一种近钻头地质导向仪器耐磨弯壳体研制

杨文景，史宏江，张 勇

(北京石油机械有限公司，北京 102206)①

近年来，水平井已被各油田广泛应用，可以增加井眼在产层中的长度和产层的泄油面积，大幅提高了单井产量。在水平井钻井过程中，近钻头地质导向具有重要作用。甚至于在国内各大钻井公司是否拥有近钻头地质导向仪器(以下简称近钻头仪器)作为竞标的筹码。近钻头仪器具有实时测量钻头地层特性，根据地面监测的信息实时调整和控制井眼轨道，使钻头“闻”着油味走，具有随钻识别油气层、导向功能强等特点。仪器中实现导向功能的主要是弯壳体[1-4]。

a 示例1

b 示例2

弯接头螺杆钻具分为固定角度弯壳体和可调角度弯壳体2种形式。由于近钻头仪器一般在薄油层中穿梭，弯壳体的角度不大，通常采用结构简单、实用性强的固定角度弯壳体。在下钻时或在水平段钻进时，由于自身的特点，弯壳体与井壁摩擦剧烈，导致磨损相当严重。当造斜率很低，达不到预期效果时，不能起到地质导向作用，必须起钻，不仅造成钻井成本提高，降低了钻井速度，还增加了钻井风险。长寿命耐磨弯壳体是近钻头仪器急需的技术。

1 弯壳体概述

近钻头仪器钻具组合为：钻头+测传马达+无线接收系统+正脉冲无线随钻测量系统+钻杆。测传马达从下至上包括传动轴总成、万向轴总成(包括弯壳体)、测量短节、螺杆马达、旁通阀。弯壳体上端与测量短节相接，下端与传动轴壳体相连，内部有挠轴和水帽通过，所以孔比较大，属于壳体类零件；弯壳体一端带有一定角度(1.0°、1.25°、1.5°等)。近钻头仪器一般在水平段导向钻进，弯接头角度较小，适合采用结构简单的固定弯壳体，省去了可调弯结构的多个零件。

1.1 弯壳体偏磨分析

在水平井、定向井等特殊工艺井中，贴近于下井壁，弯度大于1.25°的螺杆钻具，在旋转过程中，弯壳体顶点处运动半径大于扶正器中心轴到下井壁距离，经长时间的复合钻进后，螺杆钻具运动半径大的部位与井壁摩擦，造成弯壳体弯点外壳顶点处偏磨严重，如图1所示。

1.2 激光熔覆耐磨层分析

为了提高弯壳体的耐磨层，在弯壳体弯角外壳处上堆焊镍基碳化钨合金耐磨层，如图2所示。由于受工艺条件的限制，激光熔覆耐磨层的厚度不能太厚，否则容易出现熔爆缺陷。厚度层超过熔覆临界点，分子间的结合力下降，起不到耐磨保护的效果[5-6]。这种耐磨层在井下使用100 h左右后又需要重新追加焊层，成本增加，且耐磨效果不显著、对弯壳体本体的力学性能有不利影响。

图2 激光熔覆耐磨层示意

1.3 弯壳体造斜率分析

近钻头仪器具有实时测量钻头地层特性，根据地面监测的信息实时调整和控制井眼轨迹，使钻头“闻”着油味走，这要求弯壳体满足造斜率要求。经过实践摸索出来的造斜率规律：弯点越大，造斜率越高；弯曲点以上的刚度越大，造斜率越大；弯曲点至钻头的距离越小，造斜率越高；钻头的速度越小，造斜率越高[7]。此外，实际工程作业的造斜率与弯壳体的磨损情况密切相关，新壳体造斜率高于磨损后的弯壳体造斜率。

在近钻头仪器中，弯壳体位于螺杆马达和测量短节的下端，传动轴上端，距离钻头位置最近，弯壳体的弯角是固定的，其钻具组合的近钻头仪器造斜率最大。

弯壳体在近钻头仪器中是关键零件。弯壳体在钻进过程中，始终处于偏磨状态，当弯壳体偏磨严重时其造斜能力会严重下降，致使地质导向工程作业受影响，需要起钻更换新的弯壳体零件。

2 新型耐磨弯壳体研制

新型耐磨弯壳体的研制必须满足以下要求：①弯壳体在结构上具有固定的弯角，总长不变，内部结构不变，两端螺纹不变；②耐磨性能好，使用寿命长；③有效保证造斜率。

为了达到上述要求，设计了一种新的耐磨弯壳体。将弯壳体弯点以下直径变大，由原来的尺寸增大到井眼允许范围，一直扩大到弯壳体的下端，并在弯点外圆处增加耐磨处理工艺，而且在弯壳体最下端以弯点中心线为轴，作为弯壳体外径基准；在扩大外径的外圆加工过流面，确保泥浆正常返屑，防止局部沉沙。

2.1 耐磨弯壳体造斜率分析

新设计的耐磨弯壳体在结构设计上很容易满足第①条；在弯点外圆处增加耐磨处理工艺也能满足第②条；第③条需要利用公式推导，验证造斜率。

2.1.1 造斜率计算

对于弯外壳导向钻具，钻具的结构参数是影响造斜率的主要因素。采用几何方法进行设计计算，可以比较直观地反映出结构参数与造斜率之间的关系，突出主要因素对工具造斜率的影响，计算方法简单，计算精度可以满足钻井工程的要求，是设计弯壳体导向钻具的一种有效方法[7-10]。近钻头仪器属于弯外壳导向钻具，是单弯钻具，如图3所示。

图3 单弯导向钻具示意

单弯钻具的造斜率K为：

(1)

其中：λ=LT(K-Kδ)/60μ，LT=L1+L2+L3，μ=L3/LS，LS=L2+L3。

式中：K为造斜率，(°)/30 m；λ为导向钻具的结构弯角，(°)；L1为首跨长度，m；L2为第2跨度长度，m；L3为第3跨度长度，m；Kδ为由间隙所产生的造斜率，(°)/30 m；

单弯钻具首跨长度L1为：

(2)

式中：δ为下扶正器与井壁之间的间隙，m。

当不考虑下扶正器与井壁的间隙所产生的造斜率时，即Kδ=0。

(3)

根据近钻头仪器的稳定器和弯壳体位置尺寸，求出造斜率(忽略下扶正器与井壁的间隙影响)。已知：L1=1 146 mm，L2=746 mm，L3=8 426 mm，λ=12.5°，则K=6.68 (°)/30 m。

改变耐磨弯壳体的结构，其结构尺寸为：L1=1 146 mm，L2=496 mm，L3=8 678 mm，λ=12.5°，求得K=6.87 (°)/30 m。造斜率比改进前增加了3%。

2.1.2 改进前后弯壳体造斜力对比

国外对造斜工具造斜能力的预测方法为带双扶正器的单弯壳体动力钻具组合造斜的“三点定圆法”[11-13]，如图4所示。由H.Karisson等提出的三点定圆法计算为：

图4 三点定圆法示意

(4)

式中：KH为工具造斜率(BUR)，(°)/m；λ为工具的结构弯角，(°)；L4为上下两个扶正器的中心距，m；L5为下扶正器中心至钻头底面的距离，m

三点圆法的优点在于计算简单，强调了结构弯角对于工具造斜能力的影响，在一定程度上反映了扶正器位置的影响，也有不足之处，此处不再赘述。

所以，按照上述公式对比改进前和改进后的弯壳体，因为L1+L2的总值没有变化，工具造斜率是相同的，显然是不对的。

通过实践得知：弯壳体造斜能力的影响因素不仅与造斜率预测计算有关，还与造斜工具的实际工作环境及在井下的工作姿态有关。影响造斜工具造斜能力的主要因素有钻压、井斜角、井眼曲率、井径扩大或扶正器偏心、钻井液密度的、扶正器安放位置、导向钻具弯角位置、导向钻具结构弯角大小和导向钻具工具面角等[14-1]。

以上因素中，除了导向钻具弯角位置、导向钻具结构弯角大小的影响与弯壳体结构有关，其它因素与钻井工艺有关。提高钻头造斜能力的有效途径主要有2种：一种是增大弯壳体的结构弯角；另一种是缩短动力钻具下部的长度，即把弯接头下移。新设计的弯壳体结构弯角不变，弯点下移，造斜能力明显提高。

3 现场应用

改进后的耐磨弯壳体经现场使用，耐磨效果显著，造斜率提高。使用600 h后，经检查不须更换弯壳体，可以继续使用。

普通的弯壳体使用100 h左右，就因为磨损严重而报废。采用激光熔覆的方法能延长弯壳体的寿命，但在复合钻进时，弯壳体磨损会异常严重，使用后需要追焊耐磨层，不能从根本解决问题，经济成本也很高。

改进前弯壳体使用后弯角磨损凹陷，改进后使用600 h后弯角仍然完好，如图5所示。改进后弯壳体由于弯点下移，造斜率比原来增强，钻头造斜能力也增强，使钻头能根据地质导向信息控制井眼轨迹，大幅提高了钻遇率及单油井产量。

图5 弯壳体改进前后对比

4 结论

1) 近钻头仪器结构特征适合采用固定角度弯壳体，其结构简单，经济实用。

2) 在不改变弯壳体角度的条件下，使弯点下移，能提高造斜能力。

3) 堆焊耐磨带不能从根本上解决弯壳体磨损问题。把弯点以下外径增大到井眼允许尺寸，使壳体变厚；弯点处耐磨处理；在弯壳体最下端以弯点中心线为轴，作为弯壳体外径基准，使弯点下移。这些改进措施使弯壳体的造斜率提高3%。

4) 新设计的弯壳体使用时间提高到600 h后，仍能继续使用。该结构的弯壳体可推广应用到涡轮钻具、叶片式动力钻具等井下动力钻具。