李俊勝，王輝東，姜朝民

（西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆烏魯木齊830026）

1 概述

“S”型定向井剖面類型普遍采用“直—增—穩(wěn)—降—穩(wěn)(直)”和“直—穩(wěn)—增—降—穩(wěn)(直)”2種剖面類型。軌跡控制難度大，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)鉆具組合的造斜率和預(yù)防鉆具失效是實(shí)現(xiàn)該類定向井優(yōu)質(zhì)高效鉆井的關(guān)鍵技術(shù)。為此,國(guó)內(nèi)外在導(dǎo)向鉆具組合的力學(xué)特性分析方面開(kāi)展了大量的研究工作,并取得了豐碩成果，高德利、蘇義腦、李子豐等學(xué)者都提出過(guò)下部鉆具組合(BHA)導(dǎo)向時(shí)鉆頭上的側(cè)向力的計(jì)算方法和模型，并在實(shí)際生產(chǎn)中取得了較好的效果。

研究發(fā)現(xiàn)鉆具失效事故發(fā)生井段多為“S”形井上部井段井眼曲率較大處。前期在“S”形井和大斜度井等復(fù)雜軌跡井眼鉆具設(shè)計(jì)時(shí)，絕大部分只考慮鉆具所受的扭矩、起下的拉伸載荷以及是否發(fā)生屈曲變形，而關(guān)于井眼彎曲處對(duì)鉆具應(yīng)力的影響沒(méi)有充分考慮。在“S”形復(fù)雜軌跡井眼中，井眼彎曲會(huì)對(duì)鉆具產(chǎn)生疲勞破壞，從而嚴(yán)重影響鉆具壽命，是鉆具設(shè)計(jì)中不可忽略的要素。因此，對(duì)“S”形井眼鉆具組合進(jìn)行力學(xué)分析至關(guān)重要。

2 “S”型定向井技術(shù)難點(diǎn)

（1）由于該類定向井裸眼井段長(zhǎng)，在同一裸眼井段需要完成直—造斜（開(kāi)窗）—穩(wěn)斜—降斜—穩(wěn)斜，對(duì)鉆具組合的導(dǎo)向能力要求高，鉆具組合導(dǎo)向能力預(yù)測(cè)難度大。

（2）該類定向井井眼中有2個(gè)異向“拐點(diǎn)”，在這2個(gè)“拐點(diǎn)”處應(yīng)力集中，側(cè)向力大，托壓嚴(yán)重，軌跡控制效率低，易出現(xiàn)鉆具事故。

（3）剖面設(shè)計(jì)要求高，造斜段的造斜率和降斜段的降斜率設(shè)計(jì)不合理會(huì)為下部施工帶來(lái)隱患，易形成“鍵槽”，影響下步施工，造成起鉆阻卡和鉆進(jìn)中井下復(fù)雜。

3 YC200井設(shè)計(jì)

3.1 井身結(jié)構(gòu)

YC200井設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 YC200井井身結(jié)構(gòu)圖

3.2 井眼軌跡設(shè)計(jì)

軌跡設(shè)計(jì)為“直—增—穩(wěn)—降—穩(wěn)(直)”剖面。增斜后，進(jìn)入目的層以前要降斜到零度，下部目的層為垂直段鉆進(jìn)。經(jīng)分析計(jì)算，認(rèn)為造斜段造斜率選擇在4.5°/30m為宜，降斜段降斜率也不宜過(guò)高，降斜率選擇在1.9°/30m為宜，YC200井設(shè)計(jì)井眼軌跡數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 YC200井剖面數(shù)據(jù)

3.3 設(shè)計(jì)鉆具組合

鉆具組合1：?215.9mmPDC+?172mm彎螺桿+浮閥+定向接頭+?127mm無(wú)磁鉆桿（1根）+?127mm鉆桿（45根）+?127mm鉆桿。

鉆具組合2：?152.4mmPDC鉆頭+?127mm螺桿+浮閥+定向接頭+?88.9mm無(wú)磁鉆桿（1根）+?88.9mm加重鉆桿（45根）+?88.9mm鉆桿+101.6鉆桿（3000m）。

4 YC200井實(shí)鉆數(shù)據(jù)

YC200井實(shí)鉆井眼軌跡見(jiàn)圖2。

5 鉆具組合受力分析

第一趟鉆采用設(shè)計(jì)造斜鉆具組合，按設(shè)計(jì)軌跡要求鉆至設(shè)計(jì)井斜，并穩(wěn)斜鉆進(jìn)至降斜井段，托壓嚴(yán)重?zé)o法完成定向作業(yè)，更換降斜鉆具組合：?215.9mmPDC鉆頭(SFD54H3)+?172mm（直螺桿）+浮閥+?165mm無(wú)磁鉆鋌（1根）+?212mm穩(wěn)定器+?165mm定向接頭+?127mm無(wú)磁鉆桿（1根）+?127mm無(wú)磁鉆桿（1根）+?127mm加重鉆桿（45根）+?127mm鉆桿。

圖2 YC200井軌跡圖

本趟鉆井斜由17°降至9°，造斜率由-2.285°降至-1.582°，隨著井斜角的減小，降斜能力逐漸減弱。與通過(guò)理論計(jì)算基本一致，理論計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 YC200井造斜率[(°)/30m]

對(duì)本趟鉆受力情況的計(jì)算分析，側(cè)向力計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)圖3，在4100m和4650～4700m處異常，均超過(guò)經(jīng)驗(yàn)上限值。結(jié)合實(shí)鉆軌跡情況，這2個(gè)井段分別是開(kāi)窗井段和從最大井斜開(kāi)始降斜井段。

本趟鉆鉆柱屈曲計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)圖4，正弦屈曲和螺旋屈曲均在極限范圍內(nèi)。

后續(xù)鉆進(jìn)時(shí)的鉆具組合受力分析顯示，側(cè)向力與上趟鉆一樣都是在4100m和4650～4700m處異常。鉆柱正弦屈曲和螺旋屈曲均在極限范圍內(nèi)。

6 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

圖3 YC200井側(cè)向力分析

圖4 YC200屈曲分析

（1）“S”型井眼軌跡鉆柱與增、降斜段的井壁接觸面增大，導(dǎo)致滑動(dòng)鉆進(jìn)困難。因此，井眼軌跡的調(diào)整要盡量放在上部井段完成，以免下部滑動(dòng)鉆進(jìn)中調(diào)整軌跡困難。同時(shí)，為避免隨著井眼曲率的增大，鉆具疲勞破壞增加，軌跡力求平滑，減小上部井段曲率。

（2）建議現(xiàn)場(chǎng)在采用單彎螺桿鉆具配合PDC鉆頭進(jìn)行復(fù)合鉆井，可依據(jù)不同的地層、井段和井眼軌跡的需要選用“小彎角螺桿或直螺桿+PDC”的復(fù)合方式鉆井。

（3）在托壓嚴(yán)重井段推薦采用常規(guī)定向+水力震蕩器組合方式，鉆具中加裝滾輪減阻工具等方式緩解托壓?jiǎn)栴}、實(shí)現(xiàn)鉆壓的有效傳遞。

（4）在“S”型復(fù)雜軌跡井眼中，井眼彎曲會(huì)對(duì)鉆具產(chǎn)生疲勞破壞，是鉆具設(shè)計(jì)中不可忽略的要素，必須對(duì)鉆具組合進(jìn)行力學(xué)分析，優(yōu)化鉆具組合設(shè)計(jì)。