单稳定器钟摆钻具组合优化设计

　[收稿日期]2009206208

　[作者简介]史连超(19812),男,2006年大学毕业,硕士生,现主要从事石油钻井、岩石力学及其在石油工程中的应用方面的研究

工作。

单稳定器钟摆钻具组合优化设计

史连超,楼一珊　油气钻采工程湖北省重点实验室(长江大学)

长江大学石油工程学院,湖北荆州434023

李贵宾　(渤海钻探第三钻井工程分公司,天津300280)

魏　威　(吐哈油田分公司井下技术作业公司,新疆鄯善838200)

查　旋,李　影　(河南油田石油工程技术研究院,河南南阳473132)

[摘要]X 油田部分构造属于山前构造带,地质构造十分复杂,钻井过程中使用常规的单稳定器钟摆钻具

组合井斜难以控制。为了提高单稳定器钟摆钻具的降斜力,应用纵横弯曲法,研究单稳定器钟摆钻具组

合取得最大降斜力时稳定器的安放位置。根据纵横弯曲法计算钻头侧向力的模型,应用VB610语言编制

了下部钻具受力分析软件,计算了单稳定器钟摆钻具组合稳定器安放的合理位置。通过计算和现场应用

分析,,为山前构造地带选择合理的钻具组合

提供了依据。

[关键词]钟摆钻具组合;防斜;钻头侧向力;纵横弯曲法;降斜力

[中图分类号]TE22[文献标识码]A [文章编号]100029752(2009)0520309203

X 油田部分构造属山前构造特征,地质构造十分复杂,地层倾角大,地层自然造斜力强。侏罗系及以下地层多为玄武岩和凝灰岩,地层胶结致密,具有强研磨性和低可钻性,钻井过程中使用常规的单稳定器钟摆钻具组合不能有效地控制井斜,部分直井井斜角达到813°,严重影响了井身质量。为了解决直井钻进中井斜过大的问题,提高单稳定器钟摆钻具组合防斜效果,笔者对该油田使用的单稳定器钟摆钻具组合进行了优化。在井斜控制技术中,钻头侧向力是衡量井斜控制效果的关键参数[1],根据纵横弯曲法计算钻头侧向力模型,应用VB610语言编制了下部钻具受力分析软件,对于单稳定器钟摆钻具组合中稳定器的合理位置进行了计算,确定了单稳定器钟摆钻具组合稳定器最佳安放位置和稳定器的最佳尺寸,优化后的单稳定器钟摆钻具组合在现场取得了很好的防斜效果,成为X 油田主要的防斜技术。1　地层造斜力和钻头侧向力的计算

111　地层造斜力的计算

井斜产生的主要原因是地层造斜力的作用,正确地计算出地层自然造斜力的大小,对于控制井斜非常重要。在地层造斜作用基本稳定情况下,地层造斜力F f 为[2]:

F f =-h tan (β-α)P B [1-h +tan 2(β-α)](1)

式中,“-”表示F f 沿X 轴反向,即指地层上倾方向;h 为地层各向异性指数;F f 为地层自然造斜力,kN ;β

为地层倾角,(°

);α为井斜角,(°);P B 为钻压,kN 。112　钻头侧向力的计算

为了有效平衡地层自然造斜力,常采用带稳定器的钟摆钻具组合,其防斜原理就是利用钻柱下部悬臂段产生的钟摆力,制约钻头上受到的侧向力,从而控制井斜。

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903・石油天然气学报(江汉石油学院学报)　

2009年10月　第31卷　第5期Journal of Oil and G as T echnology (J 1J PI )　Oct 12009　Vol 131　No 15

由于纵横弯曲法具有求解精度高,运算速度快,便于在现场推广和普及等优点,因此采取纵横弯曲法求解钻头侧向力。

根据纵横弯曲理论,不论有多少个稳定器,都可根据静力平衡条件,对第一个稳定器取力矩来确定钻头侧向力[3]:

F Z =-P B y 1L 1+W 1L 1sin α2+M 1L 1

(2) y 1=

KL 212-e 1(3) e 1=12

(D 0-D S1)(4)式中,F Z 为钻头侧向力,kN (这里规定F Z ﹥0时为增斜力,F Z ﹤0时为降斜力);y 1为第一个稳定器中心点的纵坐标;W 1为第一跨钻柱在钻井液中的线重量,N/cm ;M 1为第一个稳定器处的内弯矩,N ・cm ;L 1为第一跨钻柱的长度,m ;e 1为第一稳定器与井眼的间隙,mm ;D 0为井眼直径,mm ;D S1为第一个稳定器的外径,mm ;K 为井眼曲率。

2　稳定器的位置及合理尺寸的选择表1　不同的L 1时单稳定器钟摆钻具降斜力稳定器位置L 1/m 钻头侧向力F Z /kN 3017976012139-0122412-0151715-0163118-0172621-0167124-0153227-01503表2　不同间隙e 1时单稳定器钟摆钻具降斜力间隙e 1/cm 钻头侧向力F Z /kN 0-01746011-01673012-01601013-01527014-01457015-01378

根据上述计算钻头侧向力的模型,应用VB610语言

编制了下部钻具受力分析软件,对X 油田 216mm 井眼

使用的单稳定器钟摆钻具组合进行优化,得出了稳定器最

佳安放位置(如表1)。钻井参数:钻压为100kN ,泥浆

密度为1115g/cm 3,井斜角为5°。

从表1可以看出,当采用近钻头稳定器时,钻具组合

具有很强的增斜力。随着L 1的增大,增斜力下降,并逐渐

趋向降斜力。当L 1为18m 时,降斜力达到最大值,此时

防斜效果最佳;随着稳定器的继续上移,则第一跨钻柱将

会与井壁出现新的接触点,降斜力也会逐渐降低。所以稳

定器的最佳安放在18m ,即离钻头大约2根钻铤的距离。

在钻井过程中,随着井径的扩大、稳定器的磨损,井

壁与稳定器之间的间隙是存在的。这种间隙会影响钻头侧

向力的大小,从而制约钟摆钻具的防斜效果。钻头侧向力

对稳定器与井壁间的间隙e 1非常敏感。如表2,随着间隙e 1

的增大,钻头侧向力F Z 迅速下降。在选择稳定器的时候尽

量选择满眼的,防斜效果会更加理想。钻井参数:钻压为

100kN ,泥浆密度为1115g/cm 3,井斜角为5°。3　现场应用及效果分析

A 井和

B 井是X 油田的两口相邻的开发井,所在区块属于山前构造。这两口井二开均使用了单稳定器钟摆钻具来防止井斜,该段地层为侏罗系,地层倾角高达53°以上,岩性主要为灰绿色凝灰质砾岩夹杂部分砂岩、泥岩,可钻性差,井斜难以控制。

A 井井身结构为:一开: 375mm 钻头钻至204m , 27311mm 套管下至203182m ;二开: 216mm 钻头钻至1670m , 13917mm 套管下至1639m 。A 井(1255～1451m )使用的钻具组合: 216mm 钻头+ 178mm 钻铤×1根+ 214mm 稳定器+ 159mm 钻铤×12根+ 127mm 钻杆。使用钻井参数:钻压为100kN ,采用转盘转速100r/min ,立管泵压17M Pa ,排量60L/s ,平均机械钻速

・013・　石油天然气学报(江汉石油学院学报)2009年10月