大位移井鉆柱安全分析方法及應用

曲鑫

摘 要：隨著油氣資源的不斷開采，剩余油氣資源的開采難度越來越高，大位移井的應用也越來越多。鉆井作業現場表明，大位移井鉆進過程中經常會遇到井壁失穩、鉆具斷裂等問題。本文通過分析大位移井的鉆柱結構及受力特點，并借鑒鉆柱強度計算分析模型建立了一套適合于大位移井鉆柱強度安全系數計算方法，利用該方法對某鉆井過程中兩趟鉆的鉆柱進行了強度計算和安全分析。

關鍵詞：大位移井;綜合應力;鉆具強度;安全分析

由于大位移井的大斜度井段長、水平位移大，鉆柱受重力影響都在井壁下沿，所以鉆進過程中鉆柱在裸眼中的摩阻、扭矩都很大，鉆柱受到的綜合應力較大，安全系數較低。因此在大位移井鉆井過程中正確計算鉆柱綜合應力，合理設計鉆柱結構、降低摩阻是確保安全鉆井的關鍵之一。

1 鉆柱強度分析計算

對于常規直井鉆進來說，鉆柱強度安全分析一般只考慮井口、中性點和鉆頭連接處，而在大位移井鉆進過程中，鉆柱因自重導致彎曲，其始終承受著較高的摩阻以及扭矩，鉆柱中的任何一點既受到摩阻引起的軸向應力，又受到扭矩引起的不同方向的剪應力，這些都會對鉆具安全帶來不利影響。所以在對大位移井的鉆柱進行安全分析時應以綜合應力來判斷全井井柱某點或者某截面是否會發生屈服。在此，我們每隔10-20m就進行一次計算和分析。另外，對一個斷面來說，管柱內外壓差導致的附加剪應力可能造成管柱內壁受到的綜合應力大于管柱外壁，因而應對斷面的內壁和外壁也進行強度計算和校核。

根據以上分析，我們采用了以下模型計算鉆柱的各項應力、綜合應力和安全系數。

軸向應力σa=Ta/A

彎曲應力σbi=σboDi/Do

扭轉剪應力τmo=16MmDo/π（Do4-Di4），τmi=16MmDi/π

（Do4-Di4）

附加剪應力τno=Ai（Pi-Po）/A，τni=Ao（Pi-Po）/A

強度安全系數Ni=σs/σei，No=σs/σeo

模型中Ta為計算斷面上的軸向力，A為計算斷面的截面積，σei、σeo分別表示計算斷面上鉆柱內外緣處彎曲應力，Di、Do分別為計算斷面處鉆柱的內外直徑。Mm為計算斷面上的扭矩，τni、τno分別表示計算斷面上鉆柱內外緣處附加剪應力，Pi、Po分別為計算斷面處管內外液柱壓力，Ai、Ao分別為計算斷面處鉆柱內外截面積，Ni、No分別表示計算斷面上鉆柱內外緣處的強度安全系數，σs為鉆柱鋼材的屈服極限。

2 鉆柱強度安全分析實例

根據上文提出的鉆柱強度分析模型，對某井三開以后兩趟鉆具組合的強度進行了分析計算和安全分析。

2.1 第三趟鉆鉆具組合分析

①鉆具組合：φ215.9mmPDC×0.31m+φ171.5mmDTU×6.48m+φ158.8mm無磁鉆鋌×8.68m+φ127.0mm無磁承壓×27.57m+φ127.0mm鉆桿;

②鉆進參數：鉆壓35-50kN，泵壓20MPa，轉速50r/min，排量28L/s，扭矩20000-24000N·m，主要鉆進方式為滑動鉆進;

③鉆進井段：3901.04-4193.18m，進尺292.14m，鉆進時間17.31h，機械鉆速16.9m/h;

④鉆井液性能：密度1.30kg/L，塑性粘度28MPa·s。

鉆進鉆柱強度計算結果如表1。

通過對表1進行分析，我們可以看出本趟鉆柱距鉆頭越近，安全系數越高;距井口越近，安全系數越小。全井鉆柱的安全系數都大于3，鉆柱上部井段軸向應力占主導地位，井底的扭應力開始產生影響。主要采用滑動方式鉆進，扭應力影響的井段較短，彎曲應力較為均勻。

2.2 第六趟鉆鉆具組合分析

①鉆具組合：φ215.9mm牙輪鉆頭×0.25m+φ171.3mm動力鉆具×9.20m+φ159.2mm無磁鉆鋌×9.04m+φ170.4mm

FEWD×7.08m+φ170.0mm無磁懸掛×4.71m+φ127.0mm無磁承壓×27.57m+φ127.0mm鉆桿;

②鉆進參數：鉆壓35-55kN，泵壓18MPa，轉速50r/min，排量28L/s，扭矩21000-23500N·m，主要鉆進方式為轉盤鉆進;

③鉆進井段：4544.18-4746.54m，進尺202.36m，鉆進時間47.48h，機械鉆速4.26m/h;

④鉆井液性能：密度1.26kg/L，塑性粘度27MPa·s。

鉆柱強度計算結果如表2。

通過分析表2，可以發現該趟鉆柱安全系數井底最大，向上逐漸減小，最小安全系數在井口附近。該趟鉆柱的安全系數較第四趟鉆柱的安全系數低，但都大于2。另外，隨井深增加綜合應力不斷減小。另外，該趟鉆主要采用轉盤鉆進，通過對比表1表2可以發現扭應力的影響變得十分突出，這說明在大位移井鉆進過程中，采用轉盤鉆進時鉆柱的工作危險性增加，且井口處最危險。

3 降低鉆柱風險舉措

①優化組合鉆柱：通過鉆具組合設計，降低鉆進扭矩的不利影響。比如采用加重鉆桿代替鉆鋌施加鉆壓以減少鉆鋌的扭矩、摩阻;

②改善鉆井液性能：鉆井液中攜砂能力差會導致固相含量大、巖屑沉積增厚、摩擦系數增大，都會導致摩阻和鉆進扭矩的增加;

③優化井眼軌跡：通過降低造斜率，使井眼更為規則平順，避免狗腿較大帶來的摩阻和扭應力;

④減扭工具：低扭矩鉆桿在中間部位帶3個整體穩定器，通過攪動緊靠造斜段底部的巖屑，當巖屑床被消除，扭矩將保持常數。

4 結論

①根據大位移井的鉆柱強度分析計算和校核方法得出全井安全系數后，應采取針對措施，轉動滑動鉆進相結合，避免部分位置過度受同一種力影響，確保鉆柱安全;

②對于大位移井來說，鉆進時扭轉引起的剪應力對鉆柱的強度影響極大，是強度安全的首要考慮因素;

③通過多種措施降低摩阻，改善扭矩，也是提高鉆柱安全系數的有效方法。

參考文獻：

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