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 257061；2.中石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳 618000；3.西南石油大学，四川成都 610500）

塔式钻具组合对气体钻井井斜影响研究

龙 刚1，2管志川1练章华3蒋祖军3王希勇3

（1.中国石油大学，山东东营 257061；2.中石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳 618000；3.西南石油大学，四川成都 610500）

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。

气体钻井；塔式钻具组合；有限元模型；井斜分析

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、水敏性低压地层、严重缺水地区等特殊条件下的钻井难题［1］。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［2］，导致气体钻井普遍存在井斜不易控制的难题［3］，进而极大影响井身质量，甚至导致中途填井重钻或报废等问题。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［4］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［5］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［6］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［7］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［8］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［9-10］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［11］应用纵横弯曲BHA（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L1为塔式钻具组合中钻头上第一段钻铤长度，L2为第二段钻铤长度，L3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α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［12］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1（b）中所示。

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Ⅰ：Ø311.15 mm牙轮钻头+630×630浮阀+631×730+ Ø288.6 mm钻铤×3根+731×731+Ø288.6 mm减震器+Ø203.2 mm无磁钻铤+Ø203.2 mm 钻铤×7根+ 631 × 410+Ø177.8 mm 钻铤×6+Ø127 mm 钻杆+411×410回压阀。

Ø311.15 mm空气钻头及锤+630×630浮阀+631 ×730+Ø288.6 mm 钻铤×3根+731×731+Ø203.2 mm 无磁钻铤+Ø203.2 mm 钻铤×7根+631×410+ Ø177.8 mm 钻铤×3+Ø127 mm 钻杆+411×410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Ⅱ：Ø311.15 mm牙轮钻头+630×630浮阀+631×730+Ø203.2 mm 钻铤×3根+731×731+Ø203.2 mm减震器+Ø203.2 mm 无磁钻铤+Ø203.2 mm 钻铤×7根+631×410+Ø152.4 mm 钻铤×6+Ø127 mm 钻杆+411×410回压阀。

Ø311.15mm空气钻头及锤+630×630浮阀+ 631 ×730+Ø203.2 mm 钻铤×3根+731×731+Ø203.2 mm无磁钻铤+Ø203.2 mm 钻铤×7根+631×410+Ø152.4 mm钻铤×3+Ø127 mm钻杆+411×410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

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20 kN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27.88 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20 kN、井斜角为1°时的钻头处的侧向力为−642.68 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−650.52 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。

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）

表3 塔式钻具组合Ⅱ静力学计算结果（接空气锤）

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）

表5 塔式钻具组合Ⅱ静力学计算结果（接牙轮钻头）

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，两者之间的差值也增加。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。

图5 塔式钻具组合Ⅰ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10～30 kN，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80～160 kN，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

表7 川西某井钻井参数

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1 692～1 852.67 m处井斜有增大的趋势，但增幅相对牙轮钻头要小。在井段637～1 464.37 m钻压由60 kN增加到120 kN，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3.68°下降到1.74°，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。

［1］ SHEFFIELD J S. Air drilling practices in the midcontinent and rocky mountain areas ［R］. SPE 13490, 1985.

［2］ 杨刚，伊明，王新，等.气体钻井井斜机理分析［J］.新疆石油天然气，2009，5（4）：67-70.

［3］ WILSON G E.A general overview of air drilling and deviation control ［R］. SPE 9529, 1981.

［4］ 高如军，何世明，陈佳玉，等.气体钻井井斜机理与控制初探［J］.石油钻采工艺，2008，30（2）：42-45.

［5］ 胡以宝，狄勤丰，姚建林，等.斜直井眼中钻柱的动力学特性分析［J］.石油钻采工艺，2009，31（1）：14-17.

［6］ 史玉才，管志川.偏轴钟摆钻具组合力学特性分析［J］.石油大学学报：自然科学版，2004，28（2）：42-44，48.

［7］ 张杰，蒋祖军.定向井稳斜段气体钻井井斜机理应用研究［J］.钻采工艺，2007，30（4）：16-19.

［8］ 李敬元，李子丰.气体钻井轨道易斜原因及对策［J］.石油钻采工艺，2008，30（1）：33-42.

［9］ 林铁军，练章华.空气钻井井斜问题与地层倾角的规律探讨［J］.钻采工艺，2007，30（3）：7-9.

［10］ 魏臣兴，练章华.气体钻井双稳定器钟摆钻具的模拟仿真分析［J］.天然气与石油，2012，30（5）：75-77.

［11］ 张辉，高德利.气体钻井井斜机理研究［J］.石油天然气学报，2012，34（2）：103-109.

［12］ 白家祉，苏义脑.井斜控制理论与实践［M］.北京：石油工业出版社，1990.

（修改稿收到日期 2013-10-11）

〔编辑 薛改珍〕

Impact of tapered drill string assembly on well deviation during gas drilling

LONG Gang1, 2, GUAN Zhichuan1, LIAN Zhanghua3, JIANG Zujun3, WANG Xiyong3

（1. China University of Petroleum, Dongying 257061, China; 2. Engineering Technology Institute, SINOPEC Southwest Branch, Deyang 618000, China; 3. Southwest Petroleum University, Chengdu 610500, China）

Gas drilling has been widely used due to its advantages of effective formation protection, lost circulation prevention, and high penetration rate. However in the actual gas drilling process, well deviation control difficulty has restricted the development of the technology. To study the effect of tapered drillstring assembly on gas drilling well deviation, based on the stress analysis of tapered drillstring assembly in gas drilling, the finite element mechanics model during the gas drilling operation was established, and its correctness was verified through theoretical calculations. Combined with actual drilling data of a gas well in Western Sichuan, the deviation control effect was researched about tapered drillstring assembly, and the influencing factors of well deviation were analyzed, showing that its ability would change with inclination and drilling pressure, and tapered drillstring assembly with air hammer was better than that with cone bit in deviation prevention, which provided theoretical guidance for deviation control research and field operation of tapered drillstring assembly during gas drilling.

gas drilling; tapered drillstring assembly; finite element model; well deviation analysis

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，2013，35（6）：19-23.

TE242.6

A

1000 – 7393（ 2013 ） 06 – 0019 – 05

国家自然科学基金重点项目“气体钻井技术基础研究”(编号：51134004)。

龙刚，1974年生。1998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：028-86016641。E-mail：zsqing666@126.com。