常规双稳钻具组合稳斜性能的分析与优化

赵哓栋，武 毅，杨建政，郭宗禄

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

常规双稳钻具组合稳斜性能的分析与优化

赵哓栋*，武 毅，杨建政，郭宗禄

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津300452）

在盐膏层内的稳斜段钻进需要使用很高的钻井液密度，这大大缩短了马达的使用寿命，因此需要设计一套用于稳斜的常规钻具组合。根据底部钻具组合的静力学分析模型，编制了相应的计算机程序，模拟计算了底部钻具组合结构参数和钻压对常规双稳钻具组合稳斜能力的影响规律。结果表明：第一稳定器外径不可以过小，否则将在井眼中处于悬空状态，失去支撑井壁的作用；钻头井斜力会随着第二稳定器外径的减小而减小；钻压对钻头井斜力影响很小。应用上述模拟计算结果，对用于在盐膏层内稳斜钻进的常规双稳钻具组合进行了优化设计。研究结果可为今后底部钻具组合的优化设计提供参考。

盐膏层；稳斜；底部钻具组合

米桑油田群位于伊拉克东南部米桑省，毗邻伊朗边界，主要包括3个油田：Abu Ghirab油田、Fauqi油田和Buzurgan油田。主要储层为2个：埋深2800～3100m的Asmari碳酸盐岩和埋深3800～4100m的Mishrif灰岩。储层上部有一套石膏盐岩和泥岩夹层，埋深在2000～3000m，厚度约800m。如何在盐膏层内实现稳斜，将是在米桑油田钻成定向井需要面临的一大挑战。鉴于在盐膏层内钻进需要使用很高的钻井液密度，使得马达寿命大大缩短，因此需要设计一套稳斜性能较好的常规钻具组合。本文应用底部钻具组合的静力学分析模型，针对常规双稳钻具组合的稳斜性能进行了影响因素分析，并将其应用于优化实际的底部钻具组合稳斜性能之中。

1 底部钻具组合力学分析模型

1.1 控制方程

在考虑重力（钻井液中）、钻压、扭矩等载荷的情况下，底部钻具组合在参考坐标系O-XYZ下的非线性控制方程可表达为[1]：

式中：U、V——底部钻具组合在X轴和Y轴方向的位移分量，m；

s——底部钻具组合变形曲线上任一点的弧长坐标变量，m；

EI——底部钻具组合的抗弯刚度，kN·m2；

T——作用于底部钻具组合的轴向力，kN；

Mt——施加于底部钻具组合上的扭矩，kN·m；

hX、hY——单位长度的底部钻具组合所受的外力

（面力与体力）分别在X轴和Y轴方向的分量，kN/m；

q——底部钻具组合在钻井液中的线重，kN/m；

P——底部钻具组合各跨下端点的Z向压力，kN。

1.2 计算过程概述

依据目前较成熟的理论，底部钻具组合静力学分析的基本过程可叙述如下：

（1）对底部钻具组合进行简化处理，根据稳定器、弯曲结构等在钻具组合中的位置划分跨段。

（2）假定一个上切点长度，以上切点至钻头的方向，依据钻柱变形的控制方程、边界条件和连续条件，逐一对各跨段钻柱的变形进行求解。

（3）以钻头弯矩为零作为目标函数，对上切点的长度进行迭代计算，最终确定各跨段钻柱的变形。

（4）根据近钻头跨段的钻柱变形，计算钻头侧向力。

2 常规双稳钻具组合稳斜能力的影响因素分析

为探讨各因素对常规双稳钻具组合稳斜能力的影响规律，采用以下钻具组合进行模拟计算：Ø311.1mmPDC钻头+浮阀+Ø308.0mm稳定器+Ø203.2mm钻铤短节3m+ Ø308.0mm稳定器+Ø203.2mm钻铤13根+Ø203.2mm震击器（带挠性接头）+转换接头+Ø127.0mm加重钻杆14根+Ø127.0mm钻杆。计算条件包括：井斜角为25°；井斜变化率和井斜方位变化率均为0°/30m；钻井液密度为2.25g/cm3；钻压为90kN。

另外，在下面的计算分析中，钻头井斜力以增斜力为“+”，以降斜力为“-”。

2.1 底部钻具组合结构参数的影响

2.1.1 第一稳定器外径

如图1所示，随着第一稳定器的外径的减小，钻头井斜力起初会增大。当第一稳定器的外径减小到一定程度时（图1中第一稳定器外径小于305mm），钻头井斜力不会发生变化，原因是第一稳定器开始在井眼中处于悬空状态。因此，为了使第一稳定器支撑井壁并发挥其应有的作用，其外径不能过小。

图1 第一稳定器外径对钻头井斜力的影响

2.1.2 第二稳定器外径

如图2所示，当第二稳定器的外径减小，钻头井斜力会随之减小。

图2 第二稳定器外径对钻头井斜力的影响

2.1.3 钻铤短节的长度

模拟计算条件如上所述，仅改变2个稳定器之间的Ø203.2mm钻铤短节的长度，得到其对钻头井斜力的影响规律。如图3所示，随着钻铤短节长度的增加，钻头井斜力起初会减小，之后会增大。

图3 钻铤短节的长度对钻头井斜力的影响

2.2 钻压的影响

如图4所示，当钻压增大，钻头井斜力会随之增大，但影响程度相对较小。因此，在条件允许的情况下，可以适当地增大钻压以提高机械钻速。

3 常规双稳稳斜钻具组合的优化设计

依据上述各因素对常规双稳钻具组合稳斜能力的影响规律研究，对用于在稳斜段（稳斜角为25°）钻进的底部钻具组合进行了优化设计，其中稳斜段将贯穿于整个盐膏层，推荐如下常规钻具组合：Ø311.1mmPDC钻头+浮阀+Ø308.0mm稳定器+Ø203.2mm钻铤1根+Ø203.2mm钻铤短节4.3m+Ø308.0mm稳定器+ Ø203.2mm钻铤12根+Ø203.2mm震击器（带挠性接头）+转换接头+Ø127.0mm加重钻杆14根+Ø127.0mm钻杆。

对于此钻具组合，图5说明了钻铤短节的长度对钻头井斜力的影响规律。如图5所示，当钻铤短节的长度取为4.3m时，钻头井斜力接近于零，钻具组合的稳斜性能最好。

图4 钻压对钻头井斜力的影响

图5 钻铤短节的长度对钻头井斜力的影响

4 结论

（1）常规双稳钻具组合中的第一稳定器外径不可以过小，否则将在井眼中处于悬空状态，失去支撑井壁的作用。

（2）钻压的变化对常规双稳钻具组合的钻头井斜力影响不显著。因此，可以适当地增大钻压以提高机械钻速。

（3）在对常规双稳钻具组合的稳斜能力进行优化时，推荐采取调整第二稳定器外径或两个稳定器间距的方式。

[1] 高德利.井眼轨迹控制[M].东营:石油大学出版社,1994:61-62.

TE21

A

1004-5716（2015)10-0049-03

2014-11-07

中海石油伊拉克有限公司项目“米桑油田盐膏层定向钻井技术研究”（编号：CMITWRS-210-PRT-10.53-20296）。

赵晓栋（1984-），男（汉族），陕西宝鸡人，工程师，现从事油气田钻井技术工作。