深井底部钻具组合选型及防斜性能评价指标分析

崔海波

(中石化经纬有限公司 地质测控技术研究院，山东 青岛 266000)

目前，我国陆地油气资源勘探以深部地层钻探为主，在新疆等主力探区，完钻井深屡创纪录。例如，2021年完钻的塔深5井[1]，设计井深8 890 m，完钻井深达9 017 m。随着深井钻井技术的发展，一套系统化的深井钻井理论体系正在形成，并日渐完善。其中的深井防斜打快技术体系优化包括井身结构优化、钻井液优选、钻头优选、底部钻具组合(以下简称BHA)优化设计以及钻井方式优选等。制约钻井速度的主要因素是BHA的种类与结构，以及钻头与地层的配合[2]。由于深部地层情况复杂，岩石可钻性极值大、研磨性强，在进行深井BHA设计时，只有综合考虑地层-BHA-钻头之间的相互作用，针对实钻情况合理设计计算参数，才能在钻前有效模拟井下情况，优选防斜钻具组合。

在地层-钻头-BHA的相互作用方面，前人已经做了大量研究。Lubinski和Woods[3]提出了地层各向异性指数的概念，用于描述岩石各向异性。白家祉[4]等通过分析总结大量井史资料，给出了预测地层造斜率的经验公式。苏义脑[5]提出了计算BHA造斜能力的极限曲率法。在众多方法中，平衡趋势法[6-8]能够定量分析地层、钻头以及BHA力学结构对钻具组合防斜性能的影响。该方法以井斜趋势角为评价指标，预测钻头前进趋势，在现场取得了较好的应用效果。

本文基于纵横弯曲梁法和平衡趋势原理建立了深井防斜钻具组合的防斜能力评价模型，分析了几类典型的防斜钻具组合的防斜能力，提出了一种深井防斜钻具组合优选方法。

1 钻具组合防斜性能评价参数求解

通过调研文献资料[9]，总结常用的几类被动式防斜钻具组合的基本结构和防斜机理，如表1所示。总体而言，各类防斜钻具组合都是凭借特殊的结构设计，使BHA在钻进时能产生使钻头向着降斜趋势前进的力。

表1 常用被动式防斜钻具组合的基本结构与防斜机理

1.1 BHA力学模型建立

为了深井钻井提速的需要，常采用PDC钻头+井下动力钻具/提速工具型钟摆钻具组合设计，例如，“孕镶金刚石钻头+高速螺杆钻具”复合钻进技术，其在新疆玛湖[10, 11]、四川盆地川中地区[12]的深井钻井实践中都取得了较好的效果。

应用平衡趋势法分析钻具组合的防斜能力时，首先需要求解钻头侧向力和转角。以直螺杆型钟摆钻具组合为例，如图1所示。采用纵横弯曲梁法建立力学分析模型，如图2所示。其他类型钻具组合力学模型建立与其类似。

图1 直螺杆单钟摆钻具组合示意图

Pb-钻压；M-内弯矩；y-纵坐标；L-跨梁柱的长度；q-横向均布载荷。图2 直螺杆单钟摆钻具力学模型示意图

直螺杆和短钻铤连接处存在变截面，需要在此处将钻具断开，即新增1跨梁。增加1跨梁后会新增2个未知量，即断开截面处的内弯矩M1和挠度Y1。此外，系统还存在稳定器处的内弯矩M2和最后一跨长度Lt2个未知量。

变截面处存在如式(1)～(2)的连续性条件：

(1)

Q1=Q2

(2)

由上述连续性条件可以得到如式(3)～(4)的三弯矩方程：

(3)

(4)

式中：Pb为钻压；Li、Ii、Pi、qi分别为第i跨梁柱的长度、截面矩、轴向力、线重；E为弹性模量；Mi、Yi分别为第i个支座处的内弯矩和y坐标；X(ui)、Y(ui)、Z(ui)分别为第i跨梁端部转角放大因子。

稳定器和上切点处的连续性条件如式(5)～(6)：

(5)

(6)

式中：θT为上切点处的端部转角；K为井眼曲率。

可以得到另外2个三弯矩方程为：

(7)

(8)

由式(3)、(4)、(7)和(8)组成了直螺杆钟摆钻具组合的三弯矩方程组，求解出M1、Y1后即可计算出钻头处的侧向力Nb和转角Aα：

(9)

(10)

1.2 井斜趋势角求解

BHA的力学分析仅仅是从BHA结构及钻井参数2个方面考虑钻具组合的力学特性。平衡趋势原理则进一步将下部钻具组合的受力变形和地层以及钻头特性相结合，定量地描述3者之前的相互作用关系。平衡趋势原理以井斜趋势角[13-14]预测钻头的前进趋势，如图3所示，图中θ为钻头转角，α为钻头轴向切削位移和侧向切削位移不同而产生的夹角，即钻头各向异性产生的附加转角，β为井斜趋势角。当β>0时，钻头为增斜趋势；当β<0是，钻头为降斜趋势。

图3 井斜趋势角示意图

平衡趋势原理基于NL钻头-地层相互作用模型[15]建立，当假设地层为横向各向同性，钻进方向可以表示为：

rNer=IbIref+Ir(1-Ib)cosAafea+(1-Ir)×

rNcosArded

(11)

式中：Ib、Ir为钻头地层各向异性指数；Aaf为钻头合力方向和钻头轴向方向的夹角；Ard为钻进方向和地层层面法线方向的夹角；rN为一般状态下的钻进效率；er、ef、ea以及ed分别为钻进趋势方向、钻头合力方向、钻头轴线方向及地层层面法线方向的单位矢量。

将求取的钻头侧向力、转角代入式(11)即可求得井斜趋势角Ar：

(12)

式中：K1,K2分别为井口坐标系到井底坐标系及井口坐标系转换到地层坐标系的转换矩阵。

2 钻具组合防斜性能影响因素分析

总体而言，影响钻具组合防斜能力的因素可以分为2类，即客观因素和主观因素。客观因素主要是不能人为改变的地层因素，包括地层倾角和地层各向异性等；主观因素主要包括钻井参数、钻头选型和BHA结构设计等，这类因素是可调控的。钻井实践表明，地层因素在很多情况下是引起井斜的决定性因素，具体来说是可以总结为地层倾角大和地层各向异性强。不同种类的防斜钻具组合，由于自身结构的差异，适用的情景也不同。因此，优选防斜钻具组合的第1步就是按照不同的地层情况，分析BHA的适用性。以ø215.9 mm尺寸井眼为例，选定3套典型的防斜钻具组合。

1) 塔式钻具组合。ø215.9 mm钻头+ø178.8 mm钻铤×3根+ø158.8 mm钻铤。

2) 钟摆钻具组合。ø215.9 mm钻头+ø172 mm直螺杆+ø158.8 mm钻铤×1根+ø215 mm稳定器+ø158.8 mm钻铤。

3) 单弯双稳钻具组合。ø215.9 mm钻头+ø172 mm弯螺杆钻具(带欠尺寸稳定器)+ø158.8 mm短钻铤+ø215 mm稳定器+ø158.8 mm钻铤。

图4和图5分别为井斜趋势角随地层倾角和地层各向异性指数的变化关系，结果表明，3类钻具组合中单弯双稳导向钻具组合对地层适应性最好。当地层倾角不大于5°时，塔式钻具组合能够有效防斜；当地层倾角略大于5°时，应改用钟摆钻具组合；当地层倾角大于7°并小于10°时，宜使用预弯曲动力钻具组合；当地层倾角大于10°后，应采用垂直钻井工具。

图4 井斜趋势角随地层倾角的变化关系

图5 井斜趋势角随地层各向异性指数的变化关系

各项钻井参数中，增大钻压是提高机械钻速的主要手段，但不同类型钻具组合对钻压的敏感性不同。图6为3种钻具组合防斜性能随钻压的变化关系。结果显示，随着钻压的增大，塔式钻具组合和钟摆钻具组合均由降斜趋势转变为增斜趋势，不利于防斜打快；单弯双稳钻具组合对钻压适应性好，随着钻压增大，始终为降斜趋势。

图6 井斜趋势角随钻压的变化关系

钻头方面，常用钻头各向异性指数来描述不同类型钻头的切削特性，钻头各向异性指数越大，代表钻头侧向切削能力越强。图7为井斜趋势角随钻头各向异性指数的变化关系。结果表明，钻头的侧向切削能力越强，越有利于防斜打快。

图7 井斜趋势角随钻头各向异性指数的变化关系

除了在钻井过程中防斜，在井斜发生后BHA的纠斜能力也是优选防斜快打钻具组合的1个重要指标，如果BHA纠斜能力较弱，常常需要起钻更换钻具组合，这就产生了大量的非生产时间，提高了钻井成本。

图8结果表明，随着井斜角增大，钟摆钻具组合和塔式钻具组合的降斜趋势快速增大，这表明塔式钻具组合和钟摆钻具组合具有更强的降斜能力。

图8 井斜趋势角随井斜角的变化关系

综合以上结果可知，对于列出的3类防斜钻具组合，各项参数中地层倾角变化对井斜趋势角的影响最大。因此，深井防斜钻具组合的优选应按照如下步骤进行：

1) 根据邻井信息分析待钻井地层情况，确定目标层位地层倾角大小和地层各向异性强弱，初步选定防斜钻具组合类型。

2) 根据现场条件确定钻头参数，并按照现场施工需求确定各项钻井参数。

3) 分别分析每套待选钻具组合在当前情况下的防斜性能强弱，以此为指标最终选定钻具组合。

3 结论

1) 本文基于纵横弯曲梁模型和平衡趋势原理建立了底部钻具组合(BHA)的防斜能力评价方法。该方法能够定量描述钻头-地层-BHA 之间的相互作用关系，适用于深井防斜快打钻具组合优选。

2) 深井防斜钻具组合的优选应先从地层因素出发，根据地层特性初步选定钻具组合类型。然后根据钻头情况和现场施工需求进一步分析备选钻具组合的防斜性能，并以防斜性能为指标确定钻具组合优选结果。