偏心防斜技术在大庆油田的应用

孙英伟

(大庆钻探工程公司钻井三公司，黑龙江大庆163412）

从20世纪50年代起，大庆油田钻井施工中一直使用标准钻具组合，即钟摆钻具组合和满眼钻具组合，这2种钻具组合在大庆油田大部分区块施工中确实实现了防斜快打的功效。但是大庆油田内部存在一些区块，具有地层倾角大、断层多、断距大、地下情况复杂的特点，其中大庆油田南二区就是典型易斜区块之一，经验证，2种标准钻具组合在该区块不能实现高效防斜的目的。针对以上特点相关专家制定了许多有针对性的防斜措施，其中偏心防斜钻具的应用取得了最显著的效果。

1 偏心钻具设计

1.1 建立力学模型

在钻井工程的下部钻具组合中应用偏心接头，由于偏心接头与上部接头之间存在一定的偏心距，因此在钻具进行旋转的过程中所有的偏心接头以下的部分就会相对于上部钻柱发生公转，进而产生了离心力。力学模型如图1所示。

图1 偏心钻具力学模型

图1 所示作用状态可视为平面纵横弯曲梁柱问题进行分析。取原点在井眼轴线的钻头处，Z轴经过井眼轴线上钻头和上稳定器中心所处的两点，并指向上方，X轴垂直于Z轴并指向井眼低边，Z轴与铅垂线夹角为β。

假设每一跨中轴向力是均匀的。在如图坐标系下，可得到底部钻具组合平面纵横弯曲变形的控制方程：

式中：μj——底部钻具组合弹性线相对Z轴的横向挠度位移，m；

s——弹性变形上任一点弧长坐标，m。

式中：qj——钻铤在钻井液中单位长度有效重量，kN/m；

EIj——钻铤抗弯刚度，kN·m2。

式中：pj——各跨段左端点处的Z向压力，kN。

对上式可求得解析形式的通解：

式中：cij——待定系数。

在图1中钻头至稳定器间作为一个整体跨段，中间有2个突变点B、C。B点是OC段质心，离心力作用产生了剪力突变，C是偏心接头所处位置，有一个横向位移增量Δμj和弯矩突变ΔMj。

设有突变点相邻的两段钻铤的挠度分别为μj-l（s），μ（s），依据：

可得到OA段挠曲线方程为：

式中：Rq——离心力；

Δuj——偏心距；

其它符号同前。

式中：离心力方向由偏心旋转方向而定，偏心向上井壁取“+”，反之，取“-”；

n——转盘转速，r/s；

w——钻铤单位质量，kN/m；

L1——钻头至偏心接头间距离，m。

式中：符号由Δu确定。

1.2 建立目标函数及求解

利用钻柱各跨段端部的连续条件：

式中：μ′,μ″—— μ 的一、二阶导数。

通过循环迭代，利用切点处的边界条件可得到第一个稳定器（距离钻头最近的扶正器）处各参数值，这些参数值可作为挠度方程（6）的边界条件。对式（6）求一、二、三阶导数，带入边界条件方程组可计算各待定系数Cj。

由钻头处的μ″01→0，可得到目标函数：

利用逐步搜索法和二分法，可求出式（8）满足精度要求的切点长度值。钻头处的侧向力及转角为：

式中：P1——钻头处的轴向力；

ka——井斜变化率，（°）/30m；

La——钻头至上稳定器间的长度，m。

2 偏心防斜技术在大庆油田南二区的应用

大庆油田南二区主要特点是地层倾角大，地层倾角变化范围9°～23°之间。多年的钻井施工实践证明，井斜问题已经严重影响钻井速度，造成该区块施工效率低下，钻井速度远低于大庆油田其它区块。

2.1 偏心钻具组合优选

先后应用了3种钻具组合，分别为：

（1）∅215mmPDC钻头+∅159mm钻铤×10m+∅178mm偏心短节+∅159mm钻铤×10m+∅214mm稳定器+∅159mm钻铤×80m；

（2）∅215mmPDC钻头+∅178mm钻铤×20m+∅214mm稳定器+∅159mm钻铤×80m；

（3）∅215mmPDC钻头+∅178mm钻铤×10m+∅214mm稳定器+∅178mm稳定器×20m+∅214mm稳定器+∅178mm稳定器×30m+∅159mm钻铤×30m。

2.2 试验数据分析

现场试验数据如表1所示。

为了体现出明显的对比性，以上所选6口井，所处区域为半径50m的圆形区域，地层倾角均为16°，完钻井深相差仅2m。由表1可以看出，偏心防斜钻具组合，能够有效控制井斜，在机械钻速方面，比满眼钻具组合平均提高了11.2m/h，比钟摆钻具组合提高了8.9m/h。

3 结论与建议

（1）偏心钻具组合通过在南二区块的应用表明，该钻具组合是一种有效解决井斜问题，提高钻井速度和施工效率的方法，使钻井施工的成本得到大幅度降低。

（2）偏心接头结构简单，加工方便，成本低廉，可以大规模推广应用。

表1 大庆油田南二区现场试验情况对比表

（3）偏心接头组合尽量在井斜小的时候下入，并且合理控制钻井参数，这样防斜效果更加。

[1]李增科，何开平.偏心防斜技术的研究及应用[J].钻采工艺，2000（5）.