大位移井鉆柱安全分析方法及應(yīng)用

曲鑫

摘 要：隨著油氣資源的不斷開采，剩余油氣資源的開采難度越來越高，大位移井的應(yīng)用也越來越多。鉆井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)表明，大位移井鉆進(jìn)過程中經(jīng)常會(huì)遇到井壁失穩(wěn)、鉆具斷裂等問題。本文通過分析大位移井的鉆柱結(jié)構(gòu)及受力特點(diǎn)，并借鑒鉆柱強(qiáng)度計(jì)算分析模型建立了一套適合于大位移井鉆柱強(qiáng)度安全系數(shù)計(jì)算方法，利用該方法對(duì)某鉆井過程中兩趟鉆的鉆柱進(jìn)行了強(qiáng)度計(jì)算和安全分析。

關(guān)鍵詞：大位移井;綜合應(yīng)力;鉆具強(qiáng)度;安全分析

由于大位移井的大斜度井段長(zhǎng)、水平位移大，鉆柱受重力影響都在井壁下沿，所以鉆進(jìn)過程中鉆柱在裸眼中的摩阻、扭矩都很大，鉆柱受到的綜合應(yīng)力較大，安全系數(shù)較低。因此在大位移井鉆井過程中正確計(jì)算鉆柱綜合應(yīng)力，合理設(shè)計(jì)鉆柱結(jié)構(gòu)、降低摩阻是確保安全鉆井的關(guān)鍵之一。

1 鉆柱強(qiáng)度分析計(jì)算

對(duì)于常規(guī)直井鉆進(jìn)來說，鉆柱強(qiáng)度安全分析一般只考慮井口、中性點(diǎn)和鉆頭連接處，而在大位移井鉆進(jìn)過程中，鉆柱因自重導(dǎo)致彎曲，其始終承受著較高的摩阻以及扭矩，鉆柱中的任何一點(diǎn)既受到摩阻引起的軸向應(yīng)力，又受到扭矩引起的不同方向的剪應(yīng)力，這些都會(huì)對(duì)鉆具安全帶來不利影響。所以在對(duì)大位移井的鉆柱進(jìn)行安全分析時(shí)應(yīng)以綜合應(yīng)力來判斷全井井柱某點(diǎn)或者某截面是否會(huì)發(fā)生屈服。在此，我們每隔10-20m就進(jìn)行一次計(jì)算和分析。另外，對(duì)一個(gè)斷面來說，管柱內(nèi)外壓差導(dǎo)致的附加剪應(yīng)力可能造成管柱內(nèi)壁受到的綜合應(yīng)力大于管柱外壁，因而應(yīng)對(duì)斷面的內(nèi)壁和外壁也進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和校核。

根據(jù)以上分析，我們采用了以下模型計(jì)算鉆柱的各項(xiàng)應(yīng)力、綜合應(yīng)力和安全系數(shù)。

軸向應(yīng)力σa=Ta/A

彎曲應(yīng)力σbi=σboDi/Do

扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力τmo=16MmDo/π（Do4-Di4），τmi=16MmDi/π

（Do4-Di4）

附加剪應(yīng)力τno=Ai（Pi-Po）/A，τni=Ao（Pi-Po）/A

強(qiáng)度安全系數(shù)Ni=σs/σei，No=σs/σeo

模型中Ta為計(jì)算斷面上的軸向力，A為計(jì)算斷面的截面積，σei、σeo分別表示計(jì)算斷面上鉆柱內(nèi)外緣處彎曲應(yīng)力，Di、Do分別為計(jì)算斷面處鉆柱的內(nèi)外直徑。Mm為計(jì)算斷面上的扭矩，τni、τno分別表示計(jì)算斷面上鉆柱內(nèi)外緣處附加剪應(yīng)力，Pi、Po分別為計(jì)算斷面處管內(nèi)外液柱壓力，Ai、Ao分別為計(jì)算斷面處鉆柱內(nèi)外截面積，Ni、No分別表示計(jì)算斷面上鉆柱內(nèi)外緣處的強(qiáng)度安全系數(shù)，σs為鉆柱鋼材的屈服極限。

2 鉆柱強(qiáng)度安全分析實(shí)例

根據(jù)上文提出的鉆柱強(qiáng)度分析模型，對(duì)某井三開以后兩趟鉆具組合的強(qiáng)度進(jìn)行了分析計(jì)算和安全分析。

2.1 第三趟鉆鉆具組合分析

①鉆具組合：φ215.9mmPDC×0.31m+φ171.5mmDTU×6.48m+φ158.8mm無磁鉆鋌×8.68m+φ127.0mm無磁承壓×27.57m+φ127.0mm鉆桿;

②鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓35-50kN，泵壓20MPa，轉(zhuǎn)速50r/min，排量28L/s，扭矩20000-24000N·m，主要鉆進(jìn)方式為滑動(dòng)鉆進(jìn);

③鉆進(jìn)井段：3901.04-4193.18m，進(jìn)尺292.14m，鉆進(jìn)時(shí)間17.31h，機(jī)械鉆速16.9m/h;

④鉆井液性能：密度1.30kg/L，塑性粘度28MPa·s。

鉆進(jìn)鉆柱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表1。

通過對(duì)表1進(jìn)行分析，我們可以看出本趟鉆柱距鉆頭越近，安全系數(shù)越高;距井口越近，安全系數(shù)越小。全井鉆柱的安全系數(shù)都大于3，鉆柱上部井段軸向應(yīng)力占主導(dǎo)地位，井底的扭應(yīng)力開始產(chǎn)生影響。主要采用滑動(dòng)方式鉆進(jìn)，扭應(yīng)力影響的井段較短，彎曲應(yīng)力較為均勻。

2.2 第六趟鉆鉆具組合分析

①鉆具組合：φ215.9mm牙輪鉆頭×0.25m+φ171.3mm動(dòng)力鉆具×9.20m+φ159.2mm無磁鉆鋌×9.04m+φ170.4mm

FEWD×7.08m+φ170.0mm無磁懸掛×4.71m+φ127.0mm無磁承壓×27.57m+φ127.0mm鉆桿;

②鉆進(jìn)參數(shù)：鉆壓35-55kN，泵壓18MPa，轉(zhuǎn)速50r/min，排量28L/s，扭矩21000-23500N·m，主要鉆進(jìn)方式為轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn);

③鉆進(jìn)井段：4544.18-4746.54m，進(jìn)尺202.36m，鉆進(jìn)時(shí)間47.48h，機(jī)械鉆速4.26m/h;

④鉆井液性能：密度1.26kg/L，塑性粘度27MPa·s。

鉆柱強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如表2。

通過分析表2，可以發(fā)現(xiàn)該趟鉆柱安全系數(shù)井底最大，向上逐漸減小，最小安全系數(shù)在井口附近。該趟鉆柱的安全系數(shù)較第四趟鉆柱的安全系數(shù)低，但都大于2。另外，隨井深增加綜合應(yīng)力不斷減小。另外，該趟鉆主要采用轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)，通過對(duì)比表1表2可以發(fā)現(xiàn)扭應(yīng)力的影響變得十分突出，這說明在大位移井鉆進(jìn)過程中，采用轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí)鉆柱的工作危險(xiǎn)性增加，且井口處最危險(xiǎn)。

3 降低鉆柱風(fēng)險(xiǎn)舉措

①優(yōu)化組合鉆柱：通過鉆具組合設(shè)計(jì)，降低鉆進(jìn)扭矩的不利影響。比如采用加重鉆桿代替鉆鋌施加鉆壓以減少鉆鋌的扭矩、摩阻;

②改善鉆井液性能：鉆井液中攜砂能力差會(huì)導(dǎo)致固相含量大、巖屑沉積增厚、摩擦系數(shù)增大，都會(huì)導(dǎo)致摩阻和鉆進(jìn)扭矩的增加;

③優(yōu)化井眼軌跡：通過降低造斜率，使井眼更為規(guī)則平順，避免狗腿較大帶來的摩阻和扭應(yīng)力;

④減扭工具：低扭矩鉆桿在中間部位帶3個(gè)整體穩(wěn)定器，通過攪動(dòng)緊靠造斜段底部的巖屑，當(dāng)巖屑床被消除，扭矩將保持常數(shù)。

4 結(jié)論

①根據(jù)大位移井的鉆柱強(qiáng)度分析計(jì)算和校核方法得出全井安全系數(shù)后，應(yīng)采取針對(duì)措施，轉(zhuǎn)動(dòng)滑動(dòng)鉆進(jìn)相結(jié)合，避免部分位置過度受同一種力影響，確保鉆柱安全;

②對(duì)于大位移井來說，鉆進(jìn)時(shí)扭轉(zhuǎn)引起的剪應(yīng)力對(duì)鉆柱的強(qiáng)度影響極大，是強(qiáng)度安全的首要考慮因素;

③通過多種措施降低摩阻，改善扭矩，也是提高鉆柱安全系數(shù)的有效方法。

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