一种防斜打快钻井技术的提速机制及实践

张进双，王春辉，张贤印

(1.中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院，北京100101；2.中石化胜利石油工程有限公司塔里木分公司，新疆乌鲁木齐830011)

大倾角地层井眼易斜且控制困难，如何实现防斜打快、确保成井质量是钻井业者迫切需要解决的技术难题。在造斜性强的地层中，常规防斜、纠斜底部钻具组合（BHA-Bottom Hole Assembly）是以牺牲钻速换取井身质量，导致钻井周期长、钻井费用高，如何高效防斜、纠斜、打快是当务之急[1-3]。常规钟摆钻具组合以控制BHA 变形为基础，难以释放钻压，“轻压吊打”方式无法提高钻井速度，使钻井效益受到严重影响[4-5]。为了保证井斜控制质量的前提下提高机械钻速，提出了“动力学防斜打快理论”，施加适当钻井参数BHA保持涡动，可以部分解放钻压实现一定程度的防斜打快[6-7]。预弯曲动力学防斜打快技术利用BHA 在井眼中的涡动特征消除钻头轴线的指向作用，引发偏向下井壁方向的侧向力。现有研究将预弯防斜打快BHA 的提速作用简单归因于钻压的提高，对涡动状态下BHA的动力学特征及其钻井提速内在机制关注较少，有待进一步研究。本文对预弯防斜打快BHA 的动力学特性进行了深入研究，分析了不同弯角条件下钻头动态侧向力，明确了涡动条件诱致的动态轴向力特征，在此基础上揭示了预弯防斜打快BHA的防斜、提速机制。

1 预弯防斜打快BHA动力学模型

预弯防斜打快BHA一般有两个稳定器（分别为近钻头稳定器和上稳定器）和一个预弯短节（或单弯螺杆），见图1(a)，两个稳定器间中点处钻铤横截面投影如图1(b)。以该位置对应井眼轴线为原点，建立直角坐标系o-xyz，oy 指向井眼高边方向，oz 指向井底方向。预弯结构的存在、钻具加工制造不可避免的误差和可能的弯曲变形，使得钻柱质心与其几何中心存在偏心距e0。用极坐标（q,θ）和直角坐标( x1,y1)可以描述出钻柱几何中心的位置，质心的直角坐标位置可表示为[ x1+e0cos(Ωt)，y1+e0sin(Ωt)]，其中Ω 为钻铤旋转速度（rad/s），t 为时间（s）。可以求出作用在BHA质心和几何中心的惯性力以及稳定器和井壁间的接触力，理论推导得到预弯防斜打快BHA 的通用动力学模型[8-9]：

图1 预弯动力学防斜打快钻具组合(a)及截面A-A投影图(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——钻铤与稳定器的间隙：c0=(Dh-D0)/2；

cf——流体等效粘滞系数；

m——预弯梁等效质量，kg；

mf——钻井液等效质量，kg；

q——钻铤几何中心径向变形，m；

e0——钻柱质心偏心距，m；

s0——稳定器与井壁间隙，m；s0=(Dh-Ds)/2；

Dh——井径，m；

Ds——稳定器外径，m；

ζ0=s1/c0；

s1——BHA预弯初始挠度，m；

k——钻铤的等效抗弯刚度系数；

a——钻柱初始挠度对转子质心的影响因子，若初始弯曲为正弦曲线时a=2/π，反映预弯程度的影响；

Qk——反映井壁接触力的影响，井眼半径较小时可忽略；

i——复数的虚数单位。

Qg——反映井斜角的影响：

式中：g——重力加速度，m/s2；

fb——浮力系数；

α——井斜角，rad。

通过求解，可以得到钻头上的防斜力：

式中：EIn——各段梁抗弯刚度，N·m2；

Ln——各段梁长度，m；

δj——扶正器与井壁间隙，m。

任一时刻横向运动引起的钻头动态轴向力如下：

式中：kz——地层刚度系数，即井底地层单位面积上法向位移对应的力，一般取kz=6.78×1011N·m3；

θy——钻头动态轴向合力相对井眼低边的转角，rad；顺时针为正，逆时针为负。

式中：L1——钻头到近钻头稳定器之间长度，m；

L2——两个稳定器之间距离，m；

EI ——钻铤抗弯刚度，N·m2；

δ1——近钻头稳定器与井壁间隙，m；

δ2——上稳定器与井壁间隙，m；

θpb——BHA预弯角，rad。

对上述模型数值求解时将钻头简化为球型铰约束，上稳定器以上长度L3由上部钻柱与井壁相切的初始条件（挠角为零）确定，并且在后继时刻保持上端挠角为零。稳定器长度不计，井壁对稳定器的约束为动态约束，运算时进行实时判断。

2 预弯防斜打快BHA动力学特性

我国华北地区受地质构造运动影响，地层倾角大、岩性复杂多变，中国石化东胜气田部署的JPH-404 井为确保井眼质量，二开直井段采用预弯曲动力学防斜打快技术，井底钻具组合结构设计为：∅222.3mmPDC钻头×0.32m+∅172mm(1.25°)螺杆（带∅215mm 稳定器，即近钻头稳定器）×8.14m+∅219mm×稳定器（即上稳定器）1.57m+无磁钻铤×9.18m+411×4A10 接头×0.49m+定 向 接 头×0.74m+4A11×410 接 头×0.49m+∅165mm钻铤×111.71m+∅127mm钻杆。现场钻井工艺参数如下：钻压40～80kN，转盘转速40r/min，钻井液密度1.04～1.08g/cm3。上述BHA（L1=1m，L2=8m；L21=1m）在给定钻井参数下的动力学特性分析结果如图2～图5所示。

图2 钻铤形心涡动轨迹

图2 为钻铤等效质量中心所在横截面形心的涡动轨迹。从图中可以看出BHA的涡动状态，由于预弯角的存在，钻铤形心具有较规则的涡动特征。1°井斜角条件下，重力作用使钻具组合形心的轨迹偏向下井壁。

图3 钻铤形心涡动速度时程曲线

图4为作用在钻头上的动态侧向载荷。可以发现，钻头上的动态侧向力随BHA涡动而发生变化，并具有一定的规律，合侧向力约-6.94kN，体现为较大的防斜力。

图4 钻头侧向力分析相图

图5 为BHA 涡动诱致的钻头动态轴向力二维分布。该图清楚表明，由于涡动作用，使得钻头对井底岩石产生附加不均匀动态作用力，平均约为22.30kN。这一周期性的动态轴向冲击载荷有利于钻头对井底岩石的破碎。

3 预弯曲动力学防斜打快技术的提速机制

合理选择预弯防斜打快BHA的结构参数对防斜打快效果至关重要，一方面需要能提供较大的动态防斜力，另一方面需要保证BHA具有稳定的运动状态。与常规钟摆BHA相比，预弯防斜打快BHA可以施加较大的钻压。大量的实践结果表明，预弯防斜打快BHA的钻压最小可以达到钟摆极限钻压的150%，最大达700%。这也是长期以来人们对“提速”机制的直观认识。

从预弯防斜打快BHA动力学特征分析结果（图5）可以看出，由于涡动产生了附加的动态轴向力，冲击作用下有利于钻速的提高。由于弯角的存在，外力作用下的BHA发生了较大变形，使得钻头轴线与井眼轴线方向产生了一个偏转角，这一偏转角使钻头端面对岩石形成不平衡作用力，有利于钻头破岩。表2列出了不同弯角条件下，钻头上的动态侧向力和涡动引起的动态轴向力大小。

图5 涡动诱致的钻头动态轴向力

表2 给定BHA的动态侧向力和涡动诱致动态轴向力

从表中可以看出，随着弯角的增大，动态防斜力在1.5°弯角时达到最大，之后急剧下降。动态轴向力则随着弯角的增加而增加，1.75°弯角时为30.5kN。针对本文所给的BHA，将弯角控制在1°～1.5°对控斜和提速都有较大益处。

4 预弯曲动力学防斜打快技术现场应用

东胜气田JPH-404 井位于鄂尔多斯盆地，受地质构造运动影响，地层倾角大、岩性复杂多变。为确保井眼质量，二开直井段采用了预弯曲动力学防斜打快技术，井底钻具组合结构设计为：∅222.3mmPDC 钻头×0.32m+∅172mm(1.25°)螺杆（带∅215mm稳定器，即近钻头稳定器）×8.14m+∅219mm×稳定器（即上稳定器）1.57m+无磁钻铤×9.18m+411×4A10接头×0.49m+定向接头×0.74m+4A11×410 接头×0.49m+∅165mm 钻铤×111.71m+∅127mm 钻杆；钻井工艺参数：钻压40～80kN，转盘转速40r/min，钻井液密度1.04～1.08g/cm3。该井斜控制和提速效果显著，最大井斜角1.58°，井身质量优质，机械钻速达43.38m/h，同比提高60%提升，钻井周期45.5d，创工区工程纪录。

永301 井是部署在准噶尔盆地车—莫古隆起南翼的一口评价直井，距离新疆维吾尔自治区石河子市东北约49.6km。采用预弯BHA动力学防斜打快技术，钻具组合：311.2mmPDC 钻头+244.5mm 0.5°单弯螺杆（H5LZ244×7.0-3.5-0.5°）+228.6mmDC×1 根+630×731+307mm 扶正器+单流阀+坐键接头+203.2mm 无磁 钻 铤× 1 根+ 203.2mmDC × 5 根+ 410 × 631 +177.8mmDC×7 根+127mmHWDP×15 根+127mmDP；钻进参数：钻压60kN，转速50r/min+螺杆，排量41L/s，泵压22MPa；泥浆性能：密度1.14g/cm3，粘度36s；岩性：古近系棕红色泥岩。钻进井段2207～2755m，进尺548m，机械钻速7.05m/h，同比邻井提高39%，随钻测量最大井斜1.65°。

5 结论和建议

（1）预弯防斜打快BHA 利用预弯结构有效控制BHA变形和涡动，产生的较大动态防斜力有利于井眼打直，而较大静态钻压和涡动诱致动态不均匀轴向载荷联合作用是其提速内在机制：一是可以施加远大于钟摆BHA 的钻压实现钻井提速；二是BHA 涡动产生额外的动态轴向力，周期脉动冲击提高破岩效率；三是弯角的存在引发BHA变形，钻头轴线与井眼轴线存在瞬态偏角，使井底岩石受到非均匀挤压有利破岩。

（2）弯角大小是影响防斜打快效果的关键因素，存在最佳弯角值使预弯防斜打快BHA的防斜力最大，但应综合考虑预弯曲钻井组合结构安全性和井眼通过能力。