塔式钻具组合对气体钻井井斜影响研究.pdf
第 3 5卷 第 6 期 2 0 1 3年 1 1月 石 油 钻 采 工 艺 0I L DRI L L I NG P R0DUC T I ON T EC HNOL OGY V0 1 . 35 No . 6 NO V.2 01 3 文章编号1 0 0 07 3 9 3 2 0 1 3 0 60 0 1 9 0 5 塔式钻具组合对气体钻 井井斜影响研究 龙 刚 。管志 川 练 章华 蒋 祖军。王 希勇。 1 . 中国石油大学 , 山 东东营2 5 7 0 6 1 ;2 . 中石化 西南油气分公 司工程技 术研 究院 , 四川德 阳6 1 8 0 0 0 ;3 . 西南石油大学 , 四川成都6 1 0 5 0 0 引用格式龙刚, 管志川, 练章华, 等 . 塔式钻具组合对气体钻井井斜影响研究 [ J ]. 石油钻采工艺, 2 0 1 3 , 3 5 6 1 9 - 2 3 . 摘要气体钻井技术由于其具有保护储层、 防止井漏和大幅度提高钻井速度等优势而被广泛应用。但在 实际钻井过程中 暴露出一定程度的井斜不易控制问题制约着此技术的发展。为探讨塔式钻具组合对气体钻井井斜的影响, 基于塔式钻具组合 在钻井时的力学受力分析 , 建立了塔式钻具组合在气体钻井条件下的有限元静力学模型, 并通过理论计算验证了其正确性。结 合川西某气井实际钻井资料 , 进行 了塔式钻具组合的防斜效果研究, 探讨 了井斜效果影响因素, 表明其降斜能力随着井斜角和 钻压的变化而变化, 使用空气锤的塔式钻具组合比使用牙轮钻头的组合有更大的降斜防斜能力, 为塔式钻具组合在气体钻井中 的井斜控 制研 究和现场施工提供 了理论指导 。 关键词气体钻井;塔式钻具组合 ;有限元模型;井斜分析 中图分类号 T E 2 4 2 . 6 文献标识码 A I mpa c t o f t a p e r e d dr i l l s t r i ng a s s e mb l y o n we l l de v i a t i o n d ur i n g g a s dr i l l i ng L O N G G a n g , G U A N Z h ic h u a n , L I A N Z h a n g h u a , J I A N G Z u j u n , W A N G X i y 0 n g 1 . C h i n a U n iv e r s i t y o fP e t r o l e u m, Do n g y i n g 2 5 7 0 6 1 , C h i n a ; 2 . En g i n e e r i n g T e c h n o l o g yI n s t i t u t e , S I NOPEC S o u t h we s t Br a n c h , De y a n g 61 8 0 0 0 , Ch i na ; 3 S o u t h w e s t P e t r o l e u m U n i v e r s i ty, C h e n g d u 6 1 0 5 0 0 , C h i n a Abs t r a c t Ga s d r i l l i n g h a s b e e n wi d e l y u s e d d u e t o i t s a d v a n t a g e s o f e ffe c t i v e f o r ma t i o n p r o t e c t i o n ,l o s t c i r c u l a t i o n p r e v e n t i o n , a n d h i g h p e n e t r a t i o n r a t e . Ho we v e r i n t h e a c t u a l g a s d r i l l i n g p r o c e s s , we l l d e v i a t i o n c o n t r o l d i ffi c u l t y h a s r e s t r i c t e d t h e d e v e l o p m e n t o f t h e t e c h n o l o g y . T o s t u d y t h e e ff e c t o f t a p e r e d d r i l l s t r i n g a s s e mb l y o n g a s d r i l l i n g we l l d e v i a t i o n , b a s e d o n t h e s t r e s s a n a l y s i s o f t a p e r e d d r i l l s t r i n g a s s e mb l y i n g a s d r i l l i n g , t h e fi n i t e e l e me n t me c h a n i c s mo d e l d u r i n g t h e g a s d r i l l i n g o p e r a t i o n wa s e s t a b l i s h e d , a n d i t s c o r r e c t n e s s wa s v e rifi e d t h r o u g h t h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n s . Co mb i n e d wi t h a c t u a l d r i l l i n g d a t a o f a g a s we l l i n We s t e r n S i c h u a n , t h e d e v i a t i o n c o n t r o l e ffe c t wa s r e s e a r c h e d a b o u t t a p e r e d d r i l l s t r i n g a s s e mb l y , a n d t h e i n fl u e n c i n g f a c t o r s o f we l l d e v i a t i o n we r e a n a l y z e d , s h o wi n g t h a t i t s a b i l i ty wo u l d c h a n g e wi t h i n c l i n a t i o n a n d dri l l i n g p r e s s u r e , a n d t a p e r e d d r i l l s t r i n g a s s e mb l y wi t h a i r h a mme r wa s b e t t e r t h a n t h a t wi t h c o n e b i t i n d e v i a t i o n p r e v e n t i o n , wh i c h p r o v i d e d t h e o r e t i c a l g u i d a n c e f o r d e v i a t i o n c o n tro l r e s e a r c h a n d fi e l d o p e r a t i o n o f t a p e r e d dr i l l s t r i ng a s s e mbl y du r i n g g as d r i l l i n g. K e y wo r d s g a s d r i l l i n g ; t a p e r e d d r i l l s t r i n g a s s e mb l y; fi n i t e e l e me n t m o d e l ; we l l d e v i a t i o n a n a l y s i s 气体钻井 以气体循环介质替代传统液体循环介 质 , 正逐渐成为能大幅提高机械钻速 、 发现与保护油气 层、 治理恶性井漏、 降低钻井成本的重要技术手段, 并 成功地解决了漏失严重地层 、 低渗透地层 、 水敏 『生 低压 地层、 严重缺水地区等特殊条件下的钻井难题 ⋯。而 由于钻井液介质的不 同 , 造成钻柱在井 眼内遇到的阻 力 、 钻柱与井壁的碰摩系数和频率、 钻柱的偏心质量 等多种因素发生变化 , 形成气体钻井特有的动态造 斜规律 , 导致气体钻井普遍存在井斜不易控制的难 题 , 进而极大影响井身质量 , 甚至导致 中途填井重 基金项目国家自 然科学基金重点项 目 “ 气体钻井技术基础研究” 编号 5 1 1 3 4 0 0 4 。 作者简介龙刚, 1 9 7 4 年生。1 9 9 8 年毕业于西南石油大学石油工程专业, 中国石油大学 华东 博士研究生, 高级工程师。电话0 2 8 8 6 0 1 6 6 4 1 。E - ma i l z s q in g 6 6 6 1 2 6 .c o m。 2 0 石 油钻采工艺 2 0 1 3年 1 1月 第 3 5卷 第 6期 钻或报废等问题 。 因此, 基于理论和实际应用的需要 , 开展气体钻井井斜分析的研究意义重大。 目前对气体钻井井斜机理的研究和在井斜控制 方面可供调研和参考的相关文献较少。高如军 从 气体钻井可控和不可控 因素进行分析 , 认为岩石破 岩机理和地层各向异性是影响气体钻井井斜的主要 原因。胡以宝 分析斜直井眼中全井钻柱的受力变 形特点 , 建立 了钻柱动力学模型 , 史玉才 对偏轴 钟摆钻具组合进行了分析 , 均为井斜力学研究提出 了一种方法。张杰等 针对光钻铤钟摆钻具在定向 井稳斜段进行 了井斜规律 的探讨 , 并 给出了关键参 数的计算方法。李敬元等 分析了钻压、 钻井流体 密度对钻具增斜能力的影响。练章华等 。 。 。 用有限 元法对 比分析了气体钻井和钻井液钻井条件下 的井 斜趋势, 并设计出气体钻井时具有较强的防斜纠斜 能力的稳定器。张辉等 应用纵横弯 曲 B H A 底 部钻具组合 分析方法和钻头与地层相互作用模型, 探讨了气体钻井井斜机理, 并提出通过调整钻具组 合和钻井参数来提高井身质量的方法 。笔者利用有 限元软件对气体钻井中塔式钻具组合的力学特性进 行模拟分析 , 并结合现场资料探讨塔式钻具组合在 不 同钻头配合下 的井斜效果分析 , 以期对井斜控制 研究及现场施工提供理论指导。 1 塔式钻具有 限元力学模型建立 塔式钻具组合是基于静力学防斜打直技术 , 主 要是利用倾斜井眼中钻头与切点之间的钻铤重力之 横向分力 , 迫使钻头趋向井眼低边降斜钻进, 以达到 纠斜和防斜 的效果。在此 , 建立塔式钻具组合与井 壁接触的非线性有限元静力学简化模型, 得到如图 1 a 塔式钻具组合力学模型, 其 中 为塔式钻具组合 中钻头上第一段钻铤长度, 为第二段钻铤长度 , 为第三段钻铤或者加重钻杆 的长度。塔式钻具组合 在井斜角为 的井眼中受到钻压和重力 的作用而与 井 眼下井壁接触 , 即上切点。塔式钻具组合的上切 点可以通过光钻铤钻具组合的三弯矩方程 H 求得 , 在有限元模型 中取出塔式钻具组合 中上切点至钻头 的钻铤进行防斜效果分析, 其有限元模型如图 l b 中所示 a 力学模型 b 有 限兀 网格模型 图 1 气体钻井中塔式钻具组合有限元力学模型 2 塔式钻具对井斜影响分析 2 . 1 塔式钻具组合有限元参数 现根据川西某气井二开井段空气钻井塔式钻具组 合进行模型验证, 其钻具组合为钻具组合 IO 3 1 1 . 1 5 r fl i n牙 轮钻 头 6 3 0 6 3 0浮 阀 6 3 1 7 3 o 0 2 8 8 . 6 r f l i rt 钻铤 3 根 7 3 1 x7 3 1 O2 8 8 .61T I I I 1 减震器 0 2 0 3 . 2 h i m 无磁钻铤 0 2 0 3 . 2 mn l 钻铤 7根 6 3 14 1 0 01 7 7 . 8 n ff n 钻铤 6 01 2 7 m m 4 l l 4 1 0回压阀。 0 3 1 1 . 1 5 m l n空气钻头及锤 6 3 0 6 3 0浮阀 6 3 1 7 3 0 0 2 8 8 . 6 r n n l钻 铤 3根 7 3 1 7 3 1 O 2 0 3 。 2 m i n无磁钻 铤 02 0 3 . 2 rai n钻铤 7根 6 3 1 4 1 0 01 7 7 . 8 m r n 钻铤 3 0 1 2 7 mn l 钻杆 4 l 1 4 1 0 回压阀。 为了研究不同钻铤尺寸及配合空气锤和牙轮 钻头时塔式钻具组合 中的防斜效果, 改变上述钻 具 组 合 I为钻 具 组 合 ⅡO3 1 1 . 1 5 mm牙 轮 钻 头 6 3 0 6 3 0浮 阀 6 3 1 7 3 0 0 2 0 3 .2 mi Y l钻铤 3根 7 3 1 7 3 1 0 2 0 3 . 2 n l l T l 减震器 02 0 3 . 2 mi r l 无磁钻铤 0 2 0 3 . 2 r n r n 钻铤 7 根 6 3 1 4 1 0 01 5 2 .4m i l l 钻铤 6 O1 2 7 I I l i n钻杆 4 1 1 4 1 0回压阀。 0 3 1 1 . 1 5 m m空气钻头及锤 6 3 0 6 3 0浮 阀6 3 1 7 3 0 02 0 3 . 2 i n i n钻铤 3 根 7 3 1 7 3 1 0 2 0 3 . 2 m i l l 无磁钻铤 0 2 0 3 . 2 m I n钻铤 7根 6 3 1 4 1 0 O1 5 2 . 4 mi Y l 钻铤 3 01 2 7 m n l 钻杆 4 l 1 4 1 0回压阀。 根据气体钻井钻井参数得到有限元模型中结构 参数, 见表 1 。 表 1 塔式钻具组合有限元参数 龙刚等 塔式钻具组合对气体钻井井斜影响研究 2 1 根据塔式钻具组合 的有限元力学模型 图 1 和 有限元结构参 数 表 1 进行计算 , 可以得 到钻具组 合 I 在井斜角 1 。 、 钻压为 2 0 k N时, 塔式钻具组合在 接空气锤时的有限元计算结果, 见图 2 所示。从图 中可以看出, 此时的钻具组合的上切点距离钻头为 2 7 .8 8 m, 处在第一段钻铤上, 而且钻铤受到的弯矩和 应力都比较小。塔式钻具组合 I 与空气锤联合作用 下 , 钻压为 2 0 k N、 井斜角为 1 。 时的钻头处 的侧向力 为 一 6 4 2 .6 8 N, 具有较强的降斜能力, 在气体钻垂直 井眼中 , 具有很好的防斜能力。通过三弯矩方程理 论计算得到的钻头侧向力为 - 6 5 0 .5 2 N, 与有限元模 型计算得到的塔式钻具组合的侧向力相差极小, 说 明有限元力学模型建立正确 。 上切点 2 7 . 8 8m 弯矩/ Nr ll 侧 向力 一 6 4 2 . 6 8 N a 挠度 分布 b 弯矩图 c 等效应力分布 图 2 塔式钻具组合有 限元计 算结果 图 2 . 2 塔式钻具组合配合空气锤对井斜影响分析 根据此有限元模型计算了塔式钻具组合 I 和塔 式钻具组合 Ⅱ 在井斜角为 1 。 、 2 。 和 3 。 的井眼中接空 气锤钻头钻井 时的侧 向力和上切点位置 , 见表 2和 表 3 。利用表 2和表 3中钻具组合侧 向力的数据 , 建 立如图3的对 比曲线图, 分析不同钻具组合在不同 钻压、 不 同井斜角的防斜能力 。 表 2 塔式钻具组合 I 静力学计算结果 接空气锤 井 斜 角 / 。 钻 压 1 0l N 钻 压 2 0l N 钻 压 3 0k N 钡 4 向力 /上切点 / 侧 向力 /_E - T S 点 / 侧 向力 /上切点 / N m N m N m 表 3 塔式钻具组合 l l 静力学计算结果 接空气锤 1 5 o 4 . 1 8 2 7 . 6 6 - 4 8 4 . 8 9 2 7 . 5 9 - 4 6 3 . 9 0 2 7 . 5 3 2 - 8 6 0 . 6 8 2 3 I 2 6 - 8 3 3 . 6 0 2 3 _ 2 0 - 8 0 8 .4 9 2 3 . 1 2 3 1 1 6 9 _2 21 . 0 2 1 1 4 0.9 8 2 0. 9 7 -1 1 1 2.6 6 2 0.92 0 40 0 Z 0 一 8 0 0 暮 s 一 1 2 0 0 1 6 0 0 0 井斜角 。 图 3 塔式钻具组合 I 和组合 Ⅱ在接 空气锤 时的侧 向力 图 3是塔式钻具组合 I和组合 Ⅱ在接空气锤钻 井时的侧 向力随井斜 角的变化 图。从 图中可见 , 钻 具组合 I在相 同的井斜角下的侧 向力明显大于组合 Ⅱ中的侧 向力 , 而且随着井斜角的增加 , 两者之间的 差值越大。从图中还可以看出, 组合 I 的侧向力随 着钻压的变化较小 , 而组合 Ⅱ受钻压的影 响相对较 大。因此 , 塔式钻具组合中钻铤的外径越大 , 井斜角 越大, 钻具的降斜防斜能力越大。所以, 气体钻井中 使用塔式钻具组合钻垂直井时, 为更好地防斜和降 斜 , 应该选用尽量大的钻铤。 2 . 3 塔式钻具组合配合牙轮钻头对井斜影响分析 根据此有限元模型计算了塔式钻具组合 I 和塔 式钻具组合 Ⅱ在井斜角为 1 。 、 2 。 和3 。 的井眼中接牙 轮钻头钻井时的侧 向力 和上切点位置 , 见表 4和表 5 。利用表 4和表 5钻具组合侧 向力的数据 , 建立如 图 4的对 比曲线图, 分析不 同钻具组合在不同钻压 、 不同井斜角的防斜能力 。 表4 塔式钻具组合 I 静力学计算结果表 接牙轮钻头 井 斜 角 / 。 钻 压 8 0 k N 钻 压 1 2 0 k N 钻 压 1 6 0 k N 侧 向力 /上切 点 / 侦4 向力 /上 切 点 / 钡4 向力 /上切 点 / N m N m N m ▲ ■■●■ H鳃托 , 卯 盯 蚰 ”柏; 号 “ 叭 叭 ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 蔓 n n 仉 n n n m 毪 掳 . 一 团 . I _ 圆 . 一 2 2 石油钻采工艺 2 0 1 3年 1 1月 第 3 5卷 第 6期 表 5 塔式钻具组合 I l 静力学计算结果 接牙轮钻头 1 359. 8 4 2 7-2 0 -275. 2 6 26 . 9 6 1 89. 54 26 . 7 2 2-68 1 . 7 2 2 2 . 8 7 -578. 8 5 22 . 6 7 -4 74.71 22 . 47 3 - 9 6 9 . 8 2 0 . 6 7 - 8 5 4. 0 2 2 0 . 4 8 - 7 3 6 .9 2 2 0 - 3 0 O 一 4 0 0 Z 一 8 0 0 耳 一 l 2 0 0 一 l 6 0 0 O 井斜角/ 。 图 4塔 式 钻 具 组合 I和 组 合 Ⅱ在 接 牙 轮 钻 头 时 的侧 向 力 图 4是塔式钻具组合 I 和组合 Ⅱ在接牙轮钻头 钻井 时的侧 向力随井斜角 的变化图。从图中可见 , 钻具组合 I 在相同的井斜角下的侧向力大于组合Ⅱ 中的侧 向力 , 井斜角较小时其差值不大 , 随着井斜角 的增加 , 两者之问的差值也增加。而且随着钻压的 增大 , 组合 I和组合 Ⅱ的侧 向力都减小 , 但是组合 Ⅱ 的减小 幅度大于组合 I。因此 , 塔式钻具组合 中钻 铤 的外径越大, 井斜角越大, 钻具的降斜防斜能力越 大。所以 , 气体钻井 中使用塔式钻具组合钻垂直井 时, 为更好地防斜和降斜 , 应该选用尽量大的钻铤。 2 . 4 塔式钻具组合配合不同钻头对井斜影响分析 根据此有限元模型计算 了塔式钻具组合 I 在井 斜角为 1 。 、 2 。 和 3 。 的井眼中接空气锤钻头和牙轮钻 头钻井时的侧向力和上切点位置 , 见表 2和表 4 。利 用表 2和表 4中钻具组合侧 向力的数据 , 建立如图 5 的对 比曲线图 , 分析组合 I 不 同钻压 、 不同井斜角 的 防斜能力 。 井斜角/ 。 1 0 4 0 0 Z 8 0 0 晷 一 1 2 0 0 1 6 0 0 0 图 5塔 式 钻 具 组 合 l接 空 气锤 和 牙轮 钻 头 时的 侧 向力 图 5 是 塔式钻具组 合 I在 接空气锤 和牙轮钻 头钻井时的侧 向力随井斜角的变化图。从图中可以 看 出 , 塔式钻具组合 I与空气锤结合使 用时 , 钻压 为 l 0 ~ 3 0 k N, 其侧 向力随着钻压的变化出现较小的 变化 , 而随着井斜角的增大而迅速增大 , 说明塔式钻 具组合 I与空气锤结合使用时, 井斜角越多, 降斜速 度越快 , 而钻压对降斜速度影响较小。当塔式钻具 组合 I与牙轮钻头结合使用 时, 钻压为 8 0 ~ 1 6 0 k N, 其侧 向力随着钻压 的变化 出现较大变化 , 钻压越大 侧向力越小, 而且随着井斜角的增大侧向力也增大。 由此对 比分析可知, 使用塔式钻具 组合 与空气锤结 合使用的降斜防斜能力明显大于塔式钻具组合与牙 轮钻头结合使用 。 3 实例分析 为了更好地解决气体钻井过程中的井斜控制难 题 , 川西某气井在不同开次均使用了塔式钻具组合 表 6 , 并配合了大尺寸钻铤 , 进行井斜影响研究 。 根据井斜 的影响 因素 , 针对川 西某气井制定 了 不同的钻井参数 , 以达到研究井斜影响因素的 目的 , 详细参数见表 7 。 表 6 川西某井钻具组合应用情况统计 牙 轮 空 气锤 不装喷嘴 不装喷嘴 1 2 0~1 5 0 1 2 0~1 5 0 1 . 5 ~2. 4 2. 0 ~2. 3 8 0 ~20 O 1 0 ~3O 5 0~6 0 3 0 龙刚等 塔式钻具组合对气体钻 井井斜影响研 究 2 3 根据气体钻井 实际情况 , 川西某气井先使 用牙 轮钻头, 再使用空气锤, 得到井斜和方位数据见表 8 , 再对 比全程使用牙轮钻头钻井 , 绘制 出井斜数据及 井深关系图 图 6 。 表 8 川西某气井井斜数据 图 6 川西 某气井井斜数据和 井深关 系 由图 6 可看出, 在相 同塔式钻具组合 的情况 下 , 牙轮钻 头井段井斜有 不断增 大 的趋势 , 改用 空 气锤后 , 井斜逐渐下 降 ;因空气锤钻进 出现蹩钻严 重 , 转盘负荷大 , 在 1 6 9 2 - 1 8 5 2 . 6 7 I I 1 处井斜有增大 的趋势 , 但增 幅相 对牙轮钻 头要 小。在 井段 6 3 7 ~ 1 4 6 4 . 3 7 1 T I 钻压 由 6 0 k N增加到 1 2 0 k N, 井斜随着井 深有增加趋势, 改用空气锤后井斜逐渐下降, 井斜由 3 . 6 8 。 下降到 1 . 7 4 。 , 说明应用空气锤具有较好 的防斜 能力, 进一步验证塔式钻具组合力学分析。 4 结论 1 建立了气体钻井条件下 的塔式钻具组合有限 元力学模型, 并通过理论计算验证了其正确性, 为底 部钻柱力学分析提供了一种有效方法。 2 气体钻井中塔式钻具组合始终具有降斜 防斜 的作用 , 但是其降斜力 随着井斜角和钻压的变化而 变化 。 3 塔式钻具组合中钻铤外径较大的组合的降斜 防斜能力更强, 使用空气锤的塔式钻具组合比使用 牙轮钻头的组合有更大的降斜防斜能力。为更好地 防斜和降斜, 应该选用尽量大的钻铤。 参考文献 [ 1 j S HE F F I E L D J S . 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