一種防斜打快鉆井技術的提速機制及實踐

張進雙，王春輝，張賢印

(1.中國石油化工股份有限公司石油工程技術研究院，北京100101；2.中石化勝利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆烏魯木齊830011)

大傾角地層井眼易斜且控制困難，如何實現防斜打快、確保成井質量是鉆井業(yè)者迫切需要解決的技術難題。在造斜性強的地層中，常規(guī)防斜、糾斜底部鉆具組合（BHA-Bottom Hole Assembly）是以犧牲鉆速換取井身質量，導致鉆井周期長、鉆井費用高，如何高效防斜、糾斜、打快是當務之急[1-3]。常規(guī)鐘擺鉆具組合以控制BHA 變形為基礎，難以釋放鉆壓，“輕壓吊打”方式無法提高鉆井速度，使鉆井效益受到嚴重影響[4-5]。為了保證井斜控制質量的前提下提高機械鉆速，提出了“動力學防斜打快理論”，施加適當鉆井參數BHA保持渦動，可以部分解放鉆壓實現一定程度的防斜打快[6-7]。預彎曲動力學防斜打快技術利用BHA 在井眼中的渦動特征消除鉆頭軸線的指向作用，引發(fā)偏向下井壁方向的側向力。現有研究將預彎防斜打快BHA 的提速作用簡單歸因于鉆壓的提高，對渦動狀態(tài)下BHA的動力學特征及其鉆井提速內在機制關注較少，有待進一步研究。本文對預彎防斜打快BHA 的動力學特性進行了深入研究，分析了不同彎角條件下鉆頭動態(tài)側向力，明確了渦動條件誘致的動態(tài)軸向力特征，在此基礎上揭示了預彎防斜打快BHA的防斜、提速機制。

1 預彎防斜打快BHA動力學模型

預彎防斜打快BHA一般有兩個穩(wěn)定器（分別為近鉆頭穩(wěn)定器和上穩(wěn)定器）和一個預彎短節(jié)（或單彎螺桿），見圖1(a)，兩個穩(wěn)定器間中點處鉆鋌橫截面投影如圖1(b)。以該位置對應井眼軸線為原點，建立直角坐標系o-xyz，oy 指向井眼高邊方向，oz 指向井底方向。預彎結構的存在、鉆具加工制造不可避免的誤差和可能的彎曲變形，使得鉆柱質心與其幾何中心存在偏心距e0。用極坐標（q,θ）和直角坐標( x1,y1)可以描述出鉆柱幾何中心的位置，質心的直角坐標位置可表示為[ x1+e0cos(Ωt)，y1+e0sin(Ωt)]，其中Ω 為鉆鋌旋轉速度（rad/s），t 為時間（s）?？梢郧蟪鲎饔迷贐HA質心和幾何中心的慣性力以及穩(wěn)定器和井壁間的接觸力，理論推導得到預彎防斜打快BHA 的通用動力學模型[8-9]：

圖1 預彎動力學防斜打快鉆具組合(a)及截面A-A投影圖(b)

式中：r=q/c0，β=(m+mf)/m ，δ=s0/c0，ε=e0/c0，η=Ω/ω，ξ=cfc0/m，τ=ω t；

c0——鉆鋌與穩(wěn)定器的間隙：c0=(Dh-D0)/2；

cf——流體等效粘滯系數；

m——預彎梁等效質量，kg；

mf——鉆井液等效質量，kg；

q——鉆鋌幾何中心徑向變形，m；

e0——鉆柱質心偏心距，m；

s0——穩(wěn)定器與井壁間隙，m；s0=(Dh-Ds)/2；

Dh——井徑，m；

Ds——穩(wěn)定器外徑，m；

ζ0=s1/c0；

s1——BHA預彎初始撓度，m；

k——鉆鋌的等效抗彎剛度系數；

a——鉆柱初始撓度對轉子質心的影響因子，若初始彎曲為正弦曲線時a=2/π，反映預彎程度的影響；

Qk——反映井壁接觸力的影響，井眼半徑較小時可忽略；

i——復數的虛數單位。

Qg——反映井斜角的影響：

式中：g——重力加速度，m/s2；

fb——浮力系數；

α——井斜角，rad。

通過求解，可以得到鉆頭上的防斜力：

式中：EIn——各段梁抗彎剛度，N·m2；

Ln——各段梁長度，m；

δj——扶正器與井壁間隙，m。

任一時刻橫向運動引起的鉆頭動態(tài)軸向力如下：

式中：kz——地層剛度系數，即井底地層單位面積上法向位移對應的力，一般取kz=6.78×1011N·m3；

θy——鉆頭動態(tài)軸向合力相對井眼低邊的轉角，rad；順時針為正，逆時針為負。

式中：L1——鉆頭到近鉆頭穩(wěn)定器之間長度，m；

L2——兩個穩(wěn)定器之間距離，m；

EI ——鉆鋌抗彎剛度，N·m2；

δ1——近鉆頭穩(wěn)定器與井壁間隙，m；

δ2——上穩(wěn)定器與井壁間隙，m；

θpb——BHA預彎角，rad。

對上述模型數值求解時將鉆頭簡化為球型鉸約束，上穩(wěn)定器以上長度L3由上部鉆柱與井壁相切的初始條件（撓角為零）確定，并且在后繼時刻保持上端撓角為零。穩(wěn)定器長度不計，井壁對穩(wěn)定器的約束為動態(tài)約束，運算時進行實時判斷。

2 預彎防斜打快BHA動力學特性

我國華北地區(qū)受地質構造運動影響，地層傾角大、巖性復雜多變，中國石化東勝氣田部署的JPH-404 井為確保井眼質量，二開直井段采用預彎曲動力學防斜打快技術，井底鉆具組合結構設計為：?222.3mmPDC鉆頭×0.32m+?172mm(1.25°)螺桿（帶?215mm 穩(wěn)定器，即近鉆頭穩(wěn)定器）×8.14m+?219mm×穩(wěn)定器（即上穩(wěn)定器）1.57m+無磁鉆鋌×9.18m+411×4A10 接頭×0.49m+定 向 接 頭×0.74m+4A11×410 接 頭×0.49m+?165mm鉆鋌×111.71m+?127mm鉆桿?，F場鉆井工藝參數如下：鉆壓40～80kN，轉盤轉速40r/min，鉆井液密度1.04～1.08g/cm3。上述BHA（L1=1m，L2=8m；L21=1m）在給定鉆井參數下的動力學特性分析結果如圖2～圖5所示。

圖2 鉆鋌形心渦動軌跡

圖2 為鉆鋌等效質量中心所在橫截面形心的渦動軌跡。從圖中可以看出BHA的渦動狀態(tài)，由于預彎角的存在，鉆鋌形心具有較規(guī)則的渦動特征。1°井斜角條件下，重力作用使鉆具組合形心的軌跡偏向下井壁。

圖3 鉆鋌形心渦動速度時程曲線

圖4為作用在鉆頭上的動態(tài)側向載荷?？梢园l(fā)現，鉆頭上的動態(tài)側向力隨BHA渦動而發(fā)生變化，并具有一定的規(guī)律，合側向力約-6.94kN，體現為較大的防斜力。

圖4 鉆頭側向力分析相圖

圖5 為BHA 渦動誘致的鉆頭動態(tài)軸向力二維分布。該圖清楚表明，由于渦動作用，使得鉆頭對井底巖石產生附加不均勻動態(tài)作用力，平均約為22.30kN。這一周期性的動態(tài)軸向沖擊載荷有利于鉆頭對井底巖石的破碎。

3 預彎曲動力學防斜打快技術的提速機制

合理選擇預彎防斜打快BHA的結構參數對防斜打快效果至關重要，一方面需要能提供較大的動態(tài)防斜力，另一方面需要保證BHA具有穩(wěn)定的運動狀態(tài)。與常規(guī)鐘擺BHA相比，預彎防斜打快BHA可以施加較大的鉆壓。大量的實踐結果表明，預彎防斜打快BHA的鉆壓最小可以達到鐘擺極限鉆壓的150%，最大達700%。這也是長期以來人們對“提速”機制的直觀認識。

從預彎防斜打快BHA動力學特征分析結果（圖5）可以看出，由于渦動產生了附加的動態(tài)軸向力，沖擊作用下有利于鉆速的提高。由于彎角的存在，外力作用下的BHA發(fā)生了較大變形，使得鉆頭軸線與井眼軸線方向產生了一個偏轉角，這一偏轉角使鉆頭端面對巖石形成不平衡作用力，有利于鉆頭破巖。表2列出了不同彎角條件下，鉆頭上的動態(tài)側向力和渦動引起的動態(tài)軸向力大小。

圖5 渦動誘致的鉆頭動態(tài)軸向力

表2 給定BHA的動態(tài)側向力和渦動誘致動態(tài)軸向力

從表中可以看出，隨著彎角的增大，動態(tài)防斜力在1.5°彎角時達到最大，之后急劇下降。動態(tài)軸向力則隨著彎角的增加而增加，1.75°彎角時為30.5kN。針對本文所給的BHA，將彎角控制在1°～1.5°對控斜和提速都有較大益處。

4 預彎曲動力學防斜打快技術現場應用

東勝氣田JPH-404 井位于鄂爾多斯盆地，受地質構造運動影響，地層傾角大、巖性復雜多變。為確保井眼質量，二開直井段采用了預彎曲動力學防斜打快技術，井底鉆具組合結構設計為：?222.3mmPDC 鉆頭×0.32m+?172mm(1.25°)螺桿（帶?215mm穩(wěn)定器，即近鉆頭穩(wěn)定器）×8.14m+?219mm×穩(wěn)定器（即上穩(wěn)定器）1.57m+無磁鉆鋌×9.18m+411×4A10接頭×0.49m+定向接頭×0.74m+4A11×410 接頭×0.49m+?165mm 鉆鋌×111.71m+?127mm 鉆桿；鉆井工藝參數：鉆壓40～80kN，轉盤轉速40r/min，鉆井液密度1.04～1.08g/cm3。該井斜控制和提速效果顯著，最大井斜角1.58°，井身質量優(yōu)質，機械鉆速達43.38m/h，同比提高60%提升，鉆井周期45.5d，創(chuàng)工區(qū)工程紀錄。

永301 井是部署在準噶爾盆地車—莫古隆起南翼的一口評價直井，距離新疆維吾爾自治區(qū)石河子市東北約49.6km。采用預彎BHA動力學防斜打快技術，鉆具組合：311.2mmPDC 鉆頭+244.5mm 0.5°單彎螺桿（H5LZ244×7.0-3.5-0.5°）+228.6mmDC×1 根+630×731+307mm 扶正器+單流閥+坐鍵接頭+203.2mm 無磁 鉆 鋌× 1 根+ 203.2mmDC × 5 根+ 410 × 631 +177.8mmDC×7 根+127mmHWDP×15 根+127mmDP；鉆進參數：鉆壓60kN，轉速50r/min+螺桿，排量41L/s，泵壓22MPa；泥漿性能：密度1.14g/cm3，粘度36s；巖性：古近系棕紅色泥巖。鉆進井段2207～2755m，進尺548m，機械鉆速7.05m/h，同比鄰井提高39%，隨鉆測量最大井斜1.65°。

5 結論和建議

（1）預彎防斜打快BHA 利用預彎結構有效控制BHA變形和渦動，產生的較大動態(tài)防斜力有利于井眼打直，而較大靜態(tài)鉆壓和渦動誘致動態(tài)不均勻軸向載荷聯合作用是其提速內在機制：一是可以施加遠大于鐘擺BHA 的鉆壓實現鉆井提速；二是BHA 渦動產生額外的動態(tài)軸向力，周期脈動沖擊提高破巖效率；三是彎角的存在引發(fā)BHA變形，鉆頭軸線與井眼軸線存在瞬態(tài)偏角，使井底巖石受到非均勻擠壓有利破巖。

（2）彎角大小是影響防斜打快效果的關鍵因素，存在最佳彎角值使預彎防斜打快BHA的防斜力最大，但應綜合考慮預彎曲鉆井組合結構安全性和井眼通過能力。