实际井眼中的通井底部钻具组合评价与应用

2019-06-12狄勤丰滕学清王文昌

钻采工艺 2019年5期

李宁，狄勤丰，滕学清，王文昌，周波，张涛

（1中国石油塔里木油田分公司2上海大学上海市应用数学和力学研究所）

李宁等.实际井眼中的通井底部钻具组合评价与应用.钻采工艺，2019，42（5）：9-11

关于通井底部钻具组合（以下简称BHA）研究的文献很少，张晓东等［1-2］采用加权平均法，计算出了通井钻具组合的等效惯性矩，修正了目前油田使用的刚度叠加的计算方法，但其模型并未考虑套管下入时的变形以及实际井眼特征。本文基于实际井眼轨迹，考虑通井BHA与套管在井眼中的变形特征，首先实现两者的弯曲变形能计算，随后通过比较BHA与套管弯曲变形能匹配关系，利用等效刚度系数来实现通井BHA有效性的快速评价。

一、刚度叠加匹配法

图1为塔里木油田常用的双稳定器通井BHA，所用设计方法基于刚度叠加匹配法，也即将通井BHA的不同结构部件的刚度进行累加，并考察其与套管刚度的比值［1］：

式中：EIi—第i段管柱的惯性矩，N·m2；Li—第i段管柱的长度，m；下标dc和cas—分别代表BHA和套管。

图1 双稳定器通井钻具组合

当m≥1时说明通井BHA的刚度大于套管刚度，通井后能够顺利下入套管。反之，需重新设计刚度更大的通井BHA。

从式（1）可以看出，刚度叠加对比的方法简单易行，但由于其没有考虑井眼曲率、井径等决定套管下入可行性的环境约束，因此在矿场的使用效果存在很大的局限性。

二、等效刚度评价方法

在实际井眼中，套管及通井BHA受井眼约束，会产生变形，因此需要根据通井BHA及套管柱在实际井眼中弯曲变形能的计算，才能充分反映两者的匹配关系，从而实现通井BHA的通井效果的评价。图2为一段管柱在井眼中的挠曲形状及受力模型。

对于具有变截面特征的BHA，根据其变截面特征进行分段，管柱在第i段内任意截面x处的弯矩为：

图2 管柱分段受力示意图

当考虑井眼轨迹时，Mei可表示为关于井眼曲率和挠率的函数［3-5］：

式中：si—第i段管柱的弧线坐标，m；kbi—第i段管柱在井眼中的曲率，m-1；kni—挠率，m-1；Mti—第i段管柱所受的扭矩，N·m，可表示为：

式中：f—管柱在井眼内的轴向和周向摩阻系数。

考虑井眼轨迹影响，Ni可表示为：

式中：αi—i段管柱所在井段的平均井斜角，rad。

设任意一段的起点和终点分别为li1、li2，则i段管柱的变形能为［6-7］：

式中：EIbi—第i段管柱的抗弯刚度，N·m2。

将式（2）代入式（6），积分后可得：

其中：

通井BHA的总变形能为：

式中：n—管柱的总段数。

在实际井眼内，带稳定器的套管弯曲变形能为：

式中：m—套管稳定器总数量；j—段序，j＝1，2，…m；Ucj—套管各段的弯曲变形能，同样可利用式（8）进行计算。

定义β为通井BHA的等效刚度系数，即通井BHA的弯曲变形能与套管的弯曲变形能之比：

利用β即可评价所用的通井BHA通井后是否能够使得套管顺利下入。当β≥1时说明通井BHA的刚度较大，通井后能够顺利下入套管。反之，需重新设计刚度更大的通井BHA。

三、实例分析

XX-H井是塔里木油田一口水平井，其造斜点从井深5 100 m开始，套管下入深度为5 460 m，从5 100～5 460 m，井眼曲率由0.3°／30 m 增加到7.1°／30 m。此井段为二开井眼，钻头直径241.3 mm，钻进时所用钻铤为Ø177.8 mm，现场还有Ø203.2 mm钻铤，因此，根据油田现有工具及计算对比需求，设计两种通井BHA结构并进行计算。通井BHA计算结果如图3所示，具体结构参数及下入套管参数见表1。

图3 Ø177.8 mm钻铤和Ø203.2 mm钻铤的通井效果

表1 通井BHA结构参数及套管结构参数

从图3中可以看出，实际井眼轨迹对BHA的通井效果影响较大，本实例中的井眼轨迹具有弯曲特征，等效刚度随井眼曲率变化而波动。当井眼曲率较大时，通井BHA的等效刚度较小，接近于1，通井的效果可能受到影响；当井眼曲率较小时，BHA的等效刚度较大，当其能在弯曲井眼中通过时，就能保证套管顺利通过。从图3中还可以看出，在相同条件下，由Ø177.8 mm钻铤装配而成的通井BHA其变形能稍大于套管变形能，而由Ø203.2 mm钻铤装配的通井BHA的弯曲变形能远大于套管变形能，也即在本实例中，利用Ø177.8 mm钻铤装配而成的通井BHA可以满足通井要求，但使用Ø203.2 mm钻铤构成的双稳定器通井BHA对套管顺利下入更有保障。当然，能否使用Ø203.2 mm钻铤构成的双稳定器通井BHA通井还需要考虑实际工程作业安全需求。