易斜地区钻井单弯螺杆钻具组合应用研究

种法强

摘 要：单弯螺杆钻具组合是一种偏心的井下动力钻具，弯曲的螺杆在转动的过程中会产生一定的离心惯性力，该惯性力可以增加钻头的侧向力，可以达到降斜的目的。针对易斜地区防斜打快问题，笔者探讨了单弯螺杆钻具防斜打快机理，并采用有限元分析方法对正常钻进时单弯螺杆钻具的力学特性进行了模拟，以便为优化单弯螺杆钻具组合和施工参数设计提供参考。

关键词：单弯螺杆钻具；防斜打快；力学特性；施工参数

螺杆钻具是一种以钻井液为动力液的井下动力钻具，在石油工程领域中应用较为广泛。螺杆钻具具有低转速、大扭矩、大排量等特点，增加了钻头扭矩和功率，减少了钻杆和套管的磨损和损坏，因而可以提高钻井效率。本文针对易斜地区防斜打快问题，分析了单弯螺杆钻具组合的转点，并采用有限元分析方法对正常钻进时单弯螺杆钻具的力学特性进行了模拟。 研究发现钻头侧向力随转动按简谐规律变化，且弯角靠下井壁时钻头侧向力最大； 钻头倾角呈正负交替的规律变化， 因而在井斜角较大时具有较强的纠斜能力。有限元计算结果表明，改进单弯螺杆钻具组合不会改变其在井下的应力状态，可以安全使用。

1 单弯螺杆钻具组合特点

单弯螺杆钻具组合是一种偏心的井下动力钻具，弯曲的螺杆在转动的过程中会产生一定的离心惯性力，该惯性力可以增加钻头的侧向力，可以达到降斜的目的，单弯螺杆钻具组合示意图如图1所示。与传统的防斜钻具组合相比，单弯螺杆钻具的优势主要表现在以下几个放卖弄：①螺杆钻具组合增加了钻头的侧向力。由于螺杆结构弯角的存在，肘点附近部分的中心偏离了轴线，螺杆在旋转时产生了离心的惯性力，增大了钻头的侧向力，从而可以达到防斜纠斜的作用。②单弯螺杆钻具增加了单位进尺下钻头横向切削井壁的次数。通过转盘与螺杆钻具实施联合钻进，钻头转速明显提高，即使用螺杆钻具后，即在单位进尺下，钻头切削下井壁的次数是普通钟摆钻具的2-4倍。由于钟摆钻具是由钻头切削下井壁来实现防斜纠

斜效果的，因此，增加单位进尺下钻头切削井壁的转数可以达到防斜的作用。③螺桿钻具在转动时钻头的转角呈正负交替变化。当螺杆的肘点位于下井壁时，钻头的倾角沿井斜的力一向；当螺杆的肘点转到上井壁，钻头的倾角变为与井斜力一向相反的方向；螺杆在转动一周时，钻头的倾角呈正负交替变化，由此可以抵消钻头倾角导致的井斜（见图2）。①应用“单弯

螺杆+PDL钻头”井下动力钻具组合，在钻进单位进尺时，PDL钻头切削井壁的次数是普通钟摆钻具的2-4倍。进尺相同条件下，增加钻头切削井壁次数可以提高防斜的能力。

2单弯螺杆钻具组合力学特性分析

在常规钻具组合的基础上将3m短钻挺改为6m短钻挺。改进的单弯螺杆钻具组合设计如下：O215. 9mm钻头+O165mm单弯螺杆6. 5 m+O159mm钻挺9m+O159mm短钻挺6m+O214mm稳定器+O159mm钻挺63m+O127mm钻杆。钻井参数：钻压为1-3t；转速为60-80r/min。在钻进过程中，关注井下单弯螺杆在转动时的力学性能变化情况很重要，因而利用有限元方法对螺杆钻具组合在井下转进时的力学性能进行分析。图4所示是钻头侧向力和钻头转角随装置角变化情况。由图4可知，钻头侧向力按简谐规律进行变化，弯角靠下井壁时钻头侧向力最大；钻头倾角呈正负交替的规律变化，因而在井斜角较大时具有较强的纠斜能力。

取装置角为1800，对上述钻具组合进行有限元计算。装置角为1800时位移矢量图如图5所示（图中右侧为钻头）。由图可知，弯角以下的杆件横向位移很小，加上一定厚度的偏心块后不会造成与井壁接触的问题。装置角为1800时弯矩分布图如图6所示。由图可知，稳定器处的弯矩处于最大值而螺杆弯角处的弯矩很小。装置角为1800时稳定器处应力分布稳定器处应力最大。装置角为180。螺杆弯角处的应力很低。因此，螺杆改进后不会改变其在井下的应力状态，可以安全使用。

3 结语

对单弯螺杆钻具组合的特点进行了探讨，采用有限元方法分析其在井下转进时的力学性能。研究发现，单弯螺杆钻具组合在转动时，钻头侧向力作为一种降斜力按简谐规律进行变化，弯角靠下井壁时钻头侧向力最大；钻头倾角按正负交替的规律变化，在井斜角较大时具有较强的纠斜能力。有限元计算结果表明，螺杆改进后没有改变其在井下的应力状态，可以安全使用。

参考文献：

[1]利用四因素三水平正交回归分析法进行钻具造斜率预测研究[J]. 柳贡慧，刘伟，刘忠，吴振江. 石油天然气学报. 2016（03）

[2]单弯螺杆钻具在井口下入过程中坐标的转换计算[J]. 孙巧雷，李修权，鄢标，陈敏，张鑫，赵珩煜. 物理测试. 2015（03）