǎo)意義。

1 影響造斜率的因素分析

井眼軌跡的形成是鉆頭和地層綜合作用所形成的結(jié)果，造斜率的控制是定向井作業(yè)的關(guān)鍵。隨著中短半徑水平井、側(cè)鉆井越來(lái)越多，提高造斜率的要求也在增加，井眼軌跡精度要求越來(lái)越高，控制難度加大。因此需要很好的預(yù)測(cè)造斜率和提高工具面的調(diào)整控制能力。通常需要考慮的影響因素有鉆具組合和定向工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)、鉆井工藝參數(shù)及地層特性[1]。

影響造斜率的鉆井工藝參數(shù)主要為鉆壓，鉆壓影響造斜率的規(guī)律為相同條件下隨著鉆壓的增大，造斜率相應(yīng)增大?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐還發(fā)現(xiàn)，鉆壓增加與造斜率的增加不是成正比的，通常造斜率的增大量會(huì)隨著鉆壓增加而減小，這也說(shuō)明不能片面的為追求造斜率而無(wú)限的增加鉆壓。

地層影響造斜率的因素主要在于地層的軟硬、地層的傾角影響造斜工具的扶正作用和鉆頭的指向。對(duì)于疏松地層因膠結(jié)疏松、成巖性差，無(wú)法為造斜工具提供足夠的井壁支撐，會(huì)造成造斜率低的問(wèn)題。

2 螺桿鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)造斜率的影響

為了詳細(xì)分析螺桿鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)造斜率的影響，首先分析螺桿鉆具造斜率的預(yù)測(cè)方法。預(yù)測(cè)造斜率的方法通常有極限曲率法（KC）和3點(diǎn)定圓法。KC法是建立在下部鉆具組合受力變形分析基礎(chǔ)上形成的，它的基本公式為KTα=（A·B）KC。其中KTα為工具實(shí)際造斜率；KC為極限曲率，是指鉆頭側(cè)向力為0時(shí)所對(duì)應(yīng)的井眼曲率值；A為與地層軟硬特性有關(guān)的系數(shù)，根據(jù)地層由軟到硬，從0.7～0.85之間選??；B為造斜能力的折減系數(shù)，根據(jù)具體工況一般在0.8～0.9之間選取。在不要求精確預(yù)測(cè)時(shí)，通常取KTα=0.7KC。KC值的求法比較復(fù)雜，這個(gè)值不僅與鉆具結(jié)構(gòu)（扶正器的尺寸、彎點(diǎn)的位置等）有關(guān)，而且還與井眼幾何參數(shù)（井眼曲率、井斜角）和操作參數(shù)（鉆壓）等因素有關(guān)。相對(duì)于極限曲率法計(jì)算比較復(fù)雜而三點(diǎn)定圓法則比較簡(jiǎn)單，美國(guó)H.Karisson等提出的三點(diǎn)定圓法，其原理（圖1）。

圖1 三點(diǎn)定圓法示意圖

其中：K為工具造斜率；γ為工具的結(jié)構(gòu)彎角；L1為上下扶正器的中心距；L2為下扶正器中心至鉆頭底面的距離[2]。

上面提到的三點(diǎn)定圓法沒(méi)有考慮扶正器大小與井眼尺寸大小，所以造成實(shí)際施工過(guò)程中預(yù)測(cè)的造斜率往往不準(zhǔn)，通常實(shí)際造斜率都要比計(jì)算值小，考慮到這些因素需要對(duì)公式進(jìn)行修正。具體如下：當(dāng)彎外殼螺桿鉆具鉆進(jìn)時(shí)，不考慮加在鉆頭上側(cè)向力的影響，鉆頭是沿著井眼曲線切線方向鉆進(jìn)。以現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較多、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便的單彎加扶正器螺桿鉆具為例進(jìn)行討論（圖2）。

圖2 修正的三點(diǎn)定圓法

且有關(guān)系：

由以上式（1）～（5）聯(lián)解得：

造斜率為：

由式（4）（7）（8）得：

DH為井眼尺寸，DS為扶正器尺寸。

2.1 結(jié)構(gòu)彎角的影響

螺桿鉆具結(jié)構(gòu)彎角是影響造斜率的最重要因素，也就是公式（8）中的α。從公式中看，α越大，K值越大，通常α的值取0～3°，對(duì)于短半徑水平井和側(cè)鉆井來(lái)說(shuō)，為了追求更高的造斜率，小尺寸規(guī)格螺桿鉆具甚至可以用到3.5°，國(guó)外也有采用4°單彎螺桿成功鉆成中短半徑水平井的實(shí)例[3]?？紤]到螺桿鉆具的強(qiáng)度和下鉆時(shí)井眼可通過(guò)性，通常α的取值在2.5°以下。對(duì)于每種螺桿鉆具其結(jié)構(gòu)尺寸是固定的，不同的彎角會(huì)形成不同的造斜率。表1列出不同規(guī)格螺桿鉆具不同彎角所給出的造斜率預(yù)測(cè)值。

表1 單彎帶上下扶正器的鉆具組合造斜率

上表是單彎螺桿加上下扶正器鉆具組合的造斜率，類似雙彎（同向雙彎，異向雙彎）螺桿鉆具及單彎螺桿加上彎接頭等的組合形式也都可以計(jì)算出預(yù)測(cè)造斜率，這里就不再一一羅列[4]。值得注意的是不同規(guī)格螺桿鉆具擁有相同的彎角下在同一井眼下工作時(shí)，其達(dá)到的造斜率是不同。如圖3：通常小尺寸規(guī)格的螺桿鉆具造斜率更大一些，這主要是其剛性小造成的。

圖3 165/172螺桿鉆具在81/2〞井眼中不同角度的造斜率

螺桿鉆具彎角大小影響造斜率的同時(shí)，其彎點(diǎn)到鉆頭底部的距離也會(huì)影響到實(shí)際造斜率。

由式

可知，造斜率K是彎點(diǎn)到鉆頭底部長(zhǎng)度尺寸L1的減函數(shù)，即隨著彎點(diǎn)的下移，該距離越短，造斜率越大，工具的造斜能力也就增加[5]。所以在設(shè)計(jì)螺桿鉆具時(shí)，彎點(diǎn)設(shè)計(jì)在位于彎殼體的下方與傳動(dòng)軸的連接處。為了提高螺桿鉆具的造斜能力，在設(shè)計(jì)傳動(dòng)軸時(shí)盡量使其長(zhǎng)度短一些。

2.2 螺桿鉆具扶正器的影響

螺桿鉆具扶正器影響造斜率主要有以下3個(gè)方面：

（1）扶正器位置的影響

螺桿鉆具的扶正器也稱近鉆頭扶正器，它與螺桿鉆具的傳動(dòng)軸殼體結(jié)合成一體。根據(jù)三點(diǎn)定圓法，K=可知，它到傳動(dòng)軸端部的距離L2越小，得到的造斜率就越高。

（2）扶正器尺寸的影響

螺桿鉆具的扶正器（下扶正器）尺寸對(duì)造斜率的影響要遠(yuǎn)大于上扶正器。螺桿鉆具扶正器通常都設(shè)計(jì)為欠尺寸扶正器，一般比鉆頭尺寸小4～6 mm。扶正器尺寸的越小會(huì)造成鉆頭側(cè)向力減弱，進(jìn)而使造斜率下降。在施工過(guò)程中往往因?yàn)槁輻U鉆具扶正器的磨損而造成造斜率的急劇下降。圖4給出從172螺桿鉆具在81/2″井眼中造斜率隨著扶正器外徑尺寸增加而增大的趨勢(shì)圖。

圖4 螺桿鉆具扶正器尺寸對(duì)造斜率的影響

（3）扶正器形狀的影響

扶正器的外徑尺寸和位置對(duì)造斜率的影響有經(jīng)驗(yàn)公式可以參考，但是扶正器形狀對(duì)井眼軌跡控制的影響目前還沒(méi)有現(xiàn)成的公式可以利用，因此只能定性分析和從實(shí)際使用中的得出規(guī)律并加以驗(yàn)證。螺桿鉆具扶正器根據(jù)不同形狀可以分為螺旋扶正器、直筋扶正器和巴掌扶正器（圖5）。

圖5 3種不同形式的扶正器

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中會(huì)發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律，通常同樣外徑尺寸的扶正器中巴掌扶正器的造斜率要高于螺旋扶正器和直筋扶正器。這可以借助三種扶正器的筋分布的展開(kāi)圖可以解釋（圖6）。單巴掌的扶正器在加工中要保持巴掌扶正面的中心與工具的低邊共面，這樣保證扶正作用的面積大且不易磨損變小降低其造斜能力。螺旋扶正器的工具面低邊位置是隨機(jī)的，在滑動(dòng)鉆井中低邊起支撐面并不是整條扶正筋，所以產(chǎn)生的推靠力弱，造斜能力不強(qiáng)。螺旋扶正器在設(shè)計(jì)時(shí)要求其包角必須全部覆蓋整個(gè)殼體外徑，也就是相鄰兩條筋的扶正面展開(kāi)圖必須上下重疊，這樣才能保證低邊總有一部分扶正面能夠與井壁接觸。直筋均布扶正器通常在裝配過(guò)程中工具面低邊位置也是隨機(jī)的，并不一定完全與某條筋的中心重合，多數(shù)情況下是兩條筋共同扶正，起扶正作用的最大外徑小于扶正器外徑，所以也會(huì)形成造斜率的降低。另外螺旋扶正器和直筋扶正器都存在支撐面小，磨損快的缺點(diǎn)。

圖6 螺旋、直筋、巴掌扶正器展開(kāi)圖

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐

為了驗(yàn)證縮短彎點(diǎn)到鉆頭的距離可以增加造斜率，減少在實(shí)際操作中滑動(dòng)與復(fù)合鉆進(jìn)的比率，從而可以提高機(jī)械鉆速，選取長(zhǎng)慶油田蘇里格某區(qū)塊的兩口相鄰的井進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)的其他鉆井參數(shù)相同，螺桿鉆具均采用7/8頭172五級(jí)馬達(dá)，扶正器采用五直筋φ212扶正器，不同的是A型螺桿彎點(diǎn)到鉆頭的距離為1407 mm，B型螺桿彎點(diǎn)到鉆頭的距離為1558 mm。試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 不同彎點(diǎn)距離螺桿鉆具的效果試驗(yàn)

從表2可以看出蘇-X-08井采用A型螺桿，二開(kāi)作業(yè)井段866 m～1562 m，共計(jì)696 m，用時(shí)17.25小時(shí)，平均機(jī)械鉆速為40.35 m/h。而蘇-X-09井采用B型螺桿，二開(kāi)作業(yè)井段818 m～1562 m，共計(jì)744 m，用時(shí)27.92 h，平均機(jī)械鉆速為26.65 m/h。說(shuō)明采用A型螺桿對(duì)比在同井段B型螺桿得到的機(jī)械鉆速更快。主要原因在于A型螺桿因彎點(diǎn)距離短可以提供更高的造斜率，為達(dá)到近似目的井斜時(shí)角，蘇-X-08可以采用較少的滑動(dòng)鉆進(jìn)來(lái)獲得較大的井斜角。蘇-X-08定向鉆井100 m就獲得34.95°井斜，而蘇-X-09定向鉆進(jìn)116 m才獲得27.64°，定向鉆井的速度遠(yuǎn)小于復(fù)合鉆進(jìn)，所以蘇-X-08井因較少井段采用定向，較大井段采用復(fù)合而獲得更高的鉆井機(jī)械效率。

4 結(jié)語(yǔ)

螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)形狀、鉆井工藝參數(shù)、地層地質(zhì)參數(shù)都會(huì)對(duì)造斜率產(chǎn)生影響，其中螺桿鉆具結(jié)構(gòu)形狀的影響最大?？紤]了扶正器尺寸和井眼間隙對(duì)造斜率的影響，提出了修正的三點(diǎn)定圓法，可以更加準(zhǔn)確預(yù)測(cè)工具的造斜率，更接近于工程實(shí)際。

研究發(fā)現(xiàn)，螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)彎角、扶正器尺寸和形狀都會(huì)影響造斜率。其中，螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)彎角越大，距離鉆頭越近，造斜能力越強(qiáng)。螺桿鉆具扶正器的位置、尺寸及形狀都會(huì)對(duì)造斜率產(chǎn)生影響。

通過(guò)兩口井的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果表明明，減少?gòu)澖堑姐@頭的距離可以有效地提高造斜率，增加復(fù)合鉆進(jìn)與滑動(dòng)鉆進(jìn)的比率，進(jìn)而大幅提高鉆井機(jī)械效率。