一種防斜打快鉆井技術的提速機制及實踐

張進雙，王春輝，張賢印

(1.中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院，北京100101；2.中石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆烏魯木齊830011)

大傾角地層井眼易斜且控制困難，如何實現防斜打快、確保成井質量是鉆井業者迫切需要解決的技術難題。在造斜性強的地層中，常規防斜、糾斜底部鉆具組合（BHA-Bottom Hole Assembly）是以犧牲鉆速換取井身質量，導致鉆井周期長、鉆井費用高，如何高效防斜、糾斜、打快是當務之急[1-3]。常規鐘擺鉆具組合以控制BHA 變形為基礎，難以釋放鉆壓，“輕壓吊打”方式無法提高鉆井速度，使鉆井效益受到嚴重影響[4-5]。為了保證井斜控制質量的前提下提高機械鉆速，提出了“動力學防斜打快理論”，施加適當鉆井參數BHA保持渦動，可以部分解放鉆壓實現一定程度的防斜打快[6-7]。預彎曲動力學防斜打快技術利用BHA 在井眼中的渦動特征消除鉆頭軸線的指向作用，引發偏向下井壁方向的側向力?，F有研究將預彎防斜打快BHA 的提速作用簡單歸因于鉆壓的提高，對渦動狀態下BHA的動力學特征及其鉆井提速內在機制關注較少，有待進一步研究。本文對預彎防斜打快BHA 的動力學特性進行了深入研究，分析了不同彎角條件下鉆頭動態側向力，明確了渦動條件誘致的動態軸向力特征，在此基礎上揭示了預彎防斜打快BHA的防斜、提速機制。

1 預彎防斜打快BHA動力學模型

預彎防斜打快BHA一般有兩個穩定器（分別為近鉆頭穩定器和上穩定器）和一個預彎短節（或單彎螺桿），見圖1(a)，兩個穩定器間中點處鉆鋌橫截面投影如圖1(b)。以該位置對應井眼軸線為原點，建立直角坐標系o-xyz，oy 指向井眼高邊方向，oz 指向井底方向。預彎結構的存在、鉆具加工制造不可避免的誤差和可能的彎曲變形，使得鉆柱質心與其幾何中心存在偏心距e0。用極坐標（q,θ）和直角坐標( x1,y1)可以描述出鉆柱幾何中心的位置，質心的直角坐標位置可表示為[ x1+e0cos(Ωt)，y1+e0sin(Ωt)]，其中Ω 為鉆鋌旋轉速度（rad/s），t 為時間（s）?？梢郧蟪鲎饔迷贐HA質心和幾何中心的慣性力以及穩定器和井壁間的接觸力，理論推導得到預彎防斜打快BHA 的通用動力學模型[8-9]：

圖1 預彎動力學防斜打快鉆具組合(a)及截面A-A投影圖(b)

式中：r=q/c0，β=(m+mf)/m ，δ=s0/c0，ε=e0/c0，η=Ω/ω，ξ=cfc0/m，τ=ω t；

c0——鉆鋌與穩定器的間隙：c0=(Dh-D0)/2；

cf——流體等效粘滯系數；

m——預彎梁等效質量，kg；

mf——鉆井液等效質量，kg；

q——鉆鋌幾何中心徑向變形，m；

e0——鉆柱質心偏心距，m；

s0——穩定器與井壁間隙，m；s0=(Dh-Ds)/2；

Dh——井徑，m；

Ds——穩定器外徑，m；

ζ0=s1/c0；

s1——BHA預彎初始撓度，m；

k——鉆鋌的等效抗彎剛度系數；

a——鉆柱初始撓度對轉子質心的影響因子，若初始彎曲為正弦曲線時a=2/π，反映預彎程度的影響；

Qk——反映井壁接觸力的影響，井眼半徑較小時可忽略；

i——復數的虛數單位。

Qg——反映井斜角的影響：

式中：g——重力加速度，m/s2；

fb——浮力系數；

α——井斜角，rad。

通過求解，可以得到鉆頭上的防斜力：

式中：EIn——各段梁抗彎剛度，N·m2；

Ln——各段梁長度，m；

δj——扶正器與井壁間隙，m。

任一時刻橫向運動引起的鉆頭動態軸向力如下：

式中：kz——地層剛度系數，即井底地層單位面積上法向位移對應的力，一般取kz=6.78×1011N·m3；

θy——鉆頭動態軸向合力相對井眼低邊的轉角，rad；順時針為正，逆時針為負。

式中：L1——鉆頭到近鉆頭穩定器之間長度，m；

L2——兩個穩定器之間距離，m；

EI ——鉆鋌抗彎剛度，N·m2；

δ1——近鉆頭穩定器與井壁間隙，m；

δ2——上穩定器與井壁間隙，m；

θpb——BHA預彎角，rad。

對上述模型數值求解時將鉆頭簡化為球型鉸約束，上穩定器以上長度L3由上部鉆柱與井壁相切的初始條件（撓角為零）確定，并且在后繼時刻保持上端撓角為零。穩定器長度不計，井壁對穩定器的約束為動態約束，運算時進行實時判斷。

2 預彎防斜打快BHA動力學特性

我國華北地區受地質構造運動影響，地層傾角大、巖性復雜多變，中國石化東勝氣田部署的JPH-404 井為確保井眼質量，二開直井段采用預彎曲動力學防斜打快技術，井底鉆具組合結構設計為：?222.3mmPDC鉆頭×0.32m+?172mm(1.25°)螺桿（帶?215mm 穩定器，即近鉆頭穩定器）×8.14m+?219mm×穩定器（即上穩定器）1.57m+無磁鉆鋌×9.18m+411×4A10 接頭×0.49m+定 向 接 頭×0.74m+4A11×410 接 頭×0.49m+?165mm鉆鋌×111.71m+?127mm鉆桿?，F場鉆井工藝參數如下：鉆壓40～80kN，轉盤轉速40r/min，鉆井液密度1.04～1.08g/cm3。上述BHA（L1=1m，L2=8m；L21=1m）在給定鉆井參數下的動力學特性分析結果如圖2～圖5所示。

圖2 鉆鋌形心渦動軌跡

圖2 為鉆鋌等效質量中心所在橫截面形心的渦動軌跡。從圖中可以看出BHA的渦動狀態，由于預彎角的存在，鉆鋌形心具有較規則的渦動特征。1°井斜角條件下，重力作用使鉆具組合形心的軌跡偏向下井壁。

圖3 鉆鋌形心渦動速度時程曲線

圖4為作用在鉆頭上的動態側向載荷?？梢园l現，鉆頭上的動態側向力隨BHA渦動而發生變化，并具有一定的規律，合側向力約-6.94kN，體現為較大的防斜力。

圖4 鉆頭側向力分析相圖

圖5 為BHA 渦動誘致的鉆頭動態軸向力二維分布。該圖清楚表明，由于渦動作用，使得鉆頭對井底巖石產生附加不均勻動態作用力，平均約為22.30kN。這一周期性的動態軸向沖擊載荷有利于鉆頭對井底巖石的破碎。

3 預彎曲動力學防斜打快技術的提速機制

合理選擇預彎防斜打快BHA的結構參數對防斜打快效果至關重要，一方面需要能提供較大的動態防斜力，另一方面需要保證BHA具有穩定的運動狀態。與常規鐘擺BHA相比，預彎防斜打快BHA可以施加較大的鉆壓。大量的實踐結果表明，預彎防斜打快BHA的鉆壓最小可以達到鐘擺極限鉆壓的150%，最大達700%。這也是長期以來人們對“提速”機制的直觀認識。

從預彎防斜打快BHA動力學特征分析結果（圖5）可以看出，由于渦動產生了附加的動態軸向力，沖擊作用下有利于鉆速的提高。由于彎角的存在，外力作用下的BHA發生了較大變形，使得鉆頭軸線與井眼軸線方向產生了一個偏轉角，這一偏轉角使鉆頭端面對巖石形成不平衡作用力，有利于鉆頭破巖。表2列出了不同彎角條件下，鉆頭上的動態側向力和渦動引起的動態軸向力大小。

圖5 渦動誘致的鉆頭動態軸向力

表2 給定BHA的動態側向力和渦動誘致動態軸向力

從表中可以看出，隨著彎角的增大，動態防斜力在1.5°彎角時達到最大，之后急劇下降。動態軸向力則隨著彎角的增加而增加，1.75°彎角時為30.5kN。針對本文所給的BHA，將彎角控制在1°～1.5°對控斜和提速都有較大益處。

4 預彎曲動力學防斜打快技術現場應用

東勝氣田JPH-404 井位于鄂爾多斯盆地，受地質構造運動影響，地層傾角大、巖性復雜多變。為確保井眼質量，二開直井段采用了預彎曲動力學防斜打快技術，井底鉆具組合結構設計為：?222.3mmPDC 鉆頭×0.32m+?172mm(1.25°)螺桿（帶?215mm穩定器，即近鉆頭穩定器）×8.14m+?219mm×穩定器（即上穩定器）1.57m+無磁鉆鋌×9.18m+411×4A10接頭×0.49m+定向接頭×0.74m+4A11×410 接頭×0.49m+?165mm 鉆鋌×111.71m+?127mm 鉆桿；鉆井工藝參數：鉆壓40～80kN，轉盤轉速40r/min，鉆井液密度1.04～1.08g/cm3。該井斜控制和提速效果顯著，最大井斜角1.58°，井身質量優質，機械鉆速達43.38m/h，同比提高60%提升，鉆井周期45.5d，創工區工程紀錄。

永301 井是部署在準噶爾盆地車—莫古隆起南翼的一口評價直井，距離新疆維吾爾自治區石河子市東北約49.6km。采用預彎BHA動力學防斜打快技術，鉆具組合：311.2mmPDC 鉆頭+244.5mm 0.5°單彎螺桿（H5LZ244×7.0-3.5-0.5°）+228.6mmDC×1 根+630×731+307mm 扶正器+單流閥+坐鍵接頭+203.2mm 無磁 鉆 鋌× 1 根+ 203.2mmDC × 5 根+ 410 × 631 +177.8mmDC×7 根+127mmHWDP×15 根+127mmDP；鉆進參數：鉆壓60kN，轉速50r/min+螺桿，排量41L/s，泵壓22MPa；泥漿性能：密度1.14g/cm3，粘度36s；巖性：古近系棕紅色泥巖。鉆進井段2207～2755m，進尺548m，機械鉆速7.05m/h，同比鄰井提高39%，隨鉆測量最大井斜1.65°。

5 結論和建議

（1）預彎防斜打快BHA 利用預彎結構有效控制BHA變形和渦動，產生的較大動態防斜力有利于井眼打直，而較大靜態鉆壓和渦動誘致動態不均勻軸向載荷聯合作用是其提速內在機制：一是可以施加遠大于鐘擺BHA 的鉆壓實現鉆井提速；二是BHA 渦動產生額外的動態軸向力，周期脈動沖擊提高破巖效率；三是彎角的存在引發BHA變形，鉆頭軸線與井眼軸線存在瞬態偏角，使井底巖石受到非均勻擠壓有利破巖。

（2）彎角大小是影響防斜打快效果的關鍵因素，存在最佳彎角值使預彎防斜打快BHA的防斜力最大，但應綜合考慮預彎曲鉆井組合結構安全性和井眼通過能力。