適合215mm直井井眼最優防斜鉆具組合的討論

寧清志

（大慶油田有限責任公司大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163318）

適合215mm直井井眼最優防斜鉆具組合的討論

寧清志*

（大慶油田有限責任公司大慶鉆探工程公司，黑龍江大慶163318）

為防止直井井眼偏斜和發生偏斜后有效降斜，對常用的鐘擺鉆具組合進行了現場應用對比，對得出的結論做出合理的解釋。為尋求適合215mm直井井眼的大鉆壓下防斜鉆具組合，進行了技術研究和改進?，F場試驗證實了改進后的鐘擺偏心鉆具組合的防斜降斜效果好于以往所用的，且實現了大鉆壓糾斜，效果令人滿意。

鐘擺鉆具；防斜；橫向分力；縱橫彎曲

直井中防斜降斜的鉆具組合有很多種，如鐘擺、滿眼、塔式鉆具組合等等，如今這些鉆具組合已經在鉆井工程中獲得了廣泛的應用，國內外學者也對這些鉆具組合的防斜原理做過詳細地說明和系統地論述，但任何鉆具組合都有它的優點和不足，也有發揮最佳防斜降斜效果的使用條件（鉆壓、轉速、地層傾角、井眼井斜角等），同時受實際情況（設備參數、水力參數、地質參數等）的制約，對于這些在此不做贅述。眾所周知，鐘擺鉆具的糾斜能力大大強于滿眼鉆具和塔式鉆具，在大慶油田，更多地采用鐘擺鉆具組合,控制鉆壓，輕壓慢打。大慶油田打的井大多數都是在1300m以內，井眼尺寸215mm的調整井，井淺，地層復雜情況少，唯一的難點就是地層造斜能力強，特別是嫩二段。輕壓吊打，既影響了鉆井速度，井身質量也不是很好，特別是對于地層傾角較大的地層，所以，尋求大慶油田215mm直井井眼最佳的防斜降斜鉆具組合，成為亟待解決的問題。

1 鐘擺鉆具的原理

利用鉆具自身重力產生的鐘擺力實現降斜的目的，根據降斜率和井斜角的大小，來設計穩定器到鉆頭的距離，根據井眼尺寸和穩定器下面鉆鋌的尺寸來限定施加的鉆壓，以保證良好的降斜效果。

2 鐘擺鉆具組合的應用對比及技術改進

2.1 常用的鐘擺鉆具組合的應用對比和效果分析

常用的5種鐘擺鉆具組合如下：

組合1：?215mm鉆頭+?178mm鉆鋌（19.26m）+?210mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿；

組合2：?215mm鉆頭+?178mm鉆鋌（28.26m）+?210mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿；

組合3：?215mm鉆頭+?178mm鉆鋌（19.26m）+?214mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿；

組合4：?215mm鉆頭+?165mm鉆鋌（19.26m）+?214mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿；

組合5：?215mm鉆頭+?203鉆鋌（19.26m）+?214mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿。

在大慶油田喇區試驗了這5種鐘擺鉆具組合，將實際應用情況做了對比，對比的前提是：

（1）試驗的井位于同一區塊，相距較近，且受地層特性的影響程度相同。

（2）同一種鉆機，相同的鉆井參數和水力參數。

（3）鉆井工程技術措施相同。

（4）每種鉆具組合的鉆具參數嚴格符合設計的要求。

（5）每種鉆具組合進行了3口井試驗，取其井眼中的最大井斜角及相應的井深。

試驗的實鉆數據見表1。

由表1可知，按防斜降斜效果由好到壞對這5種鉆具組合排序為3→1→5→4→2，下面對于現場應用得出的排序結果做出解釋。

表1 5種鐘擺鉆具組合實鉆數據表

對于3→1→5，穩定器以下的鉆鋌尺寸雖然增加了，鉆鋌剛性得到了增強，使得下部鉆鋌重量的橫向分力也增大，但并不能從很大程度上增加鐘擺鉆具的降斜力，此時影響鉆具防斜降斜效果的主要因素是鉆頭的軸線轉角，而不是下部鉆具自重的橫向向力。鉆鋌尺寸增加了，井眼環空卻減小了，類似于塔式鉆具組合的防斜能力強，降斜能力弱，當鉆遇硬夾層或易斜地層時，鐘擺鉆具的糾斜效果明顯強于塔式鉆具。鉆井施工中，鉆具處于高轉速旋轉狀態，在井眼中要受到離心力、鉆柱橫向擺振造成的公轉力的作用，環空間隙小了，鉆具擺動的橫向位移受到井眼尺寸的限制，鉆頭切削井眼低邊的運動幅度也相應降低了，理論上能夠達到的側向切削角和側向切削力，實際上根本達不到，鉆頭側向切削的轉角減小，影響了鉆頭側向切削效果，所以盡管橫向力大了，但實際的降斜力卻小了。4→2，隨著穩定器到鉆頭的距離的增加（L），穩定器尺寸（D）的降低，降斜效果減弱了，筆者認為，L比D更能影響鉆具組合的防斜降斜效果，L增加，在施加鉆壓的情況下，穩定器以下的鉆鋌與井壁形成了新的切點，構成了鉆具組合的新支點，相當于又增加了一個小尺寸穩定器，而減弱了原來的穩定器的支點作用，同時又減短了下部鉆具組合施加橫向分力的鉆鋌有效長度，降低了下部鉆具的橫向分力，所以降斜糾斜力明顯降低。

賈仲宣等人運用縱橫彎曲連續梁法計算出了直井中最優的鐘擺鉆具組合[1]：

組合6:?215mm鉆頭+?178mm鉆鋌（19.26m）+?214mm方接頭+?178mm鉆鋌（9.36m）+?214mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿。

在喇區試驗了這種雙穩定器鐘擺鉆具組合，對比的前提同上。

試驗的實鉆數據見表2

表2 鉆具組合6的實鉆數據表

由上，鉆具組合6的防斜降斜效果好于上述5種鐘擺鉆具組合。

2.2 防斜鉆具組合的技術改進及原理分析

以上6種鉆具都是在低鉆壓吊打的情況下，表現出的降斜防斜效果。鉆壓小，機械鉆速太低，大大延長了建井周期，增加了設備的損耗，影響了鉆井的經濟效益，同時該種鐘擺鉆具鉆頭與井眼軸線夾角較大，防斜降斜效果并不理想，井斜發生率高。鉆壓大又會造成井斜的明顯增加，需要改進以往的鐘擺鉆具，使其能夠適應大鉆壓下還能發揮較好的降斜作用，改進后的鉆具組合如下：

組合7：?215mm鉆頭+?178mm鉆鋌（9.66m）+?194mm偏心接頭（1.9m）+?178mm鉆鋌（9.46m）+?214mm方接頭+?178mm鉆鋌（9.36m）+?214mm方接頭+?165mm鉆鋌（60～70m）+?127mm鉆桿。

在相同的條件下進行現場試驗，實鉆數據見表3。

表3 鉆具組合7的實鉆數據表

綜上，鉆具組合7的防斜降斜效果最好，且滿足大鉆壓下增加機械鉆速的要求，被稱為鐘擺偏心防斜鉆具組合。

分析如下：鉆具組合7有單鐘擺鉆具自重的橫向分力降斜的特點，又能在大鉆壓下減小了鉆頭軸線傾角，并使鉆頭朝向井眼低邊的方向切削，即鉆頭軸線傾角為負值，將以往大鉆壓的不利因素變為有利因素，有利于鉆具的防斜降斜性能的發揮。

鐘擺偏心防斜鉆具組合在井眼發生偏斜時的運動狀態分析如下：

當偏心接頭的偏心帶旋轉至下井壁時，下部鉆具的受力變形如圖2所示，鉆頭軸線與井眼軸線之間的夾角β小于圖1的β，減小了鉆頭的上傾切削角，自然就減弱了鉆具的增斜力，偏心接頭以下的鉆鋌起到了鐘擺力作用。當偏心接頭的偏心帶轉至上井壁時，下部鉆具的受力變形如圖3所示，偏心力將鉆柱拉向上井壁，鉆頭軸線與井眼軸線之間的夾角β是負的，即鉆頭鉆進的方向是朝井眼低邊，鉆頭切削下井壁，起到了降井斜的作用，轉盤轉速越高，在離心力的作用下，偏心帶更多次地處于上井壁，降斜效果越理想。

為便于對比，選定相同的計算參數：轉速為280r/min；井眼直徑取?226mm（擴大率為1.05）；井斜變化率0.3°/100m；鉆頭直徑?215mm；穩定器直徑?214mm；偏心接頭直徑?194mm；鉆井液密度1.10g/cm3。對鉆具組合6和鉆具組合7運用縱橫彎曲連續梁法進行了理論計算，見表4。

表4 2種鉆具組合在不同鉆井參數下的受力變形計算結果

據表4，組合7的鉆頭側向力與組合6相比，小得多；當組合7的偏心接頭偏心帶處于上井壁時，鉆頭軸線轉角相差很大。組合7的鉆頭軸線轉角為負值，起了很好地降斜作用，這為組合7優于組合6提供了重要的理論依據。

3 結論和認識

（1）運用縱橫彎曲梁法能夠對下部鉆具組合進行準確的受力變形計算，為防斜降斜鉆具組合的設計提供了重要的理論依據。

（2）通過技術改進，研究出了鐘擺偏心防斜鉆具組合，現場應用的降斜效果較為理想，并運用縱橫彎曲連續梁法從理論上給予了求證。

（3）在鉆具組合的降井斜力上，各種影響因素起的作用程度不同，有的占主要，有的占次要。

（4）對下部鉆具組合的分析僅從靜力學角度是遠遠不夠的，還要根據井下的實際情況和運動狀態建立瞬態動力學模型，綜合分析井下鉆具的受力和變形及其動態的變化。

（5）鐘擺鉆具組合在低鉆壓下才能收到防斜降斜的效果，且不是很理想，大大地降低了鉆井速度和井身質量。要實現大鉆壓下的防斜降斜，筆者認為有2種途徑：

①可以將滿眼鉆具與鐘擺鉆具有機結合，并充分利用高轉速下鉆具的離心力，實現鉆具的公轉，通過鉆柱切點沿井壁的周性公轉，達到使井底周邊受均等的切削機會，避免井斜，不失為設計大鉆壓下防斜鉆具組合的一種方法，如倒鐘擺鉆具組合的設計[2]。

②可以將偏心鉆具與鐘擺鉆具結合起來，利用偏心鉆具的偏心力和切點下鉆具的鐘擺力，鉆頭產生負傾角切削井眼低邊，使得井眼趨向鉛直狀態，達到防斜降斜，如偏心防斜鉆具的應用[3]。

[1]賈仲宣，閻鐵，周英操.大慶長垣西翼易斜區鉆井技術研究[C]//于洪金，等.大慶鉆井技術新進展，石油工業出版社，2005:131-156.

[2]尹虎，李黔.倒裝鐘擺鉆具組合設計方法[J].西南石油大學學報，2007,29（6）：168-170.

[3]殷朝陽，柏景海，孫超，等.偏心防斜鉆具[J].大慶石油學院學報，1999,23（3）：58-60.

TE921

B

1004-5716（2015）01-0035-04

2014-01-02

寧清志（1985-），男（漢族），黑龍江大慶人，工程師，現從事鉆井現場的定向管理工作。