張 宇，吳義發(fā)，況雨春，朱志鐠

（1.中國石化河南油田分公司石油工程技術(shù)研究院，河南南陽 473132；2.中國石化河南石油勘探局鉆井工程公司；3.西南石油大學(xué)機電工程學(xué)院）

隨著鉆井技術(shù)的發(fā)展，井眼軌跡控制一直是個十分復(fù)雜的技術(shù)問題，也是定向井鉆進中的關(guān)鍵技術(shù)［1－5］。復(fù)合鉆井既能大幅地提高機械鉆速，也可連續(xù)控制井眼軌跡、減少起下鉆次數(shù)并縮短鉆井周期和降低作業(yè)成本。螺桿馬達是最常用的井下動力鉆具，復(fù)合鉆進時與轉(zhuǎn)盤同時旋轉(zhuǎn)帶動鉆頭工作。單彎螺桿馬達復(fù)合鉆井特點是滑動定向后，仍使用造斜段的鉆具組合復(fù)合鉆進，省去起下鉆作業(yè)，縮短了非鉆進時間。根據(jù)BHA（底部鉆具組合）實際導(dǎo)向性能，靈活調(diào)整滑動和復(fù)合鉆進井段長短，以控制合適的造斜率，達到最佳鉆進效果的目的。單彎螺桿復(fù)合鉆井技術(shù)，適合特殊油藏的開發(fā)和老油田的挖潛增效，尤其是新區(qū)塊頁巖氣和海上油氣田的勘探與開發(fā)［6－7］。

1 BHA三維有限元計算方法和數(shù)值模型的建立

1.1 導(dǎo)向力的計算方法

針對單彎螺桿復(fù)合鉆進時，以復(fù)雜結(jié)構(gòu)井井底鉆頭處受力大小及方向分布為方法，研究特殊井段的導(dǎo)向鉆進性能。采用有限元方法建立底部鉆具組合的數(shù)值模型，對鉆頭處受力進行瞬態(tài)非線性仿真分析，并總結(jié)底部鉆具組合中一些結(jié)構(gòu)尺寸的改變及在不同的井斜角時鉆頭處導(dǎo)向效果變化的規(guī)律，從而為現(xiàn)場底部鉆具組合的結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)選和現(xiàn)場導(dǎo)向鉆進時的鉆井參數(shù)設(shè)定提供一定的理論依據(jù)。

根據(jù)BHA所在的井斜角和方位角確定鉆頭的位置，設(shè)定初始位置為0°，仿真時長為2s，轉(zhuǎn)速為60r／min，鉆頭每旋轉(zhuǎn)一周劃分為60個子步，仿真運算的總度數(shù)為720°，仿真總步長為120步，通過數(shù)值計算得到每一步鉆頭所受到增、降斜力的大小。為了便于量化分析，將在增斜和降斜方向?qū)?0步的分布力求平均值，得到鉆頭處受到的導(dǎo)向力的大小。本文中主要考慮導(dǎo)向力大小與方向，方位力不做過多論述。鉆頭處的受力用向量表示其大小和方向，如圖1左圖所示，向量FHi可以分解為導(dǎo)向力Fxi和方位力Fyi，且與導(dǎo)向力的夾角為αi（方位角）。設(shè)定Fx為增斜方向力，F(xiàn)y為方位方向力，在其鉆頭處受到的導(dǎo)向合力為FHi，F(xiàn)Hi＝，方位偏置角為，鉆頭處受到的導(dǎo)向合力為，如圖1右圖所示，即：

1.2 底部鉆具組合模型參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場采用的底部鉆具組合，在仿真軟件中建立相應(yīng)的數(shù)值模型。模型參數(shù)如下：φ215.9mm（鉆頭）×0.3m ＋ φ213mm 扶正器×0.24m ＋φ172mm 單彎螺桿馬達（1.25°）＋ φ165mm 鉆鋌＋φ127mm鉆桿。根據(jù)現(xiàn)場提供的馬達結(jié)構(gòu)參數(shù)及各部分的詳細尺寸，參考相關(guān)資料推導(dǎo)出BHA其它各段的所需尺寸。設(shè)定好單彎螺桿馬達工作的相關(guān)環(huán)境變量，如：鉆頭處受到的鉆壓為100 kN，復(fù)合鉆進鉆盤鉆速為60 r／min，泥漿的密度為1.25 g／cm3，馬達所在地層的井斜角為35，馬達所在地層的深度和相應(yīng)的井眼軌跡等。

圖1 鉆頭處導(dǎo)向力的求解示意圖

1.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

在仿真軟件中建立數(shù)值仿真模型，并進行瞬態(tài)動力學(xué)仿真分析與對比，底部鉆具作用力應(yīng)變情況如圖2所示。根據(jù)分析軟件中建立的坐標系，X方向是單彎螺桿馬達受到的導(dǎo)向力，Y方向是單彎螺桿馬達受到的方位力，這兩個方向的合力決定了鉆頭處的導(dǎo)向情況，如圖3所示。

圖2 單彎螺桿馬達組合等效應(yīng)力圖

圖3 時間變化時鉆頭處受到導(dǎo)向力和方位力的分布情況

2 導(dǎo)向力變化規(guī)律與BHA結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)選

以φ172 mm單彎螺桿馬達為例，研究扶正器的外徑、扶正器的長度、扶正器中心到馬達彎點的距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)的改變對導(dǎo)向性能的影響。在仿真軟件中依次改變其結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，計算其對鉆頭處復(fù)合鉆進情況下導(dǎo)向力的影響。根據(jù)導(dǎo)向力的變化規(guī)律，提出最利于導(dǎo)向鉆進的底部鉆具組合結(jié)構(gòu)參數(shù)。

2.1 改變扶正器的外徑

通過改變單彎螺桿馬達的扶正器外徑（φ198 mm，φ203 mm，φ208 mm，φ213 mm 和 φ218 mm），分析鉆頭在井底受到的增、降斜力的變化情況，如圖4所示。從中可以看出，隨著扶正器外徑的增加，增斜力也在不斷增長；降斜力從φ198 mm到φ203 mm增長迅速，但在φ203 mm后開始緩慢下降到φ213 mm時為谷底，之后又開始上升；而增斜力是隨著扶正器外徑的增加而不斷增強，因此，在上述工況下，該鉆具扶正器的外徑為φ213 mm時，鉆具的增斜效果最好。

圖4 鉆頭導(dǎo)向力與扶正器直徑的關(guān)系

2.2 改變扶正器的長度

通過對單彎螺桿馬達扶正器長度（0.22 m，0.27 m和0.32 m）的優(yōu)選，分析鉆頭在井底受到的增、降斜力的變化情況，如圖5所示。隨著扶正器長度的增加，增斜力呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢，而降斜力經(jīng)過緩慢下降后逐漸趨于平緩。在上述工況條件下，通過數(shù)值比對得出扶正器長度為0.22 m時，鉆頭處的增斜效果最佳，但總的說來，扶正器長度對復(fù)合鉆進的增斜效果影響不夠敏感。

圖5 扶正器長度與鉆頭受力的關(guān)系

2.3 改變扶正器的位置

優(yōu)選扶正器位置，即改變單彎螺桿馬達扶正器中心到馬達彎點的距離（0.67m，0.77m，0.87m，0.97 m和1.07 m），分析鉆頭在井底受到的增、降斜力變化情況，如下圖6所示。從中可知：隨著扶正器遠離馬達的彎點，增斜力不斷增加的同時，降斜力也呈現(xiàn)出緩慢上升的趨勢；考慮螺桿馬達的實際結(jié)構(gòu)尺寸和制造工藝，因此在上述工況下，該鉆具可選擇0.97 m為扶正器的最佳增斜位置。

圖6 鉆頭在井底受到導(dǎo)向力與扶正器位置的關(guān)系

2.4 對參數(shù)進行優(yōu)化

根據(jù)仿真結(jié)果和現(xiàn)場反饋數(shù)據(jù)的分析，可以得出該單彎螺桿馬達的最佳增斜的結(jié)構(gòu)參數(shù)是：在井眼為φ215.9 mm時，采用扶正器外徑為φ213 mm、扶正器長度為0.22 m以及扶正器位置在扶正面中心到彎點和到鉆頭底部的距離比為9∶5左右時，螺桿馬達可達到最佳增斜效果。上述方案僅從鉆具結(jié)構(gòu)參數(shù)調(diào)整，對鉆頭導(dǎo)向性能敏感性影響方面進行了模擬研究。除以上增斜方法外，還可以通過對鉆井參數(shù)、井斜角等多因素的影響展開研究。

3 現(xiàn)場應(yīng)用實例

在新疆塔河油田某口水平開發(fā)井鉆探中，對本文研究成果進行了現(xiàn)場試驗驗證。試驗井設(shè)計井深：4525 m；井身結(jié)構(gòu)：φ346 mm鉆頭708 m×φ273 mm鉆頭707 m＋φ215.9 mm鉆頭4525 m；使用井段：3299.63～3439.86 m；使用時間：57 h；鉆具組合：φ215.9 mm（PDC）×0.3 m ＋ 7LZ172（1.25°）×7.83 m ＋4A11×4A10×0.37 m ＋4A11×4A10×0.89 m ＋ φ165 mmNMDC×8.35 m ＋4A11×410×0.5 m ＋ φ127 mmHWDP（45根）＋φ127 mmDP；鉆壓：80～200 kN，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速：53 r／min，泵壓：18 MPa，排量：36 L／s；泥漿性能：密度1.26 g／cm3，粘度：48 s，含砂：0.2%；使用溫度：90°；復(fù)合鉆進時間13.5 h，復(fù)合鉆進機械鉆速10.42 m／h。對鉆具組合優(yōu)化前后的造斜率變化情況進行對比分析，現(xiàn)場測量結(jié)果如表1、表2所示。從中可以看出，仿真結(jié)果對現(xiàn)場單彎螺桿鉆具組合的優(yōu)化改進具有重要意義。在改進前，單彎螺桿鉆具平均復(fù)合造斜率為1.58°／單根，而采用改進后的鉆具組合，復(fù)合造斜率可以達到2.3°／單根，單根造斜率提高40%以上，驗證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的正確性。

表1 鉆具優(yōu)化前造斜情況

表2 鉆具優(yōu)化后造斜情況

4 結(jié)論

（1）有限元軟件中建立的底部鉆具組合仿真模型，不僅能對φ172 mm螺桿鉆具進行仿真運算分析，也適用于其它型號的單彎螺桿鉆具組合鉆進的性能分析。

（2）單彎螺桿馬達鉆頭處增斜力隨著扶正器的長度增加而增強，當增斜效果達到峰值后，再增加扶正器的長度，增斜效果有下降的趨勢；且隨著扶正器的外徑減小而降低。

［1］趙金海，施太和，張云連，等.導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)導(dǎo)向鉆進水平井段的理論與實踐［J］.西南石油學(xué)院學(xué)報，2001，23（3）：30－34.

［2］王宇，高國華.斜直井眼中管柱變形參數(shù)仿真實驗［J］.石油學(xué)報，2003，24（3）：94－97.

［3］Downton G，Hendricks A，Klausen T S，et a1.New directions in rotary steering drilling［J］.Oilfield Review，2000，12（1）：18－29.

［4］狄勤豐.滑動式導(dǎo)向鉆具組合復(fù)合鉆井時導(dǎo)向力計算分析［J］.石油鉆采工藝，2000，22（1）：14－16.

［5］李子豐.油氣井桿管柱力學(xué)［M］.北京：石油工業(yè)出版社，1996：57－62.

［6］Calderoni A，Savini A ，Treviranus J，et al.Outstanding economic advantages based on new straight－h(huán)ole drilling device proven in various oilfield locations［J］.SPE56444，1999.

［7］高國華，張福祥，王宇，等.水平井眼中管柱的屈曲和分叉［J］.石油學(xué)報，2001，22（1）：95－99.