单弯螺杆钻具组合滑动钻进造斜率预测方法_胡广强.pdf

2023年第2期西部探矿工程*收稿日期：2021-12-29第一作者简介：胡广强（1980-），男（汉族），甘肃景泰人，工程师，现从事钻井工艺等方面的研究工作。单弯螺杆钻具组合滑动钻进造斜率预测方法胡广强*1，周太彬1，刁斌斌2，刘喆2，刘瑞2（1.中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 乌鲁木齐 830011；2.中国石油大学，北京 100249）摘要：准确预测单弯螺杆钻具组合滑动钻进的造斜率有助于井眼轨道的优化设计和钻具组合的优选，提高井眼轨迹的控制质量。根据折算造斜率的定义，结合三维钻速方程，建立了单弯螺杆钻具组合滑动钻进的造斜率计算方法，分析了螺杆弯角、钻压、钻头各向性指数、井斜角等参数对滑动钻进造斜率的影响规律。结果表明，单弯螺杆钻具组合滑动钻进造斜率与钻具结构、钻头性能、钻进参数和井眼轨迹参数等因素密切有关；单弯螺杆钻具组合滑动钻进井段井斜角和方位角的变化是钻具组合在杠杆效应和钟摆效应作用下与地层相互作用的结果。本方法对井眼轨迹的控制具有重要意义。关键词：定向钻井；轨迹控制；单弯螺杆钻具；造斜率；滑动钻进中图分类号：TE242 文献标识码：A 文章编号：1004-5716(2023)02-0031-04在定向钻井工程中，结合转盘或顶驱装置，可以实现单弯螺杆钻具组合在井下滑动钻进或复合钻进，而且滑动钻进时能够快速造斜，复合钻进时能够达到稳斜、微增或微降斜的目的，因此单弯螺杆钻具组合得到了广泛应用。准确预测单弯螺杆钻具组合造斜率是导向钻具组合设计和井眼轨迹控制的基础。国内外学者针对导向钻具组合造斜率的预测问题，提出了多种计算方法，主要包括几何法2-4、力学法5-8和统计法9-10等。几何法简单易用，忽略了钻具刚度和钻井参数等因素的影响；统计法建立在数理统计基础上，需要同一地区多口井的实钻资料；力学法以底部钻具组合的受力分析为基础，其代表Birades和Fenoul5提出的平衡曲率法和苏义脑6提出的极限曲率法，但是这两种方法都局限于二维模型。黄文君等人8基于极限曲率法将造斜率计算方法扩展至三维，建立了极限造斜率和折算造斜率的计算方法，但针对的是推靠式旋转导向钻具组合。笔者基于前人的研究成果，提出了单弯螺杆钻具组合滑动钻进造斜率的计算方法，并分析了钻具结构、钻进参数、钻头各向异性和地层倾角对单弯螺杆钻具组合滑动钻进造斜率的影响规律。1三维钻速方程如图1所示，以垂直于地层层面并指向外法线方向为zf轴，以地层层面上倾方向为xf轴，以地层走向为yf轴，建立地层坐标系；以垂直于井底平面并指向外法线方向为zh轴，以井眼高边方向为xh轴，yh轴同时正交于xh轴和zh轴，建立井底坐标系；以钻柱变形后指向上方的切线方向为zb轴，以井眼高边方向为xb轴，yb轴同时正交于xb轴和zb轴，建立钻头坐标系。图1坐标系的建立以钻头、螺杆弯点、各跨稳定器、管柱与井壁的可能接触位置为节点，单弯螺杆钻具组合可以近似为一系列纵横弯曲梁的组合，若同时忽略轴向力的变化和扭矩的影响，那么其变形的控制方程可表示为11：d4ukds4+dds|TEIdukds=Qk()k=1,2（1）式中：u1、u2管柱在xh轴和zh轴方向上的横向位移；s管柱任意一点的弧长；EI相应的抗弯刚度；312023年第2期西部探矿工程T作用于单弯螺杆钻具组合的轴向力；Q1、Q2单位长度的单弯螺杆钻具组合所受外力在xh轴和zh轴方向上的分量。钻头处的边界条件是钻头处钻柱位移为0，以及钻头弯矩为0。上切点处的边界条件如下8：|uk,N+1()Lk,N+1=|1k+krN+1cosk,N+1-1kuk,N+1()Lk,N+1=-()1+krN+1ksink,N+1uk,N+1()Lk,N+1=-k()1+krN+1kcosk,N+1（2）式中：uk、ukuk的1阶导数和2阶导数；N钻具组合上节点的个数；Lk,N+1上切段长度在井斜和方位平面上的分量；k无因次系数（1=1和2=0）；rN+1上切点处的井眼视半径；k,N+1钻头至上切点的狗腿角在井斜和方位平面上的投影；1、2井眼曲率在井斜和方位平面上的分量。在钻具组合的力学分析中，相邻两跨段连接处的钻柱位移、转角及弯矩均连续；如果在两跨段的连接处与井壁接触，那么会发生剪力间断。在单弯螺杆钻具组合的弯点处，由于螺杆弯角的影响，使钻具组合在螺杆弯点处发生转角间断。如果螺杆弯点与井壁接触，那么弯点处位移、转角、弯矩的连续条件可表示为：|uk,j()Lk,j=uk,j+1()0u1,j()Lk,j=u1,j+1()0+cos()u2,j()Lk,j=u2,j+1()0+sin()EIjuk,j()Lk,j=EIj+1uk,j+1()0（3）式中：Lk,j第j跨的长度；螺杆弯角；工具面角；EIj、EIj+1第j和j+1跨管柱的抗弯刚度。如果螺杆弯点与与井壁接触，那么位移、转角、弯矩、剪力的连续条件可表示为：|uk,j()Lk,j=uk,j+1()0u1,j()Lk,j=u1,j+1()0+cos()u2,j()Lk,j=u2,j+1()0+sin()EIjuk,j()Lk,j=EIj+1uk,j+1()0EIjuk,j()Lk,j=EIj+1uk,j+1()0（4）结合钻具组合的变形控制方程、边界条件和连续条件，利用加权余量法，可以求得试挠度函数的待定系数，进而可求解出钻头侧向力和转角。然后，根据钻头与地层的相互作用模型，三维钻速方程可表示为12：|V1V2Va=DnMTe|Ir1Ir21MeMTb|IbIb1Mb|Fb,1Fb,2Wb（5）式中：Va钻头轴向钻速；V1、V2钻头侧向钻速在井斜平面和方位平面的分量；Dn标准（法向）钻井效率；Me井底坐标与地层坐标的转换矩阵；Mb井底坐标与钻头坐标的转换关系；Ir1、Ir2地层的各向异性指数；Ib钻头的各向异性指数；Wb钻压；Fb,1、Fb,2钻头侧向力在井斜和方位平面上的分量。2造斜率的计算极限造斜率是侧向钻速为零对应的井眼曲率。根据极限造斜率的定义，其计算模型如下8：|V1()1V2()2=00（6）式中：1、2单弯螺杆钻具组合滑动钻进时在井斜平面和方位平面上的极限造斜率。求解非线性程组式（6）可得在井斜平面和方位平面上的极限造斜率。根据井眼曲率与井斜变化率和方位变化率的关系，可知钻具组合的折算造斜率可表示为：c=c 21+22sin2（7）式中：c单弯螺杆钻具组合滑动钻进时的折算造斜率；井斜角；c单弯螺杆钻具组合滑动钻进极限造斜率的折算系数。折算系数表示钻进过程对造斜率影响的大小，折算系数越小表示钻进过程对造斜率的影响越大。而且，折算系数的值需要结合实钻轨迹资料反演求得。3实例分析以新疆某油田某井造斜井段采用的单弯无稳钻具组合进行分析，如图2所示。其具体结构为：149.2mmPDC钻头+121mm螺杆（1.5弯角）+127mm浮阀+120mm无磁钻铤+120mmMWD短节+88.9mm加重钻杆+88.9mm 钻杆。在该井段，井斜角由27.19增加至72.68，方位角由83.85变化至87.85。钻头各向异性指数为0.7，钻压为3040kN。图3为根据实钻轨迹定向井段测斜数据得到的该井段实际造斜率，以及利用造斜率预测模型得到的不322023年第2期西部探矿工程同折算系数下的计算结果。结果表明，折算系数取0.7时，折算造斜率与实际造斜率比较符合。分别以计算的极限造斜率和实际造斜率为输入值和输出值，进行线性拟合，可得折算系数取0.686时，折算造斜率与实际造斜率更为吻合，如图4所示。结果表明，在该造斜井段，由于钻具组合的钟摆效应，随井斜角的增大，造斜率总体呈现减小趋势。图3不同折算系数造斜率与实际造斜率的对比图5为井斜角为27.19时不同钻压条件下不同弯角的单弯螺杆钻具组合滑动钻进造斜率。结果表明，弯角不变时，随着钻压的增大，杠杆效应增大，导致滑动钻进造斜率增大；钻压不变时，滑动钻进造斜率随着弯角的增大而增大。图6为井斜角为27.19时不同钻头各向异性指数条件下不同弯角的单弯螺杆钻具组合滑动钻进造斜率。结果表明，随着钻头各向异性指数的增大，滑动钻进造斜率呈现增大的趋势；钻头各向异性指数不变时，滑动钻进造斜率随着弯角的增大而增大。这是由于随着钻头各向异性指数的增大，钻头的侧向切削能力增加，导致钟摆效应增大。4结论（1）结合实钻轨迹资料，根据零侧向钻速准则求得的折算造斜率，可以满足单弯螺杆钻具组合滑动钻进造斜率的预测需求。（2）单弯螺杆钻具组合滑动钻进造斜率与钻具结构、钻头性能、钻进参数和井眼轨迹参数等因素密切有关。（3）单弯螺杆钻具组合滑动钻进井段井斜角和方位角的变化主要是钻具组合在杠杆效应和钟摆效应作用下与地层相互作用的结果。参考文献：1李绪锋.弯螺杆钻具水平段导向钻进稳斜能力分析J.钻采图4计算造斜率与实际造斜率的对比图5不同弯角螺杆钻具组合滑动钻进造斜率随钻压的变化图2单弯无稳钻具组合示意图332023年第2期西部探矿工程工艺,2012,35(3):98-100.2KARISSON H,BRASSFIELD T.Performance Drilling OptimizationC/SPE/IADC Drilling Conference,5-8 March 1985,NewOrleans,Louisiana,USA.DOI:10.2118/13474-MS.3HASSEN B R,MacDonald A J.Field Comparison of Medium-and Long-radius Horizontal Wells Drilled in the Same ReservoirC/IADC/SPE Drilling Conference,27 February-2 March,1990,Houston,Texas,USA.DOI:10.2118/19986-MS.4SUGIURA J.Optimal BHA Design for Steerability and Stabilitywith Configurable Rotary-steerable SystemC/SPE Asia Pacific Oil and Gas Conference and Exhibition,20-22 October 2008,Perth,Australia.DOI:10.2118/114599-MS.5BIRADES M,FENOUL R.A Microcomputer Program for Prediction of Bottomhole Assembly TrajectoryJ.SPE Drilling&Completion,1988,3(2):167-172.6苏义脑.极限曲率法及其应用J.石油学报,1997,18(3):112-116.7狄勤丰.下部钻具组合造斜能力的影响因素分析J.石油钻探技术,2000,28(1):39-41.8黄文君,王舸,高德利.推靠式旋转导向工具造斜率预测方法J.天然气工业,2021,41(7):101-106.9BRADLEY W B.Factors Affecting the Control of Borehole Angle in Straight and Directional WellsJ.Journal of PetroleumTechnology,1975,27(6):679-688.10管志川,史玉才,夏焱,等.底部钻具组合运动状态及钻进趋势评价方法研究J.石油钻探技术,2005,33(5):24-27.11郭宗禄,高德利,张辉.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):19-24.12潘起峰,高德利.地层力计算新模型J.中国石油大学学报:自然科学版,2006(3):50-54.图6不同弯角螺杆钻具组合滑动钻进造斜率随钻头各向异性指数的变化（上接第30页）（1）二叠系以浅地层可钻性好，GL3-H1井、GL3-H3井优用PDC+螺杆，分别完成进尺3146m、3108m，机械钻速显著提高。（2）二叠系优