深井底部鉆具組合選型及防斜性能評價指標(biāo)分析

崔海波

(中石化經(jīng)緯有限公司 地質(zhì)測控技術(shù)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(qū)，完鉆井深屢創(chuàng)紀(jì)錄。例如，2021年完鉆的塔深5井[1]，設(shè)計井深8 890 m，完鉆井深達(dá)9 017 m。隨著深井鉆井技術(shù)的發(fā)展，一套系統(tǒng)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(shù)體系優(yōu)化包括井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、鉆井液優(yōu)選、鉆頭優(yōu)選、底部鉆具組合(以下簡稱BHA)優(yōu)化設(shè)計以及鉆井方式優(yōu)選等。制約鉆井速度的主要因素是BHA的種類與結(jié)構(gòu)，以及鉆頭與地層的配合[2]。由于深部地層情況復(fù)雜，巖石可鉆性極值大、研磨性強(qiáng)，在進(jìn)行深井BHA設(shè)計時，只有綜合考慮地層-BHA-鉆頭之間的相互作用，針對實(shí)鉆情況合理設(shè)計計算參數(shù)，才能在鉆前有效模擬井下情況，優(yōu)選防斜鉆具組合。

在地層-鉆頭-BHA的相互作用方面，前人已經(jīng)做了大量研究。Lubinski和Woods[3]提出了地層各向異性指數(shù)的概念，用于描述巖石各向異性。白家祉[4]等通過分析總結(jié)大量井史資料，給出了預(yù)測地層造斜率的經(jīng)驗(yàn)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(xué)結(jié)構(gòu)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(biāo)，預(yù)測鉆頭前進(jìn)趨勢，在現(xiàn)場取得了較好的應(yīng)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(yōu)選方法。

1 鉆具組合防斜性能評價參數(shù)求解

通過調(diào)研文獻(xiàn)資料[9]，總結(jié)常用的幾類被動式防斜鉆具組合的基本結(jié)構(gòu)和防斜機(jī)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(jié)構(gòu)設(shè)計，使BHA在鉆進(jìn)時能產(chǎn)生使鉆頭向著降斜趨勢前進(jìn)的力。

表1 常用被動式防斜鉆具組合的基本結(jié)構(gòu)與防斜機(jī)理

1.1 BHA力學(xué)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(shè)計，例如，“孕鑲金剛石鉆頭+高速螺桿鉆具”復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，其在新疆瑪湖[10, 11]、四川盆地川中地區(qū)[12]的深井鉆井實(shí)踐中都取得了較好的效果。

應(yīng)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(cè)向力和轉(zhuǎn)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(xué)分析模型，如圖2所示。其他類型鉆具組合力學(xué)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(nèi)彎矩；y-縱坐標(biāo)；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(xué)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(nèi)彎矩M1和撓度Y1。此外，系統(tǒng)還存在穩(wěn)定器處的內(nèi)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(xù)性條件：

(1)

Q1=Q2

(2)

由上述連續(xù)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(nèi)彎矩和y坐標(biāo)；X(ui)、Y(ui)、Z(ui)分別為第i跨梁端部轉(zhuǎn)角放大因子。

穩(wěn)定器和上切點(diǎn)處的連續(xù)性條件如式(5)～(6)：

(5)

(6)

式中：θT為上切點(diǎn)處的端部轉(zhuǎn)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(cè)向力Nb和轉(zhuǎn)角Aα：

(9)

(10)

1.2 井斜趨勢角求解

BHA的力學(xué)分析僅僅是從BHA結(jié)構(gòu)及鉆井參數(shù)2個方面考慮鉆具組合的力學(xué)特性。平衡趨勢原理則進(jìn)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(jié)合，定量地描述3者之前的相互作用關(guān)系。平衡趨勢原理以井斜趨勢角[13-14]預(yù)測鉆頭的前進(jìn)趨勢，如圖3所示，圖中θ為鉆頭轉(zhuǎn)角，α為鉆頭軸向切削位移和側(cè)向切削位移不同而產(chǎn)生的夾角，即鉆頭各向異性產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)角，β為井斜趨勢角。當(dāng)β>0時，鉆頭為增斜趨勢；當(dāng)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(dāng)假設(shè)地層為橫向各向同性，鉆進(jìn)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(shù)；Aaf為鉆頭合力方向和鉆頭軸向方向的夾角；Ard為鉆進(jìn)方向和地層層面法線方向的夾角；rN為一般狀態(tài)下的鉆進(jìn)效率；er、ef、ea以及ed分別為鉆進(jìn)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(cè)向力、轉(zhuǎn)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(biāo)系到井底坐標(biāo)系及井口坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到地層坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)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(shù)、鉆頭選型和BHA結(jié)構(gòu)設(shè)計等，這類因素是可調(diào)控的。鉆井實(shí)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(jié)為地層傾角大和地層各向異性強(qiáng)。不同種類的防斜鉆具組合，由于自身結(jié)構(gòu)的差異，適用的情景也不同。因此，優(yōu)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(wěn)定器+?158.8 mm鉆鋌。

3) 單彎雙穩(wěn)鉆具組合。?215.9 mm鉆頭+?172 mm彎螺桿鉆具(帶欠尺寸穩(wěn)定器)+?158.8 mm短鉆鋌+?215 mm穩(wěn)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(shù)的變化關(guān)系，結(jié)果表明，3類鉆具組合中單彎雙穩(wěn)導(dǎo)向鉆具組合對地層適應(yīng)性最好。當(dāng)?shù)貙觾A角不大于5°時，塔式鉆具組合能夠有效防斜；當(dāng)?shù)貙觾A角略大于5°時，應(yīng)改用鐘擺鉆具組合；當(dāng)?shù)貙觾A角大于7°并小于10°時，宜使用預(yù)彎曲動力鉆具組合；當(dāng)?shù)貙觾A角大于10°后，應(yīng)采用垂直鉆井工具。

圖4 井斜趨勢角隨地層傾角的變化關(guān)系

圖5 井斜趨勢角隨地層各向異性指數(shù)的變化關(guān)系

各項(xiàng)鉆井參數(shù)中，增大鉆壓是提高機(jī)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(guān)系。結(jié)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(zhuǎn)變?yōu)樵鲂壁厔?，不利于防斜打快；單彎雙穩(wěn)鉆具組合對鉆壓適應(yīng)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(guān)系

鉆頭方面，常用鉆頭各向異性指數(shù)來描述不同類型鉆頭的切削特性，鉆頭各向異性指數(shù)越大，代表鉆頭側(cè)向切削能力越強(qiáng)。圖7為井斜趨勢角隨鉆頭各向異性指數(shù)的變化關(guān)系。結(jié)果表明，鉆頭的側(cè)向切削能力越強(qiáng)，越有利于防斜打快。

圖7 井斜趨勢角隨鉆頭各向異性指數(shù)的變化關(guān)系

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

圖8結(jié)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(qiáng)的降斜能力。

圖8 井斜趨勢角隨井斜角的變化關(guān)系

綜合以上結(jié)果可知，對于列出的3類防斜鉆具組合，各項(xiàng)參數(shù)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(yōu)選應(yīng)按照如下步驟進(jìn)行：

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

2) 根據(jù)現(xiàn)場條件確定鉆頭參數(shù)，并按照現(xiàn)場施工需求確定各項(xiàng)鉆井參數(shù)。

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

3 結(jié)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(guān)系，適用于深井防斜快打鉆具組合優(yōu)選。

2) 深井防斜鉆具組合的優(yōu)選應(yīng)先從地層因素出發(fā)，根據(jù)地層特性初步選定鉆具組合類型。然后根據(jù)鉆頭情況和現(xiàn)場施工需求進(jìn)一步分析備選鉆具組合的防斜性能，并以防斜性能為指標(biāo)確定鉆具組合優(yōu)選結(jié)果。