“S”型定向井钻具组合受力分析

李俊胜，王辉东，姜朝民

（西部钻探定向井技术服务公司，新疆乌鲁木齐830026）

1 概述

“S”型定向井剖面类型普遍采用“直—增—稳—降—稳(直)”和“直—稳—增—降—稳(直)”2种剖面类型。轨迹控制难度大，准确预测钻具组合的造斜率和预防钻具失效是实现该类定向井优质高效钻井的关键技术。为此,国内外在导向钻具组合的力学特性分析方面开展了大量的研究工作,并取得了丰硕成果，高德利、苏义脑、李子丰等学者都提出过下部钻具组合(BHA)导向时钻头上的侧向力的计算方法和模型，并在实际生产中取得了较好的效果。

研究发现钻具失效事故发生井段多为“S”形井上部井段井眼曲率较大处。前期在“S”形井和大斜度井等复杂轨迹井眼钻具设计时，绝大部分只考虑钻具所受的扭矩、起下的拉伸载荷以及是否发生屈曲变形，而关于井眼弯曲处对钻具应力的影响没有充分考虑。在“S”形复杂轨迹井眼中，井眼弯曲会对钻具产生疲劳破坏，从而严重影响钻具寿命，是钻具设计中不可忽略的要素。因此，对“S”形井眼钻具组合进行力学分析至关重要。

2 “S”型定向井技术难点

（1）由于该类定向井裸眼井段长，在同一裸眼井段需要完成直—造斜（开窗）—稳斜—降斜—稳斜，对钻具组合的导向能力要求高，钻具组合导向能力预测难度大。

（2）该类定向井井眼中有2个异向“拐点”，在这2个“拐点”处应力集中，侧向力大，托压严重，轨迹控制效率低，易出现钻具事故。

（3）剖面设计要求高，造斜段的造斜率和降斜段的降斜率设计不合理会为下部施工带来隐患，易形成“键槽”，影响下步施工，造成起钻阻卡和钻进中井下复杂。

3 YC200井设计

3.1 井身结构

YC200井设计井身结构见图1。

图1 YC200井井身结构图

3.2 井眼轨迹设计

轨迹设计为“直—增—稳—降—稳(直)”剖面。增斜后，进入目的层以前要降斜到零度，下部目的层为垂直段钻进。经分析计算，认为造斜段造斜率选择在4.5°/30m为宜，降斜段降斜率也不宜过高，降斜率选择在1.9°/30m为宜，YC200井设计井眼轨迹数据见表1。

表1 YC200井剖面数据

3.3 设计钻具组合

钻具组合1：∅215.9mmPDC+∅172mm弯螺杆+浮阀+定向接头+∅127mm无磁钻杆（1根）+∅127mm钻杆（45根）+∅127mm钻杆。

钻具组合2：∅152.4mmPDC钻头+∅127mm螺杆+浮阀+定向接头+∅88.9mm无磁钻杆（1根）+∅88.9mm加重钻杆（45根）+∅88.9mm钻杆+101.6钻杆（3000m）。

4 YC200井实钻数据

YC200井实钻井眼轨迹见图2。

5 钻具组合受力分析

第一趟钻采用设计造斜钻具组合，按设计轨迹要求钻至设计井斜，并稳斜钻进至降斜井段，托压严重无法完成定向作业，更换降斜钻具组合：∅215.9mmPDC钻头(SFD54H3)+∅172mm（直螺杆）+浮阀+∅165mm无磁钻铤（1根）+∅212mm稳定器+∅165mm定向接头+∅127mm无磁钻杆（1根）+∅127mm无磁钻杆（1根）+∅127mm加重钻杆（45根）+∅127mm钻杆。

图2 YC200井轨迹图

本趟钻井斜由17°降至9°，造斜率由-2.285°降至-1.582°，随着井斜角的减小，降斜能力逐渐减弱。与通过理论计算基本一致，理论计算数据见表2。

表2 YC200井造斜率[(°)/30m]

对本趟钻受力情况的计算分析，侧向力计算分析结果见图3，在4100m和4650～4700m处异常，均超过经验上限值。结合实钻轨迹情况，这2个井段分别是开窗井段和从最大井斜开始降斜井段。

本趟钻钻柱屈曲计算分析结果见图4，正弦屈曲和螺旋屈曲均在极限范围内。

后续钻进时的钻具组合受力分析显示，侧向力与上趟钻一样都是在4100m和4650～4700m处异常。钻柱正弦屈曲和螺旋屈曲均在极限范围内。

6 结论与认识

图3 YC200井侧向力分析

图4 YC200屈曲分析

（1）“S”型井眼轨迹钻柱与增、降斜段的井壁接触面增大，导致滑动钻进困难。因此，井眼轨迹的调整要尽量放在上部井段完成，以免下部滑动钻进中调整轨迹困难。同时，为避免随着井眼曲率的增大，钻具疲劳破坏增加，轨迹力求平滑，减小上部井段曲率。

（2）建议现场在采用单弯螺杆钻具配合PDC钻头进行复合钻井，可依据不同的地层、井段和井眼轨迹的需要选用“小弯角螺杆或直螺杆+PDC”的复合方式钻井。

（3）在托压严重井段推荐采用常规定向+水力震荡器组合方式，钻具中加装滚轮减阻工具等方式缓解托压问题、实现钻压的有效传递。

（4）在“S”型复杂轨迹井眼中，井眼弯曲会对钻具产生疲劳破坏，是钻具设计中不可忽略的要素，必须对钻具组合进行力学分析，优化钻具组合设计。