单弯螺杆造斜能力预测和现场数据验证

吕加华，鄢　标，饶岩岩，张鹏飞，李汉兴，钱利勤，张　强

（1.长江大学机械工程学院，湖北荆州434023；2.成都百施特金刚石钻头有限公司，四川成都610000；3.中海油研究总院，北京100000）

单弯螺杆造斜能力预测和现场数据验证

吕加华*1，鄢标1，饶岩岩2，张鹏飞2，李汉兴3，钱利勤1，张强1

（1.长江大学机械工程学院，湖北荆州434023；2.成都百施特金刚石钻头有限公司，四川成都610000；3.中海油研究总院，北京100000）

造斜率预测是井眼轨迹控制技术的基础和重要组成部分，利用几何相似原理对具有初始结构弯角的梁柱进行了等效处理，综合考虑井眼几何参数（井斜角、井眼曲率）、钻具组合结构参数（弯角、稳定器直径和位置等）、钻井参数（钻压）等各种影响因素，运用纵横弯曲法建立单弯螺杆力学模型。以单弯螺杆单稳器钻具组合为例，分析了螺杆弯角、井眼曲率、钻压、稳定器直径等参数对侧向力和极限造斜率的影响。结合须家河组地层的特点，运用极限曲率法计算了造斜率，并结合现场数据对模型进行了验证，指导钻具组合设计。

单弯螺杆；极限造斜率；造斜能力

目前须家河组地区主要采用钻头+弯螺杆钻具（带稳定器）+短钻铤的钻具组合来实现造斜，如何合理设计钻具组合和准确地预测造斜率是造斜成功的关键。常用预测造斜率的方法有经验法［1］、力学计算法［2-4］、回归分析法［5］及经验公式法［6-7］等，影响钻具组合造斜率的因素很多，比如下部钻具组合的结构、井眼几何形状、钻井工艺参数、地层特性等。由于单弯螺杆钻具存在结构弯角，相当于钻具组合中存在初弯曲，所以如何处理结构弯角是建立力学模型的关键。文献［8-9］用等效横向集中载荷代替弯角对梁柱挠度的影响，即在弯肘点处施加等效集中载荷代替结构弯角的影响，但这造成了附加力的作用。因此本文运用等效原理处理了单弯螺杆钻具结构弯角，对支座端面的相对附加转角进行了处理，建立了连续条件和上切点边界条件。结合连续条件和上切点边界条件，建立力学模型，开发软件分析螺杆弯角、井眼曲率、钻压、稳定器直径等参数对侧向力和极限造斜率的影响。考虑到须家河组地区地层因素影响，预测了工具的造斜率，并通过现场数据进行了验证。

1　单弯螺杆造斜力学模型

1.1单弯螺杆钻具结构弯角的等效处理

图1　单弯螺杆弯角处理

如图1单弯螺杆弯角为γ，AB长为m1，BC长为m2，由正弦定理得出：

由于单弯螺杆的结构弯角通常不大于3°（α1和α2小于3°）则：

则式（1）可化为：

1.2连续条件和上切点边界条件

如图2所示，底部钻具组合位于井眼曲率为K的圆弧井段中，由文献［11］考虑井眼曲率的建立连续条件和上切点边界条件得：

即等效结构弯角：

图2　BHA力学分析坐标系

式中：βi——支座 i两邻跨横坐标间的夹角，βi=K（Li+Li+1）/2；

βT——上切点井眼切线与末跨x轴的夹角，βT=KLn+1/2。

1.3三弯矩方程的建立

图3　单弯钻具组合的弯曲与变形示意图

如图3钻头为O、稳定器Si和上切点T。钻头处弯矩为M0，稳定处弯矩为Mi，切点处弯矩为Mn+1，则［10］第一跨右端转角为：

将式（7）～式（9）带入连续条件和上切点边界条件式（10）～式（13）建立三弯矩方程：

式（10）～式（13）中：X（u）、Y（u）、Z（u）、——系数；

K——井眼曲率；

m——系数，当i=2时取1，其他取0；

Mn+1——上切点弯矩，Mn+1=EIK；

q1——线重；

Li——第i跨的长度；

ei——钻头直径、稳定器直径和上切点钻具直径与井径差值的一半。

1.4钻头侧向力和造斜率的计算（见图4）

图4　钻头侧向力和造斜率计算模型

基于理论分析和钻井实践，根据极限曲率法［12］计算工具造斜造斜率KTα。

式中：KC——极限曲率；

AB——修正系数，通过该区块的现场数据与极限曲率对比获得。

在确定工具的实际造斜能力KTα后对井斜角进行预测：

利用MATLAB开发单弯单稳定器力学分析模块，开展单弯螺杆钻具组合力学分析和造斜率预测。

2　单弯螺杆的侧向力影响因素分析

2.1单弯螺杆钻具组合力学分析基本参数

本文以∅172mm单弯螺杆钻具和单稳定器钻具组合为例，基于上述理论对其进行力学分析，计算参数如下：

钻头直径：∅215.9mm；螺杆外径：∅172mm；螺杆弯角：2.5°；钻头至下稳定器中心距离：0.9m；下稳定器中心至弯角距离：1.331m；弯角到螺杆顶端距离：5.331m；钻铤外径：∅165.1mm；钻铤内径：∅71.4mm；稳定器直径：∅213mm；工具面角：0°；井斜角：90°；钻压：90kN；钻井液密度：1.29g/cm3。

2.2侧向力影响因素分析

采用控制变量法来分析稳定器直径和井眼曲率对钻头侧向力的影响。

（1）稳定器直径对钻头侧向力的影响。由图5可知，随着稳定器直径增加，钻头侧向力增加，而且这种变化基本呈线性关系，对单弯螺杆钻具的钻头侧向力影响尤为显著。因此，这一结论对现场选择稳定器直径来调节BHA的造斜能力具有指导意义。

（2）井眼曲率对钻头侧向力的影响。由图6可知，随着井眼曲率的增加，钻头侧向力逐渐降低，当超过某一井眼曲率后，侧向力将为负值，即为降斜。

3　单弯螺杆的极限造斜率影响因素分析

（1）井斜角对极限造斜率的影响。由图7可知，由于管柱重力作用，工具的极限造斜率随井斜角的增加而增加。

（2）钻压对极限造斜率的影响。由图8可知，当钻压变化幅度较大时，极限造斜率的变化幅值较小，这一结论表明，通过调整钻压来调整钻具的造斜能力是有限的。

图5　稳定器直径对钻头侧向力的影响

图6　井眼曲率对钻头侧向力的影响

图7　井斜角对极限造斜率的影响

4　现场验证

须家河地区某区块地层滑动钻井实钻井眼轨迹及底部钻具组合如表1所示，通过编程输入钻具组合参数，修正系数取0.62，提取不同井斜角下理论计算极限曲率，计算结果与全角变化率对比如表1所示，对比结果表明，最大误差为9.07%。

图8　钻压对极限造斜率的影响

5　结论

（1）采用几何相似，等效处理单弯螺杆结构弯角，运用纵横弯曲法建立力学模型，并分析结构弯角、稳定器直径、稳定器到钻头的距离、钻压以及井斜角等影响因素对钻头侧向力和极限造斜率的影响；

（2）结合现场地层特点，利用极限曲率法修正极限造斜率，预测井斜角的变化。将预测结果与实际计算结果对比，验证模型的正确性，为现场钻具组合优化设计提供理论依据和指导。

表1　某井钻具组合、钻井参数及使用效果表

［1］彭国荣，狄勤丰.滑动导向钻具组合复合钻井导向能力预测方法研究［J］.石油钻探技术，2000，28（6）：4-5.

［2］苏义脑，周煜辉.定向井井眼轨道预测方法研究及其应用［J］.石油学报，1991，12（3）.

［3］郭宗禄，高德利，张辉，等.单弯双稳导向钻具组合复合钻进稳斜能力分析与优化［J］.石油钻探技术，2013，41（6）：19-24.

［4］李绪锋.弯螺杆钻具水平段导向钻进稳斜能力分析［J］.钻采工艺，2012，35（3）：98-100.

［5］柳贡慧，刘伟，刘忠，等.利用四因素三水平正交回归分析法进行钻具造斜率预测研究［J］.石油天然气学报，2010（3）：108-112，409.

［6］王建军，张绍槐，狄勤丰，等.偏心垫块对螺杆钻具造斜能力影响的预测方法［J］.石油机械，1994（12）：25-27，62.

［7］梁奇敏.丛式井定向钻井造斜工具面的优化控制分析［J］.石油机械，2013（9）：41-43.

［8］唐雪平，陈祖锡，汪光太，等.中短半径水平井弯壳螺杆钻具造斜率预测方法研究［J］.钻采工艺，2000（3）：15-20.

［9］范涛春.中短半径水平井螺杆钻具力学性能分析［D］.中国石油大学（北京），2007.

［10］卫增杰.中短半径水平井螺杆钻具力学性能分析［D］.西南石油学院，2005.

［11］唐雪平，苏义脑，葛云华，等.旋转导向钻具组合力学分析［J］.力学与实践，2013（1）：55-59.

［12］苏义脑.极限曲率法及其应用［J］.石油学报，1997（3）：112-116.

TE921.2

A

1004-5716（2016）04-0079-04

2015-04-07

2015-04-14

重大专项子课题“高扭矩马达关键技术研究及样机开发”2011ZX05024-003-03。

吕加华（1991-），男（汉族），安徽安庆人，长江大学机械工程学院在读硕士研究生，研究方向：井下工具的设计、诊断及动态仿真。

简介：钱利勤（1982-），女（汉族），江苏苏州人，讲师，现从事机械及仿真分析研究工作。