关于高效导向螺杆钻具的研究与应用的若干思考

控制井眼轨迹中，实施滑动导向和复合钻进时，使用一些经常用到的导向螺杆往往会发生钻头无法有效加载与产生螺旋井眼的缺陷问题，这将直接的干扰了井眼轨迹的控制成效，要想避免这些问题的发生，就必须采取高效导向螺杆钻具进行。笔者根据自身工作经验，主要对高效导向螺杆钻具的应用进行了一番分析研究。
    高效导向螺杆钻具指的是在螺杆钻具驱动的地方安装一种受螺杆钻具驱动旋转的窄带螺旋稳定器，共有以下功能优势：在底部钻具组合中属于近钻头支点，能够使BHA的滑动导向能力不断提升；布置近钻头与近满眼能够使井壁更加的完善；进行滑动导向钻进时，近钻头稳定器会保持一种旋转状态，其不会有太大的滑动阻力，有效防止了拖压问题的发生，优势之处众多。
    近钻头稳定器结构设计及螺杆动力系统优化
    1.1.近钻头稳定器结构设计
    科学合理设计近钻头稳定器结构对于高效导向螺杆钻具利用率的提升具有重要作用，实际中应做好以下两方面：首先，要求稳定器处于旋转状态时应产生支点效应、具有较好的稳定性以及实现低的额外扭矩；其次，做好岩屑的排导工作。所以，稳定器应以螺旋过封闭扶正翼为首选，经过一周的旋转能使支撑外径处于稳定状态下，并且在旋转运行过程中具有较好的稳定性，不会产生大的额外扭矩。采用钻井液轴向流速与切向速度进行计算，知道了各种外径螺杆钻具过程中的扶正翼螺旋角与稳定器的全部泄流面积。同时，有效的将岩屑进行了排导。
    1.2.螺杆动力系统结构优化
    在对高效导向螺杆钻具的结构进行改造时，应切实保证螺杆钻具具有较高的动力输出能力及良好的使用寿命。总的来说，优化螺杆动力系统的结构时，应做到以下几方面：选择等壁厚定子工艺，这样输出扭矩及其功率就会有进一步的提升；要求转子使用镀铬工艺，然后，配合等壁厚定子，这样螺杆钻具的使用寿命就会长久；进行长导程的设计和新添单级导程，使得输出扭矩得到大大增强。
    带高效导向螺杆钻具BHA导向力分析
    随着高效导向螺杆钻具的实施，使得近钻头稳定器和钻头端面间的距离不再那么远，对BHA的导向力特征作了全面的改变。本文以下主要对带高效导向螺杆钻具BHA导向力进行了分析。以下主要以φ172mm高效导向螺杆钻具为例，对BHA的导向力变化规律进行了一番分析研究。
    2.1.BHA结构及参数
    钻头为215.9mm，高效导向螺杆钻具为172mm，钻铤为165mm，该图中的L₁代表的是钻头端部与近钻头稳定器支点的距离，达到了0.5m；L2l代表的是近钻头稳定器支点与弯点距离，达到了1.8m；DS₁代表的是近钻头稳定器的外径，达到了214mm；DS2代表的是上稳定器外径，达到了214mm；L2代表的是上稳定器支点与近钻头稳定器支点距离，达到了16m。
    2.2.参数影响规律
    如果结构参数和井眼轨迹条件各异，那么，应通过导向力计算软件SABHA对相关的导向力特征加以准确计算。从最后所得的结果可以看出，当存在较大的井斜角时，将会进一步加大滑动导向力与复合钻井的导向力，相较于普通的导向BHA，这两种工况状态下的导向力得到了增强，因此我们将改进后的导向螺杆钻具称之为高效导向螺杆钻具。所有参数对导向力有以下影响规律：进行滑动导向钻进过程中，导向处于一种增斜力状态，同时，上稳定器支点与近钻头稳定器支点距离越大，滑动导向就会在斜角的不断增加下而有所提升，当上稳定器支点与近钻头稳定器支点距离达到18m时，两者间的距离最为理想，导向力也就会增大。进行复合钻进时，若井斜角未达到10°，那么，合导向力属于降斜力；若上稳定器支点与近钻头稳定器支点距离大于14m，井斜角高出10°，那么，导向力就会变为增斜力，同时导向力会随着井斜角的不断增大而增大；当井斜角高出50°时，就会使得增斜力处于稳定状态。另外，井眼轨迹控制时，强调造斜钻进和稳斜钻进应共用相同的钻具方能增强钻井时效，因此，在明确钻具组合结构参数时，必须对滑动导向及复合钻井导向两者的功效进行全面的考虑。
    高效导向螺杆钻具应用效果
    3.1.深部井段导向钻进效果
    在对井眼轨迹控制的要求进行一番分析研究，结合导向力分析计算结果，明确选择带高效导向螺杆钻具的底部钻具组合配合PDC钻头入井。实践证明，在导向钻进过程中，有利于工具面的控制，螺杆钻具压差敏感，避免了拖压问题的发生。机械钻速增加到了8．62 m／h。在稳斜旋转钻进过程中，井斜有了一定的降低，大概在1．4°／30 m，与预期提出的井眼轨迹控制要求完全一致。
    3.2.井眼轨迹质量
    采用ANSYS系统准确获悉传动轴受外载与约束作用状态下的应力分布情况，通过实践表明，应力值最高能够达到434Mpa，主要位于传动轴过渡截面位置上。根据各外径对其最大应力值进行计算后发现，在材质条件稳定不变下，传动轴的外径会有所增大，且提升了作业的安全水平，倘若将传动轴的外径提升5mm，那么，高效导向螺杆钻具的承载能力就会提高百分之十六。因此，在实际生产过程中，以LZ95螺杆钻具为例，其传动轴的外径应取值100mm为宜。

    综上所述可知，实际中使用高效导向螺杆钻具对于现场作业与安全要求能够很好的满足，可以处理好普通螺杆钻具滑动导向过程中无法解决的拖压问题，可有效控制工具面，相较于普通的导向螺杆钻具，高效导向螺杆钻具具有更优的深层导向钻进效率；通过高效导向螺杆钻具钻出的井眼具有较高的规则性，十分光滑，不仅使得井眼摩阻及钻进扭矩进一步降低，而且对后续井下作业提供了极大的便利。