异向双弯钻具组合设计与防斜应用

沈建中 贺庆

中国石化华东石油局工程技术设计研究院

异向双弯钻具组合设计与防斜应用

沈建中 贺庆

中国石化华东石油局工程技术设计研究院

井斜一直是常规钻井中的一大难题，之前以钻柱静力学分析为基础提出的防斜钻具组合虽取得了“防斜钻直”的效果，但需要降低钻压来保证防斜效果。为此，通过对异向双弯钻具防斜机理和侧向力模拟分析，评价了其防斜打快性能：随着弯接头偏心角、钻压和扶正器的高度的增大，防斜效果越明显；随着端部和中部直壳体的长度增加，造斜率有所下降，且稳定性会更好。进而提出并设计了新型异向双弯防斜钻具组合，优化改进了异向双弯钻具的弯接头、短节和单边扶正器等关键部件的技术参数，从而保证了该钻具组合具有较好的防斜效果并能够施加足够的钻压来提高机械钻速。经过2口井的现场试验证明，平均钻速提高了73.93%，井斜角控制在10°以内，实现了复杂井段的防斜打快，取得了良好的经济效益。

钻井工具 异向双弯 弯接头 直壳体 防斜 数值模拟 钻压 机械钻速

传统的防斜钻具组合例如钟摆防斜钻具组合、满眼防斜钻具组合、柔性防斜钻具组合、偏心防斜钻具组合等，一般是建立在钻柱静力学分析的基础上提出的［1－2］，在此基础上设计的钻具组合一般忽略地层的各向异性以及钻具的各向异性，除此之外，还要求降低钻压，甚至要求轻压吊打，不惜牺牲钻速来保证防斜效果。因此我们需要一种新的钻具组合，除了具有较好的防斜效果并且能够施加足够的钻压来保证钻速不受影响。异向双弯钻具由于其独特的造斜特性，加上液力推进器可以提高足够的钻压，为了在实际应用中取得更好的效果，我们有必要对异向双弯钻具组合的防斜机理和防斜特性［3－6］进行分析。

1 异向双弯钻具的防斜机理

异向双弯钻具（DTU）主要由弯接头和直壳体组成，弯接头是指本体中心轴线与公扣中心线成一定角度的配合接头，主要应用于定向钻具组合起支点作用来改变下部钻具的方向。图1、2分别为弯接头和异向双弯短节示意图。

为了避免在钻具设计、加工和现场施工的盲目性，有必要对异向双弯井底钻具的防斜特性进行分析，并对其造斜特性进行计算，以更有利于指导钻井实践。由于理论上精确地分析计算十分复杂，且地层因素及井眼条件等参数在现场难以确定，预测的与实钻效果总有相当大的误差，因此，以简单的几何分析方法计算预测工具的纠斜能力仍有一定的实用意义。

图1 弯接头示意图

图2 异向双弯短节结构示意图

对于双弯钻具，其坐标参数（图3）为：

图3 异向双弯钻具示意图

式中L1为端部直壳体长度，即1号弯接头肘点至钻头长度；L2为1号弯接头肘点至端部直壳体长度；L3为2个弯曲肘点之间的距离，m；L4为上扶正器到上弯曲肘点的距离；γ1为下结构弯角，（°）；γ2为上结构弯角，（°）。造斜率k［（°）／30 m］为：

式中LT为从上扶正器到钻头的钻具总长度，m；λ为弯角位置影响因子，无因次。

理论研究和实例验证均表明，简化公式具有很高的计算精度，与精确公式的计算结果基本相同。

2 异向双弯钻具的侧向力模拟

笔者采用有限元软件ABAQUS对模型进行模拟。ABAQUS是国际上最先进的大型通用有限元计算分析软件之一，具有很好的模拟性能。其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题。它包括一个丰富的、可模拟任意几何形状的单元库和与之相应的材料模型库。作为通用的模拟工具，ABAQUS除了能解决大量结构（应力、位移）问题。首先在PROE建立模型并保存为STP格式，然后导入到ABAQUS软件中，材料属性定义各向均性的线弹性材料：弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比定义为0.3。然后经过组装，采用四面体网格划分，根据实际情况添加一定的扭矩和压力，经过运算分析可以得到异向双弯钻具的受力云图（图4），然后通过分析靠近钻头的侧向力就可以分析这种异向双弯钻具的防斜性能。

图4 异向双弯钻具受力云图

通过改变不同的尺寸和受力条件，我们得到各组成要素对异向双弯钻具防斜能力的影响，主要有：端部和中部直壳体的长度，扶正器的位置和形状，弯接头的偏心角，钻压等因素。通过改变某一变量，固定其他参数的方法，可以模拟和分析各组成要素的对防斜性能的影响，下面是我们的分析结果：

图5 偏心角对侧向力的影响图

图6 钻压对侧向力的影响图

从上面的分析结果可以看出，随着偏心角、钻压和扶正器的高度的增大，防斜效果越明显（图5、6）；随着端部和中部直壳体的增加，造斜率有所下降（图7、8），但是稳定性会更好，便于施加钻压提高钻速，因此我们要权衡各组成要素对整体防斜性能的影响，经过优化设计提出下面的设计方案并进行了现场试验。

图7 端部直壳体长度对侧向力的影响图

图8 中部直壳体长度对侧向力的影响图

3 异向双弯钻具组合的设计

表1 异向双弯钻具结构参数表

新型的异向双弯钻具组合有如下特点：①偏心短钻铤的作用，②双弯钻具组合的作用，③钟摆钻具组合的防斜作用，④单边扶正器可有效防止地层掉块引起卡钻及起下钻困难的问题。其特征是在钻头与扶正器之间的钻铤的适当位置连接异向双弯短钻铤，合理设计的异向双弯半瓣短钻铤（异向双弯半瓣短钻铤：该类型钻铤横截面为在一空心圆柱面上设有半瓣稳定定位凸块和异向双弯的组合形状，稳定定位凸块为上下两块，与圆心成180°对称设置，异向双弯位于两块稳定定位凸块处。）几何形状，使其在旋转过程中具有足够的离心力和较好的稳定作用。另外使用液力推力器主要目的是起隔离作用，减小其上部和下部钻具的振动，从而减小钻具和钻头受力的应力幅度，提高使用寿命，这可以使得钻铤振动平稳而不发生异常的冲击振动，有利于延长钻头寿命，提高钻井机械钻速。

4 现场试验

在现场的钻井中，某试验区为了保证井下安全通常是采用常规钻具钻进，随着井深的增加，井斜不断增大，完井井斜一般在13°～18°。

4.1 试验钻具组合

4.2 钻井参数及试验结果

异向双弯钻具现场试验效果见表2。

该区1号试验井、2号试验井试验了DTU短节，2口井在试验井段通过强化钻压（180 k N）钻进，平均机械钻速达3.67 m／h，1号、2号试验井的井斜均得到了有效控制，完钻井斜控制10°以内，其中1号试验井井斜控制在5°以内，井斜由使用前10°降至4.5°取得了较好的防斜打快效果（表2）。

表2 异向双弯钻具现场试验效果表

5 结论

1）通过研究异向双弯短节防斜机理并根据现场试验，证实了DTU具有较好的防斜效果。

2）新设计的DTU钻具组合结构简单，双弯单边扶正器结构设计，增加环容，利于井下安全，满足防斜快打的需要。

3）异向双弯短节＋液力推进器的钻具组合有效地释放了钻压，机械钻速提高了73.93%，井斜由13°～18°降至10°以内。

［1］练章华，林铁军，宋周成，等.用等效外径法对塔式钻具组合防斜问题探讨［J］.西南石油大学学报，2008，30（6）：169－172.

［2］李佩武，董明键，张居波.防斜打直新技术在川科1井中的应用［J］.天然气工业，2010，30（7）：62－64.

［3］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）：32－37.

［4］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）：4－9.

［5］刘修善，何树山，邹野.导向钻具几何造斜率的研究［J］.石油学报，2004，25（6）：83－87.

［6］尹虎，李黔，宋振清，等.单弯螺杆控制井斜力学特性分析及应用［J］.天然气工业，2004，24（6）：43－47.

Design of the double－titled U－joint housing drilling tool and its application to well deviation control

Shen Jianzhong，He Qing
（Engineering Design ＆Research Institute of East China Petroleum Bureau，Sinopec，Nanjing，Jiangsu 210031，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 5，pp.55－58，5／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

Well deviation is always a bottlenecking problem during the conventional drilling process.Although this problem can be solved by the previously used deviation－control BHA based on the static analysis of the drilling string，the WOB has to be reduced.In view of this，the study on the mechanism of double－titled U－joint housing（DTU）drilling tool is made，and a simulation analysis is conducted regarding the side force on the tool to evaluate its deviation－control performance.It is observed that the deviation control will become better with the higher eccentricity of the bent house，the higher WOB，and the higher stabilizer placement.And the longer the end and middle sections of the housing，the lower the buildup rate will be and the higher the stability will become.Thus，a new type of DTU is then developed with its technical parameters optimized including the critical parts like the bent housing，the sub and the stabilizer，thereby to help achieve not only a better deviation control performance but a higher ROP under enough WOB.Through pilot tests in two wells，the average ROP was enhanced by 73.93%and the well deviation is controlled within 10°.Therefore，this new type of DTU is proved to help achieve economic benefit.

drilling tool，DTU，deviation control，numerical simulation，WOB，ROP

沈建中，1975年生，工程师；2004年毕业于石油大学石油工程专业；主要从事钻井工艺技术研究工作。地址：（210031）江苏省南京市华东石油局工程技术设计研究院。电话：（025）58869097。E－mail：sjz＿75＠sina.com

沈建中等.异向双弯钻具组合设计与防斜应用.天然气工业，2012，32（5）：55－58.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.05.015

（修改回稿日期 2012－03－01 编辑 凌 忠）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.05.015

Shen Jianzhong，engineer，born in 1975，graduated in petroleum engineering from China University of Petroleum in 2004.He is now doing research on drilling technology.

Add：Nanjing，Jiangsu 210031，P.R.China

Tel：＋86－25－5886 9097 E－mail：sjz＿75＠sina.com