单弯螺杆钻具组合防斜打快技术研究

姜兴福(西部钻探准东钻井公司，新疆 昌吉831100）

螺杆钻具是一种以钻井液为动力液的井下动力钻具，在石油工程领域中应用较为广泛。螺杆钻具具有低转速、大扭矩、大排量等特点，增加了钻头扭矩和功率，减少了钻杆和套管的磨损和损坏，因而可以提高钻井效率[1-2]。针对易斜地区防斜打快问题，笔者探讨了单弯螺杆钻具防斜打快机理，并采用有限元分析方法对正常钻进时单弯螺杆钻具的力学特性进行了模拟，以便为优化单弯螺杆钻具组合和施工参数设计提供参考。

1 单弯螺杆钻具组合的特点

图1 单弯螺杆示意图

单弯螺杆钻具组合是一种偏心的井下动力钻具，弯曲的螺杆在转动的过程中会产生一定的离心惯性力，该惯性力可以增加钻头的侧向力，可以达到降斜的目的，单弯螺杆钻具组合示意图如图1所示。与传统的防斜钻具组合相比，单弯螺杆钻具的优势主要表现在以下几个方面[3-4]：①螺杆钻具组合增加了钻头的侧向力。由于螺杆结构弯角的存在，肘点附近部分的中心偏离了轴线，螺杆在旋转时产生了离心的惯性力，增大了钻头的侧向力，从而可以达到防斜纠斜的作用。②单弯螺杆钻具增加了单位进尺下钻头横向切削井壁的次数。通过转盘与螺杆钻具实施联合钻进，钻头转速明显提高，即使用螺杆钻具后，即在单位进尺下，钻头切削下井壁的次数是普通钟摆钻具的2～4倍。由于钟摆钻具是由钻头切削下井壁来实现防斜纠斜效果的，因此，增加单位进尺下钻头切削井壁的转数可以达到防斜的作用。③螺杆钻具在转动时钻头的转角呈正负交替变化。当螺杆的肘点位于下井壁时，钻头的倾角沿井斜的方向；当螺杆的肘点转到上井壁，钻头的倾角变为与井斜方向相反的方向；螺杆在转动一周时，钻头的倾角呈正负交替变化，由此可以抵消钻头倾角导致的井斜(见图2）。④应用 “单弯螺杆＋PDC钻头”井下动力钻具组合，在钻进单位进尺时，PDC钻头切削井壁的次数是普通钟摆钻具的2～4倍。进尺相同条件下，增加钻头切削井壁次数可以提高防斜的能力。

图2 单弯螺杆转动时钻头倾角变化示意图

2 单弯螺杆钻具组合力学特性分析

在常规钻具组合的基础上将3m短钻铤改为6m短钻铤。改进的单弯螺杆钻具组合设计如下(见图3）：∅215．9mm钻头＋∅165mm单弯螺杆6．5m＋∅159mm 钻铤9m＋∅159mm短钻铤6m＋∅214mm稳定器＋∅159mm钻铤63m＋∅127mm钻杆。钻井参数：钻压为1～3t；转速为60～80r／min。

图3 单弯螺杆钻具组合示意图

在钻进过程中，关注井下单弯螺杆在转动时的力学性能变化情况很重要，因而利用有限元方法对螺杆钻具组合在井下转进时的力学性能进行分析。图4所示是钻头侧向力和钻头转角随装置角变化情况。由图4可知，钻头侧向力按简谐规律进行变化，弯角靠下井壁时钻头侧向力最大；钻头倾角呈正负交替的规律变化，因而在井斜角较大时具有较强的纠斜能力。

取装置角为180°，对上述钻具组合进行有限元计算。装置角为180°时位移矢量图如图5所示(图中右侧为钻头）。由图5可知，弯角以下的杆件横向位移很小，加上一定厚度的偏心块后不会造成与井壁接触的问题。装置角为180°时弯矩分布图如图6所示。由图6可知，稳定器处的弯矩处于最大值而螺杆弯角处的弯矩很小。装置角为180°时稳定器处应力分布如图7所示。由图7可知，稳定器处的应力最大。装置角为180°时弯角处应力分布如图8所示。由图8可知，螺杆弯角处的应力很低。因此，螺杆改进后不会改变其在井下的应力状态，可以安全使用。

图4 钻头侧向力和钻头转角随装置角的变化图

图5 装置角为180°时位移矢量图

图6 装置角为180°时弯矩分布图

图7 装置角为180°时稳定器处应力分布图

图8 装置角为180°时弯角处应力分布图

3 结 语

对单弯螺杆钻具组合的特点进行了探讨，采用有限元方法分析其在井下转进时的力学性能。研究发现，单弯螺杆钻具组合在转动时，钻头侧向力作为一种降斜力按简谐规律进行变化，弯角靠下井壁时钻头侧向力最大；钻头倾角按正负交替的规律变化，在井斜角较大时具有较强的纠斜能力。有限元计算结果表明，螺杆改进后没有改变其在井下的应力状态，可以安全使用。

[1]章扬烈 ．钻柱运动学与动力学 [M]．北京：石油工业出版社，2000．

[2]钟文建 ．复合钻井防斜打快技术研究与应用 [D]．荆州：长江大学，2010．

[3]曹荣 ．钟摆钻具组合非线性屈曲的有限元分析 [J]．钻采工艺，2008，31（4）：105-107．

[4]刘修善，岑章志，苏义脑 ．底部钻具组合的力学特性分析 [J]．工程力学，1999，16（增）：132-135．