張文平 王 恒 孫德興 黃河淳 尹慧博 趙建軍 崔曉杰

(1.中國(guó)石化石油工程技術(shù)研究院 2.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3.中國(guó)石化華東石油工程有限公司70871HD 鉆井隊(duì) 4.中國(guó)石化西南油氣分公司石油工程技術(shù)研究院)

0 引 言

鉆頭和井下鉆具在鉆進(jìn)過(guò)程中處于極為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。井下傳感器監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：下部鉆具和鉆頭并不隨地面頂驅(qū)和轉(zhuǎn)盤的驅(qū)動(dòng)而勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，常呈現(xiàn)黏滑運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，尤其是在非均質(zhì)性強(qiáng)、硬度高的深部地層，井下鉆具最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到地面轉(zhuǎn)速的3倍以上。這種黏滑會(huì)縮短PDC鉆頭的壽命、降低機(jī)械鉆速，制約了鉆進(jìn)效率的提高，是一種需要減輕或抑制的有害振動(dòng)[1-2]。

針對(duì)研磨性強(qiáng)難鉆地層鉆進(jìn)時(shí)的黏滑現(xiàn)象，國(guó)外機(jī)構(gòu)在2000年提出了扭力沖擊提速的技術(shù)構(gòu)想。其中以加拿大United Diamond 公司和Ulterra公司研制的TorkBuster扭力沖擊器最具有代表性，這種扭力沖擊器在國(guó)外現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中取得1～3倍的提速效果[3]。國(guó)內(nèi)于2010年先開展扭力沖擊器的結(jié)構(gòu)研究和井下試驗(yàn)[4]，后續(xù)又在扭力沖擊器的基礎(chǔ)上研制出了三維復(fù)合沖擊工具。該工具在扭轉(zhuǎn)周向沖擊的基礎(chǔ)上增加了軸向沖擊，以增強(qiáng)鉆頭吃入硬地層的能力[5-7]。東北石油大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)(北京)、西南石油大學(xué)、中國(guó)石油大學(xué)(華東)和新疆大學(xué)等高等院校也一直在持續(xù)開展相關(guān)工具的破巖機(jī)理研究[8-10]。

扭力沖擊器和三維復(fù)合沖擊工具作為一類近鉆頭鉆井提速工具已經(jīng)在西南元壩、西北順北油氣田、塔里木油田和大慶油田等難鉆地層鉆井過(guò)程中進(jìn)行了試驗(yàn)和應(yīng)用[11-13]。但是目前該類工具在定向過(guò)程中對(duì)定向鉆具組合的造斜能力影響規(guī)律還不清楚。為此，采用三點(diǎn)定圓法和等效梁柱法，分別計(jì)算定向鉆具組合的理論造斜率和鉆頭側(cè)向力，研究有、無(wú)近鉆頭沖擊器兩種工況下側(cè)向力和造斜率的變化規(guī)律，以期進(jìn)一步指導(dǎo)工具的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和其在定向鉆進(jìn)過(guò)程中的應(yīng)用。

1 近鉆頭沖擊器作用機(jī)理

近鉆頭沖擊器按照產(chǎn)生沖擊的方向可以分為軸向沖擊器、扭力沖擊器和三維復(fù)合沖擊器[14]。2000年以前以軸向沖擊器研究和應(yīng)用為主，形成了較為成熟的液動(dòng)軸向沖擊器，如美國(guó)Smith Tool 公司、Andergauge公司和Sperry公司均研制了各自具有代表性的軸向沖擊產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)吉林大學(xué)研制的液動(dòng)射流沖擊器[15-16]也較為成功。2000年以后國(guó)內(nèi)外研究和應(yīng)用主要集中在扭力沖擊器和三維復(fù)合沖擊器上。

1.1 扭力沖擊器

扭力沖擊器依靠工具內(nèi)部機(jī)構(gòu)的周向往復(fù)來(lái)實(shí)現(xiàn)周向扭轉(zhuǎn)沖擊，以期達(dá)到減輕鉆頭黏滑的目的。扭力沖擊器的應(yīng)用不改變常規(guī)切削齒破巖機(jī)理，區(qū)別之處在于扭沖工具提供周向扭轉(zhuǎn)沖擊會(huì)使得切削齒與巖石介質(zhì)保持良好接觸，扭力傳遞趨勢(shì)更加集中，使得巖石損傷破碎區(qū)域更大。常規(guī)黏滑狀態(tài)下鉆頭扭矩變化速率快，呈現(xiàn)快上快下波狀圖，使用扭沖工具后鉆頭扭矩波動(dòng)趨勢(shì)變得緩和，有效減緩了黏滑效應(yīng)對(duì)鉆頭造成的劇烈沖擊，能夠在一定程度上保護(hù)鉆頭而延長(zhǎng)其壽命[17]。

1.2 三維復(fù)合沖擊器

三維復(fù)合沖擊器通過(guò)鉆井液提供動(dòng)力，在軸向和周向上均產(chǎn)生高頻振動(dòng)，其提速機(jī)理主要體現(xiàn)在3個(gè)方面：①鉆頭破巖。常規(guī)單向軸向沖擊會(huì)增加切削齒前端巖石阻抗扭矩，導(dǎo)致鉆頭的磨損加劇。軸向沖擊和扭轉(zhuǎn)沖擊復(fù)合作用時(shí)，能夠增加對(duì)巖石的切削扭矩，促進(jìn)巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展，且形成一個(gè)較大的切削扭矩峰值，整體上提高了鉆頭破巖效率[8]。②鉆柱振動(dòng)控制。通過(guò)有序的橫向、縱向和周向振動(dòng)合理控制聚集在鉆柱上的能量，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和周向振動(dòng)在改變鉆頭破巖動(dòng)力的同時(shí)，也在一定程度上減緩了鉆柱的無(wú)規(guī)則振動(dòng)，使得整個(gè)鉆柱扭矩保持穩(wěn)定和平衡[6]。③脈沖射流輔助破巖。鉆井液驅(qū)動(dòng)工具運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將經(jīng)過(guò)鉆頭噴嘴的鉆井液從連續(xù)射流調(diào)制成脈沖射流。脈沖射流不僅使井底壓力呈周期性變化，改善了井底應(yīng)力狀態(tài)，而且提高了鉆井液流速的峰值，有利于消除井底巖屑的壓持效應(yīng)，提高了鉆頭附近清巖效果[18]。

因近鉆頭沖擊器與鉆頭直接連接，所以在定向過(guò)程中增加了鉆頭到螺桿結(jié)構(gòu)彎角的距離，這會(huì)對(duì)定向鉆具組合的造斜能力有一定影響。明確近鉆頭沖擊器對(duì)定向鉆進(jìn)過(guò)程造斜率的影響規(guī)律有助于優(yōu)選合適的鉆具組合，充分發(fā)揮扭力沖擊器和三維復(fù)合沖擊器在鉆井提速中的優(yōu)勢(shì)，提高定向鉆進(jìn)效率。

2 定向BHA造斜率和鉆頭側(cè)向力計(jì)算模型

以二維井眼為例，方位角保持不變，設(shè)在定向過(guò)程中，底部鉆具組合不發(fā)生屈曲，因此可采用縱橫彎曲梁的疊加原理進(jìn)行鉆柱受力分析。分別將井眼曲率影響等效為均布載荷作用、結(jié)構(gòu)彎角影響等效集中載荷作用、不同剛度鉆具組合等效為不同均布載荷作用，梁柱的撓度和轉(zhuǎn)角等均與均布載荷、集中載荷和彎矩呈線性關(guān)系。單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合如圖1所示。圖1中：l1為下穩(wěn)定器中點(diǎn)至鉆頭底部距離，l2為下穩(wěn)定器中點(diǎn)至彎點(diǎn)距離，l3為上穩(wěn)定器中點(diǎn)至螺桿上部距離，l4為上切點(diǎn)至螺桿頂端距離，M0為鉆頭處彎矩，M1為下穩(wěn)定器處彎矩，M2為上切點(diǎn)彎矩。

圖1 單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合示意圖

2.1 螺桿理論造斜率計(jì)算

基于三點(diǎn)定圓法，螺桿鉆具的理論造斜能力計(jì)算公式為[19]：

Kr=K0+A(Dx-Ds)-B(Dj-Dx)

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：α為結(jié)構(gòu)彎角，Dx為下穩(wěn)定器的直徑，Ds為動(dòng)力鉆具上部穩(wěn)定器的直徑，Dj為井眼直徑，Kr為單彎螺桿造斜工具在一定井眼直徑下每30 m井段的造斜率，K0為井徑等于下穩(wěn)定器直徑時(shí)工具每30 m造斜率，A為造斜率隨上穩(wěn)定器直徑的減小而增大的系數(shù)，B為造斜率隨井徑的擴(kuò)大而減小的系數(shù)。

2.2 BHA力學(xué)模型

根據(jù)圖1，將上切點(diǎn)和下扶正器與井壁的接觸點(diǎn)等效為兩個(gè)支點(diǎn)，底部鉆具按照不同梁柱組合建立三彎矩方程，以對(duì)比分析近鉆頭沖擊器對(duì)造斜過(guò)程中BHA力學(xué)性能的影響規(guī)律。本文用縱橫彎曲連續(xù)梁法建模求解[20-23]。

邊界條件包括鉆頭處和上切點(diǎn)，其中在井眼曲率為K的井眼中上端彎矩為：

M2=EIK

(5)

上切點(diǎn)轉(zhuǎn)角為：

(6)

在各項(xiàng)載荷作用下，各跨度兩端轉(zhuǎn)角絕對(duì)值相等，即有：

(7)

不同跨度處的三彎矩方程見(jiàn)式(8)和式(9)(其中n取值0，1)：

(8)

(9)

式中：θ為切點(diǎn)處轉(zhuǎn)角，下標(biāo)數(shù)字為梁節(jié)點(diǎn)編號(hào)，上標(biāo)L、R分別為梁節(jié)點(diǎn)左、右邊處力學(xué)狀態(tài)，q為等效梁的均布載荷，E為材料的彈性模量，I為載面的慣性矩，y為梁的撓度，δ為梁支點(diǎn)處轉(zhuǎn)角初值。

聯(lián)立方程即可求解。

結(jié)構(gòu)彎角等效處理為：

(10)

(11)

式中：u為梁的穩(wěn)定系數(shù)，Xu、Yu和Zu分別為梁受到軸向力影響的變形放大因子。

(12)

各跨度中點(diǎn)處撓度為：

(13)

式中：ei為第i穩(wěn)定器與井眼間的徑向間隙，P為跨梁的軸向力。

按照二跨度梁柱處理后，可得鉆頭處的側(cè)向力：

(14)

式中：PB為鉆頭處鉆壓。

3 近鉆頭沖擊器對(duì)BHA力學(xué)影響規(guī)律

為明確近鉆頭沖擊器在定向過(guò)程中對(duì)BHA造斜率的影響規(guī)律，以?215.9 mm定向井眼鉆具組合(?215.9 mm鉆頭+?172.0 mm 1.5°螺桿+扶正器+變扣接頭(431×410)+?165.0 mm無(wú)磁加重鉆桿)[24]為例進(jìn)行分析，結(jié)果如圖2～圖7所示。鉆頭到下穩(wěn)定器距離為1.04 m，下穩(wěn)定器到結(jié)構(gòu)彎角距離為0.7 m，下穩(wěn)定器外徑為212.0 mm。

3.1 近鉆頭沖擊器對(duì)螺桿理論造斜率的影響

基于三點(diǎn)定圓法，對(duì)安裝近鉆頭沖擊器的底部鉆具組合造斜率進(jìn)行分析。近鉆頭沖擊器長(zhǎng)度0.6～1.0 m，在分析近鉆頭沖擊器對(duì)BHA造斜率的影響時(shí)累計(jì)至l1中。

3.1.1 下穩(wěn)定器位置的影響

近鉆頭沖擊器長(zhǎng)度設(shè)定為0.8 m，上穩(wěn)定器到結(jié)構(gòu)彎角距離為6.75 m，上穩(wěn)定器外徑為210.0 mm。分別改變下穩(wěn)定器到鉆頭和結(jié)構(gòu)彎角的距離，對(duì)比有、無(wú)近鉆頭沖擊器鉆具組合對(duì)螺桿造斜率的影響。從圖2a可以看出：下穩(wěn)定器至鉆頭距離在0.3～2.5 m范圍內(nèi)變化時(shí)，常規(guī)螺桿造斜率先迅速增加后緩慢下降，添加近鉆頭沖擊器后造斜率隨著距鉆頭距離的增加而線性下降；距離為0.4 m時(shí)，二者造斜率大致相等。考慮到鉆頭和穩(wěn)定器自身長(zhǎng)度，一般下穩(wěn)定器距鉆頭距離大于0.4 m，因此隨著鉆頭至下穩(wěn)定器距離的增加，安裝近鉆頭沖擊器的鉆具組合的造斜率要小于常規(guī)鉆具組合造斜率，且均隨著下穩(wěn)定器到鉆頭距離的增大而降低，常規(guī)鉆具組合造斜率下降速率較慢。

從圖2b可以看出，隨著下穩(wěn)定器到彎角距離的增大，造斜率直線下降，彎角至下穩(wěn)定器距離相同時(shí)，帶近鉆頭沖擊器鉆具組合的造斜率始終小于常規(guī)鉆具組合的造斜率。

圖2 下穩(wěn)定器位置對(duì)造斜率的影響

3.1.2 上、下穩(wěn)定器外徑的影響

從圖3a可見(jiàn)，隨著下穩(wěn)定直徑的增加，造斜率呈線性增加，常規(guī)定向BHA造斜率增加速率大于使用近鉆頭沖擊器時(shí)的造斜率；下穩(wěn)定器直徑越接近井眼尺寸，二者理論造斜率越小。從圖3b可見(jiàn)，造斜率均隨著上穩(wěn)定器直徑的增加而緩慢降低，且同等條件下常規(guī)定向BHA造斜率始終大于添加近鉆頭沖擊器時(shí)的造斜率。

圖3 上、下穩(wěn)定器外徑對(duì)造斜率的影響

3.1.3 結(jié)構(gòu)彎角和井眼擴(kuò)大率的影響

結(jié)構(gòu)彎角是分析螺桿造斜率的核心參數(shù)。從圖4a可見(jiàn)，隨著結(jié)構(gòu)彎角的增加，造斜率呈線性增加，結(jié)構(gòu)彎角越小，近鉆頭沖擊器對(duì)定向BHA造斜率的影響越小。定向過(guò)程中使用近鉆頭沖擊器時(shí)，會(huì)在一定程度上降低原BHA造斜率。從圖4b可見(jiàn)：隨著井徑擴(kuò)大率的增加，穩(wěn)定器與井眼間隙增加，造斜率均下降；常規(guī)BHA造斜率下降速率大于添加近鉆頭沖擊器后的BHA，井徑擴(kuò)大率約3%時(shí)二者重合，大于3%后常規(guī)BHA造斜率大于添加近鉆頭沖擊器后的BHA。

圖4 結(jié)構(gòu)彎角和井徑擴(kuò)大率對(duì)造斜率的影響

3.2 近鉆頭沖擊器對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響

定向鉆進(jìn)過(guò)程中鉆頭側(cè)向力是影響井眼軌跡的一個(gè)重要因素，側(cè)向力大小表征了鉆具組合造斜或糾斜能力。基于定向BHA力學(xué)模型，分析了工具長(zhǎng)度、螺桿彎角、鉆壓、下穩(wěn)定器至鉆頭距離等因素對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響規(guī)律。設(shè)定向過(guò)程中鉆壓80 kN、工具長(zhǎng)0.8 m、螺桿結(jié)構(gòu)彎角1.25°、井斜30°、每30 m井段曲率6°，穩(wěn)定器距結(jié)構(gòu)彎角距離0.7 m。

3.2.1 穩(wěn)定器位置和結(jié)構(gòu)彎角

穩(wěn)定器至彎角距離變化范圍為0.1～0.9 m，其對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響規(guī)律如圖5a所示。在本文設(shè)定范圍內(nèi)穩(wěn)定器至彎角距離對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響較小，穩(wěn)定器至彎角距離從0.1 m增加到0.9 m時(shí)，鉆頭側(cè)向力約降低了1 kN。但是安裝近鉆頭沖擊器后，其鉆頭側(cè)向力約為原BHA組合側(cè)向力的50%。由此可見(jiàn)，近鉆頭沖擊器對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響較大。

螺桿結(jié)構(gòu)彎角對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響規(guī)律如圖5b所示。設(shè)螺桿結(jié)構(gòu)彎角變化范圍為0°～3°，當(dāng)彎角約為0.3°時(shí)兩條曲線相交，此時(shí)兩種鉆具組合的造斜率相等。當(dāng)螺桿結(jié)構(gòu)彎角大于0.3°時(shí)，鉆頭側(cè)向力隨著結(jié)構(gòu)彎角的增加而增加，常規(guī)鉆具組合側(cè)向力的增加速率大于近鉆頭沖擊器組合的增加速率。

圖5 穩(wěn)定器至彎點(diǎn)距離和彎角對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響

3.2.2 井斜角和鉆壓

設(shè)井斜角變化范圍為10°～90°，其與鉆頭側(cè)向力的關(guān)系如圖6a所示。從圖6a可見(jiàn)，鉆頭側(cè)向力隨著井斜角的增加而增大，增大速率逐漸變緩慢，兩種鉆具組合鉆頭側(cè)向力的差值也隨著井斜角的增加而逐漸變大。常規(guī)螺桿鉆具組合鉆頭側(cè)向力大于螺桿與近鉆頭沖擊器組合。圖6b為鉆壓對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響。從圖6b可以看出，鉆壓對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響較小，隨著鉆壓從80 kN增加到100 kN，鉆頭側(cè)向力增加較緩慢。螺桿與近鉆頭組合鉆頭側(cè)向力約為常規(guī)螺桿BHA鉆頭側(cè)向力的2倍。

圖6 井斜角和鉆壓對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響

3.2.3 近鉆頭沖擊器長(zhǎng)度

鉆頭側(cè)向力與近鉆頭沖擊器長(zhǎng)度的關(guān)系如圖7所示。從圖7可以看出，當(dāng)工具長(zhǎng)度在0.13～1.53 m范圍內(nèi)變化時(shí)，鉆頭側(cè)向力逐漸下降。近鉆頭沖擊器長(zhǎng)度增加1 m，鉆頭側(cè)向力降低約50%。

圖7 近鉆頭沖擊器長(zhǎng)度與鉆頭側(cè)向力的關(guān)系

綜合上述分析，安裝近鉆頭沖擊器對(duì)常規(guī)螺桿定向過(guò)程中鉆頭側(cè)向力的影響較大。針對(duì)在?215.9 mm井眼中常用1.25°和1.50°的單彎螺桿鉆具組合，安裝近鉆頭沖擊器后其鉆頭側(cè)向力約降低50%,且隨著螺桿彎角和井斜角的增加，近鉆頭沖擊器對(duì)定向BHA鉆頭側(cè)向力的影響逐漸變大。在保障工具功能的前提下，盡量縮短工具長(zhǎng)度有利于減小工具對(duì)螺桿造斜率的影響。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

臨N-斜X井是一口二開制斜井，設(shè)計(jì)垂深2 570 m，井底閉合距638.81 m，井底閉合方位132.86°，造斜點(diǎn)1 650.86 m，最大井斜角39.21°。甲方要求嚴(yán)格控制井身軌跡，要求中靶之后穩(wěn)斜鉆進(jìn)，靶半徑控制在10 m以內(nèi)。

一開掃塞作業(yè)開始時(shí)下入復(fù)合沖擊器，鉆進(jìn)至2 339 m起出。該段所用鉆具組合為：?215.9 mm鉆頭+復(fù)合沖擊器+?171.5 mm 1.25°單彎動(dòng)力鉆具+止回閥+?158.8 mm無(wú)磁鉆鋌1根+MWD+?158.8 mm鉆鋌2根+?127.0 mm加重鉆桿15根+?127.0 mm鉆桿，實(shí)鉆井斜角隨井深變化與設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 井斜角隨井深的變化規(guī)律

按照設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)，鉆至1 912.26 m時(shí)井斜角39.21°，但實(shí)鉆過(guò)程中造斜段效果不佳，鉆至1 912.31 m時(shí)井斜角約為34.15°。后續(xù)為保證中靶在2 339 m起出近鉆頭沖擊器，更換1.5°螺桿繼續(xù)造斜，完鉆井斜角為41.32°?，F(xiàn)場(chǎng)定向過(guò)程中造斜能力不足，工具應(yīng)用井段未能達(dá)到預(yù)期，這與理論分析很接近。由于近鉆頭沖擊器的安裝，增加了下穩(wěn)定器至鉆頭的距離，從而降低了鉆具組合的造斜能力。該現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例也證實(shí)了上述理論模型和分析的正確性，因此在現(xiàn)場(chǎng)定向鉆進(jìn)過(guò)程中使用近鉆頭沖擊器需要提前考慮其對(duì)造斜率的影響，可增加螺桿的結(jié)構(gòu)彎角以確保足夠的造斜能力。

5 結(jié) 論

(1)近鉆頭沖擊器的使用會(huì)造成下部穩(wěn)定器與鉆頭的距離增加，降低了常規(guī)定向BHA的理論造斜率和鉆頭側(cè)向力，本文的計(jì)算模型可為其提供一種可行的分析方法。

(2)定向BHA的鉆頭側(cè)向力隨著井斜角和螺桿彎角的增加而增大，使用近鉆頭沖擊器對(duì)其造斜能力的影響很大。

(3)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了模型和分析的正確性，在現(xiàn)場(chǎng)定向鉆進(jìn)過(guò)程中使用近鉆頭沖擊器要考慮其對(duì)造斜率的影響，可提前增加螺桿的結(jié)構(gòu)彎角以確保足夠的造斜能力。