大位移井钻柱安全分析方法及应用

曲鑫

摘 要：随着油气资源的不断开采，剩余油气资源的开采难度越来越高，大位移井的应用也越来越多。钻井作业现场表明，大位移井钻进过程中经常会遇到井壁失稳、钻具断裂等问题。本文通过分析大位移井的钻柱结构及受力特点，并借鉴钻柱强度计算分析模型建立了一套适合于大位移井钻柱强度安全系数计算方法，利用该方法对某钻井过程中两趟钻的钻柱进行了强度计算和安全分析。

关键词：大位移井;综合应力;钻具强度;安全分析

由于大位移井的大斜度井段长、水平位移大，钻柱受重力影响都在井壁下沿，所以钻进过程中钻柱在裸眼中的摩阻、扭矩都很大，钻柱受到的综合应力较大，安全系数较低。因此在大位移井钻井过程中正确计算钻柱综合应力，合理设计钻柱结构、降低摩阻是确保安全钻井的关键之一。

1 钻柱强度分析计算

对于常规直井钻进来说，钻柱强度安全分析一般只考虑井口、中性点和钻头连接处，而在大位移井钻进过程中，钻柱因自重导致弯曲，其始终承受着较高的摩阻以及扭矩，钻柱中的任何一点既受到摩阻引起的轴向应力，又受到扭矩引起的不同方向的剪应力，这些都会对钻具安全带来不利影响。所以在对大位移井的钻柱进行安全分析时应以综合应力来判断全井井柱某点或者某截面是否会发生屈服。在此，我们每隔10-20m就进行一次计算和分析。另外，对一个断面来说，管柱内外压差导致的附加剪应力可能造成管柱内壁受到的综合应力大于管柱外壁，因而应对断面的内壁和外壁也进行强度计算和校核。

根据以上分析，我们采用了以下模型计算钻柱的各项应力、综合应力和安全系数。

轴向应力σa=Ta/A

弯曲应力σbi=σboDi/Do

扭转剪应力τmo=16MmDo/π（Do4-Di4），τmi=16MmDi/π

（Do4-Di4）

附加剪应力τno=Ai（Pi-Po）/A，τni=Ao（Pi-Po）/A

强度安全系数Ni=σs/σei，No=σs/σeo

模型中Ta为计算断面上的轴向力，A为计算断面的截面积，σei、σeo分别表示计算断面上钻柱内外缘处弯曲应力，Di、Do分别为计算断面处钻柱的内外直径。Mm为计算断面上的扭矩，τni、τno分别表示计算断面上钻柱内外缘处附加剪应力，Pi、Po分别为计算断面处管内外液柱压力，Ai、Ao分别为计算断面处钻柱内外截面积，Ni、No分别表示计算断面上钻柱内外缘处的强度安全系数，σs为钻柱钢材的屈服极限。

2 钻柱强度安全分析实例

根据上文提出的钻柱强度分析模型，对某井三开以后两趟钻具组合的强度进行了分析计算和安全分析。

2.1 第三趟钻钻具组合分析

①钻具组合：φ215.9mmPDC×0.31m+φ171.5mmDTU×6.48m+φ158.8mm无磁钻铤×8.68m+φ127.0mm无磁承压×27.57m+φ127.0mm钻杆;

②钻进参数：钻压35-50kN，泵压20MPa，转速50r/min，排量28L/s，扭矩20000-24000N·m，主要钻进方式为滑动钻进;

③钻进井段：3901.04-4193.18m，进尺292.14m，钻进时间17.31h，机械钻速16.9m/h;

④钻井液性能：密度1.30kg/L，塑性粘度28MPa·s。

钻进钻柱强度计算结果如表1。

通过对表1进行分析，我们可以看出本趟钻柱距钻头越近，安全系数越高;距井口越近，安全系数越小。全井钻柱的安全系数都大于3，钻柱上部井段轴向应力占主导地位，井底的扭应力开始产生影响。主要采用滑动方式钻进，扭应力影响的井段较短，弯曲应力较为均匀。

2.2 第六趟钻钻具组合分析

①钻具组合：φ215.9mm牙轮钻头×0.25m+φ171.3mm动力钻具×9.20m+φ159.2mm无磁钻铤×9.04m+φ170.4mm

FEWD×7.08m+φ170.0mm无磁悬挂×4.71m+φ127.0mm无磁承压×27.57m+φ127.0mm钻杆;

②钻进参数：钻压35-55kN，泵压18MPa，转速50r/min，排量28L/s，扭矩21000-23500N·m，主要钻进方式为转盘钻进;

③钻进井段：4544.18-4746.54m，进尺202.36m，钻进时间47.48h，机械钻速4.26m/h;

④钻井液性能：密度1.26kg/L，塑性粘度27MPa·s。

钻柱强度计算结果如表2。

通过分析表2，可以发现该趟钻柱安全系数井底最大，向上逐渐减小，最小安全系数在井口附近。该趟鉆柱的安全系数较第四趟钻柱的安全系数低，但都大于2。另外，随井深增加综合应力不断减小。另外，该趟钻主要采用转盘钻进，通过对比表1表2可以发现扭应力的影响变得十分突出，这说明在大位移井钻进过程中，采用转盘钻进时钻柱的工作危险性增加，且井口处最危险。

3 降低钻柱风险举措

①优化组合钻柱：通过钻具组合设计，降低钻进扭矩的不利影响。比如采用加重钻杆代替钻铤施加钻压以减少钻铤的扭矩、摩阻;

②改善钻井液性能：钻井液中携砂能力差会导致固相含量大、岩屑沉积增厚、摩擦系数增大，都会导致摩阻和钻进扭矩的增加;

③优化井眼轨迹：通过降低造斜率，使井眼更为规则平顺，避免狗腿较大带来的摩阻和扭应力;

④减扭工具：低扭矩钻杆在中间部位带3个整体稳定器，通过搅动紧靠造斜段底部的岩屑，当岩屑床被消除，扭矩将保持常数。

4 结论

①根据大位移井的钻柱强度分析计算和校核方法得出全井安全系数后，应采取针对措施，转动滑动钻进相结合，避免部分位置过度受同一种力影响，确保钻柱安全;

②对于大位移井来说，钻进时扭转引起的剪应力对钻柱的强度影响极大，是强度安全的首要考虑因素;

③通过多种措施降低摩阻，改善扭矩，也是提高钻柱安全系数的有效方法。

参考文献：

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