直螺杆的钻具组合在水平分支井侧钻中造斜率预测

梁　浩（长城钻探钻井技术服务公司，辽宁　　盘锦　　124010）



直螺杆的钻具组合在水平分支井侧钻中造斜率预测

梁浩
（长城钻探钻井技术服务公司，辽宁盘锦124010）

摘要：拖压对水平分支井悬空侧钻（下称侧钻）影响极大，普通有度数螺杆侧钻时大多滑动定进为主，如因拖压严重无法做到钻头处均匀送钻，无法准确推进钻头处进尺，会对已形成的夹闭墙予以破坏，导致侧钻失败。在用直螺杆且配合合理的钻具组合侧钻时，开动转盘、降低摩阻、减小拖压有利于钻头准确下放，做到均匀送钻，提高侧钻成功率。但因直螺杆自身结构设计，无法对轨迹进行控制，这就需要对带直螺杆的钻具组合进行造斜率的预测，并预测其要使用的井段，提前用带度数螺杆做好其上部的轨迹控制，以确保侧钻成功后轨迹依然符合设计要求。预测带直螺杆的下部钻具组合的造斜能力对准确控制井眼轨迹很重要。本文在用三点定圆法预测造斜能力的基础上，增加了扶正器与井壁间隙对造斜率的影响，并提出对侧钻前轨迹控制的要求。且文中提出的理论计算，在辽河油田沈北区块一体化大包井中实际验证，在工程应用可靠可行，具有现实的现场应用价值。

关键词：直螺杆；侧钻；造斜率预测；轨迹控制

0. 前言

辽河油区沈北区块所部属水平分支井很多，分支结束后悬空侧钻是必不可少的工程步骤，侧钻的成功与否直接决定钻井周期的多少，钻井成本的高低。由于各种因素拖压一直是影响侧钻成功率的重要因素，解决拖压问题能使钻台在侧钻时更好地控制下放距离，使钻头处均匀推进，防止由于拖压导致的不均匀送钻，破坏刚刚形成的夹壁墙。直螺杆的应用使在现有条件下最大限度地降低摩阻，减少拖压，增加了侧钻的成功率。

图1

1. 带直螺杆的钻具组合造斜率预测

根据多年现场井眼轨迹控制的分析表明，在地层参数的影响不好确定的情况下，影响井眼轨迹的因素很多，主要反映在对钻头侧向力的影响上，当弯曲平面倾角为零时，尽管各参数对方位力有一定的影响，但其值很小，不足以在较短井段内对井眼轨迹的方位变化造成很大改变。在直螺杆悬空侧钻中钻压对破岩因素中较小，且大部分侧向力由螺杆自身重力提供，从而在应力平衡中方位力就更小，所以在较短井段内对方位的影响可以忽略。

1.1带直螺杆钻具组合造斜率计算公式

20世纪90年代，凯尔森等人提出了导向工具几何造斜率的计算方法“三点定圆法”。根据三点定圆的数学原理，本文提出了带扶正器下连接直螺杆钻具组合几何造斜率的实用计算公式。由于导向钻具的长度较短、刚性较大、变形较小，所以假设为井下的直螺杆和无磁钻铤钻具基本上保持着其原有的刚性形状，且钻头因螺杆自身重力作用可以接触到下井壁，基于这种假设的工具造斜率可以如下计算。

数学上，圆的方程可表述为：

圆方程需满足条件：A2+B2-4C＞0

该圆的曲率半径为：

将三点坐标化，设其坐标分别为（x1，y1）（x2，y2）（x3，y3），且这三点为非线性，则圆的方程可用现行方程表示：

设（x1，y1）为坐标系原点，y轴通过其中另外任意一点，假设通过（x2，y2），则在此坐标系中x1=y1=x2=0；则公式可以表示为：

解方程：

成圆条件满足D不为0时方程（1）为：

对照带入方程（2），则圆的曲率半径为：

则圆的曲率公式为：

1.2带直螺杆钻具组合几何造斜率计算

在上文所提及假设成立的情况下，这里指以下部钻具组合在螺杆和无磁之间加一个球形扶正器为例计算。理论上坐标系无论怎么建立都不会影响公式（5）得出的造斜率，但合理地选取坐标系会简化计算，使公式在实际应用中更加方便。

如图1所示建立直角坐标系：

则总夹角r：r=a+b

各点坐标为（0，0）、（0，y2）、（x3，y3）；

式中：L2为扶正器到钻头的距离，m；L1为扶正器到无磁上端点的距离，m；γ为结构总弯角，（°）。

带入公式（5），得到其几何造斜率公式为：如换算成单位（°）/30m，则公式为：

扶正器与井眼之间的间隙对钻具的造斜率有一定的影响，对于近钻头扶正器影响明显，对于扶正器距钻头较远时影响减小，在带直螺杆钻具组合中，常常采用欠尺寸的扶正器，此时也应该考虑间隙对造斜率的影响。

如果考虑扶正器处间隙的影响，并假设它与下井壁接触，则由此所产生的造斜率为：

J为扶正器与井壁之间的间隙，mm；Kj为由间隙而产生的造斜率，（°）/30m。

则带直螺杆钻具组合总造斜率

2. 直螺杆钻具工程实际与预测造斜率对比（表1）

表1

以辽河油田沈北地区的实际应用为例，计算直螺杆钻具组合造斜率为：K1=2.5°/30m，Kj=0.2°/30m，则K=2.7°/30m。

实钻结果可见，带直螺杆钻具组合的分支一实际造斜率为2.62，理论预测造斜率为2.7，与实际偏差3%。

结论

（1）直螺杆钻具组合在水平分支井悬空侧钻中的应用，大幅度提高侧钻成功率，缩短钻井周期，节约钻井成本。

（2）带直螺杆钻具组合造斜率计算公式根据三点定圆法从几何方面给出了钻具造斜能力的精确计算公式和实用计算公式，且易于求解。

参考文献

［1］王宝新，许岱文，程存志.弯壳动力钻具造斜率的几何分析与计算［J］.石油钻采工艺，1994，16（1）：2-3.

［2］帅健，于永南，洪学福.短弯外壳导向钻具的造斜率计算［J］.石油钻采工艺，1996，18（1）：4-6.

［3］苏义脑，唐雪平，高兰.双弯与三弯钻具对单弯钻具的等效问题［J］.石油学报，2002，23（2）：3-7.

中图分类号：TE921

文献标识码：A