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摘要：本次要设计的异向双弯工具针对新疆吐哈油田鄯勒区块J2X地层易斜，采用常规钻进，井斜较大，钻速不高等特点，通过ABAQUS软件，优化设计了新的?165mm异向双弯防斜钻具，同时在制造过程中采用新型铸造工艺。在降低井斜的情况下，取得了提速约74%的良好效果，达到了预期目标。
关键词：异向双弯；铸造工艺；液力推进器；井斜
中图分类号：TE921 文献标识码：A
1 引言
吐哈油田地层倾角大，防斜打快问题十分突出，2006年吐哈油田研发了防斜打快集成配套技术，解决了易斜区块中上部地层的防斜打快问题。但在鄯勒、葡萄沟区块的下部J2X井段（2800～3500m）由于煤层发育，地层复杂，为保证井下安全，只能采用光钻铤和液力加压防斜两种钻具结构，钻压得不到释放，井斜得不到有效控制，鄯勒区块完井电测数据显示3000～3500m井段井斜在15～20°之间；牛东区块在1500m以后方位固定不变，井斜问题突出，地层破碎坍塌，只能采用常规钻具吊打防斜。针对这些问题，在总结各种防斜钻具组合的基础上，吐哈油田设计研发了异向双弯工具。
2 异向双弯工具的优化设计
2.1 异向双弯工具三维模型的建立
利用Pro/E软件建立如图3所示的异向双弯工具的三维模型。其中偏心角为3.0°，弯壳体直径为185mm，扶正器直径214mm，扶正器高度24.5mm，上稳定器到下拐点的距离为4500mm，下稳定器到钻头距离为1200mm。
2.2 异向双弯工具有限元模型的建立
将画好的异向双弯三维模型图保存为STEP格式，并导入ABAQUS中。依次经历材料的赋予，装配，设置分析步，以及载荷的赋予和边界条件的施加，网格的划分等，图2是异向双弯工具三维模型网格的划分，图3是异向双弯工具的Von-Mises应力云图。
图2 异向双弯工具网格的划分 图3 异向双弯工具Von-Mises应力云图
2.3 异向双弯工具优化设计过程
2.3.1 端部直壳体设计
根据实际现场应用情况，假定转速为55r/min，弯角为1.5°，且扶正器位置距离钻头为1600mm，中部直壳体长度取5100mm。在ABAQUS中，这些因素保持不变的情况下，钻压取50kN来进行分析，取不同的端部直壳体的长度，钻具侧向力大小表1所示：
表1 端部直壳体长度变化及受力情况
端部直壳体长度（mm） 300 400 500 600
钻具侧向力（N） 1250 1180 1010 990
随着端部直壳体长度的逐渐增加，钻具侧向力则呈下降趋势。但端部直壳体的长度位于300mm到500mm的时候影响最大，可以在实际设计应用中在此区段改变端部直壳体的长度以取得较好的实际防斜效果。
2.3.2 中部直壳体设计
假定转速为60 r/min，弯角为1.5°，且扶正器位置距离钻头为1600mm，同样，在这些因素保持不变的情况下，钻压取50kN来进行分析，取不同的中部直壳体长度，钻具侧向力受力如表2所示：
表2 中部直壳体长度变化及受力情况
中部直壳体长度（mm） 5100 5300 5500 5700
钻具侧向力（N） 1630 1560 1470 1350
随着中部直壳体长度的逐渐增加，钻具侧向力呈下降趋势。在实际应用中如果需要增加防斜效果，则可以适当减小中部直壳体的长度。
2.3.3 铸造工艺优化
在异向双弯工具铸造中，将TRIZ理论应用于铸造工艺优化中，能够解决工艺问题冲突，显著改进工艺，满足生产需要。异向双弯工具铸造工艺优化步骤：描述铸造缺陷；确定根本原因；分析及确定各级影响因素；利用TRIZ物场模型分析各最小子问题并识别、确定TRIZ冲突；建立TRIZ标准问题；根据40发明原理或76标准解，分别求解TRIZ标准解，求解专业解并最终确定铸造工艺优化方案。
3现场应用
本次新设计的配合有液力推进器的异向双弯工具在勒1-8井、勒4-15井J2X地层进行了试验。
3.1钻具组合结构
?216mm3A+ ?165mm液力推力器×5.3m+ ?165mm异向双弯×7.13m+?159mmDC×6m
+127mmDP
3.2试验结果
勒1-8、勒4-15入井井斜初始角分别1.7°、3.2°，通过异向双弯短节在鄯勒区块J2X地层的试验，井斜同比常规钻具降低，机械钻速提高到3.67m/h，相比常规钻具组合，提高幅度达74%；其中勒4-15井井斜变化幅度比较大，最高达10?，降斜效果不好，究其原因，在该井实际操作过程中，钻压为180kN，钻头上的一部分钻压实际上是由钻铤重量提供的，因此造成了钻具弯曲变形，从而影响了钻具纠斜能力，导致井斜偏大。
4结论
1）使用ABAQUS有限元分析软件分析了端部直壳体的长度和中部直壳体的长度，弯壳体的偏心角，钻压等设计参数的变化对钻具纠斜能力的影响，为改进优化钻具设计，提供了必要的技术支持。
2）在ABAQUS有限元分析的基础上，新设计的异向双弯防斜钻具组合利用异向弯壳体及单边扶正器结构，简化钻具，抗弯防斜，增加环容，释放钻压，并采用新的铸造工艺方案，制造出的异向双弯工具能够较好的解决了吐哈鄯勒区块易斜地层钻井的“防斜”和“快打”的矛盾。
3）经过现场试验，可以证明新设计的?165mm异向双弯工具配合?165mm×5.3m液力推力器与?216mm3A（钢齿钻头）使用，能够满足该区块J2X地层，地层倾角在45°～60°之间的216mm井眼防斜快打的需要。
参考文献
[1]帅健，于永南，洪学福.短弯外壳导向钻具的造斜率计算[J].石油钻采工艺，1996，18（1）：4-9.
[2]冯艳宏.基于ABAQUS的混合陶瓷深沟球轴承摩擦接触问题数值分析[D].天津：天津大学，2007.
关键词：异向双弯；铸造工艺；液力推进器；井斜
中图分类号：TE921 文献标识码：A
1 引言
吐哈油田地层倾角大，防斜打快问题十分突出，2006年吐哈油田研发了防斜打快集成配套技术，解决了易斜区块中上部地层的防斜打快问题。但在鄯勒、葡萄沟区块的下部J2X井段（2800～3500m）由于煤层发育，地层复杂，为保证井下安全，只能采用光钻铤和液力加压防斜两种钻具结构，钻压得不到释放，井斜得不到有效控制，鄯勒区块完井电测数据显示3000～3500m井段井斜在15～20°之间；牛东区块在1500m以后方位固定不变，井斜问题突出，地层破碎坍塌，只能采用常规钻具吊打防斜。针对这些问题，在总结各种防斜钻具组合的基础上，吐哈油田设计研发了异向双弯工具。
2 异向双弯工具的优化设计
2.1 异向双弯工具三维模型的建立
利用Pro/E软件建立如图3所示的异向双弯工具的三维模型。其中偏心角为3.0°，弯壳体直径为185mm，扶正器直径214mm，扶正器高度24.5mm，上稳定器到下拐点的距离为4500mm，下稳定器到钻头距离为1200mm。
2.2 异向双弯工具有限元模型的建立
将画好的异向双弯三维模型图保存为STEP格式，并导入ABAQUS中。依次经历材料的赋予，装配，设置分析步，以及载荷的赋予和边界条件的施加，网格的划分等，图2是异向双弯工具三维模型网格的划分，图3是异向双弯工具的Von-Mises应力云图。
图2 异向双弯工具网格的划分 图3 异向双弯工具Von-Mises应力云图
2.3 异向双弯工具优化设计过程
2.3.1 端部直壳体设计
根据实际现场应用情况，假定转速为55r/min，弯角为1.5°，且扶正器位置距离钻头为1600mm，中部直壳体长度取5100mm。在ABAQUS中，这些因素保持不变的情况下，钻压取50kN来进行分析，取不同的端部直壳体的长度，钻具侧向力大小表1所示：
表1 端部直壳体长度变化及受力情况
端部直壳体长度（mm） 300 400 500 600
钻具侧向力（N） 1250 1180 1010 990
随着端部直壳体长度的逐渐增加，钻具侧向力则呈下降趋势。但端部直壳体的长度位于300mm到500mm的时候影响最大，可以在实际设计应用中在此区段改变端部直壳体的长度以取得较好的实际防斜效果。
2.3.2 中部直壳体设计
假定转速为60 r/min，弯角为1.5°，且扶正器位置距离钻头为1600mm，同样，在这些因素保持不变的情况下，钻压取50kN来进行分析，取不同的中部直壳体长度，钻具侧向力受力如表2所示：
表2 中部直壳体长度变化及受力情况
中部直壳体长度（mm） 5100 5300 5500 5700
钻具侧向力（N） 1630 1560 1470 1350
随着中部直壳体长度的逐渐增加，钻具侧向力呈下降趋势。在实际应用中如果需要增加防斜效果，则可以适当减小中部直壳体的长度。
2.3.3 铸造工艺优化
在异向双弯工具铸造中，将TRIZ理论应用于铸造工艺优化中，能够解决工艺问题冲突，显著改进工艺，满足生产需要。异向双弯工具铸造工艺优化步骤：描述铸造缺陷；确定根本原因；分析及确定各级影响因素；利用TRIZ物场模型分析各最小子问题并识别、确定TRIZ冲突；建立TRIZ标准问题；根据40发明原理或76标准解，分别求解TRIZ标准解，求解专业解并最终确定铸造工艺优化方案。
3现场应用
本次新设计的配合有液力推进器的异向双弯工具在勒1-8井、勒4-15井J2X地层进行了试验。
3.1钻具组合结构
?216mm3A+ ?165mm液力推力器×5.3m+ ?165mm异向双弯×7.13m+?159mmDC×6m
+127mmDP
3.2试验结果
勒1-8、勒4-15入井井斜初始角分别1.7°、3.2°，通过异向双弯短节在鄯勒区块J2X地层的试验，井斜同比常规钻具降低，机械钻速提高到3.67m/h，相比常规钻具组合，提高幅度达74%；其中勒4-15井井斜变化幅度比较大，最高达10?，降斜效果不好，究其原因，在该井实际操作过程中，钻压为180kN，钻头上的一部分钻压实际上是由钻铤重量提供的，因此造成了钻具弯曲变形，从而影响了钻具纠斜能力，导致井斜偏大。
4结论
1）使用ABAQUS有限元分析软件分析了端部直壳体的长度和中部直壳体的长度，弯壳体的偏心角，钻压等设计参数的变化对钻具纠斜能力的影响，为改进优化钻具设计，提供了必要的技术支持。
2）在ABAQUS有限元分析的基础上，新设计的异向双弯防斜钻具组合利用异向弯壳体及单边扶正器结构，简化钻具，抗弯防斜，增加环容，释放钻压，并采用新的铸造工艺方案，制造出的异向双弯工具能够较好的解决了吐哈鄯勒区块易斜地层钻井的“防斜”和“快打”的矛盾。
3）经过现场试验，可以证明新设计的?165mm异向双弯工具配合?165mm×5.3m液力推力器与?216mm3A（钢齿钻头）使用，能够满足该区块J2X地层，地层倾角在45°～60°之间的216mm井眼防斜快打的需要。
参考文献
[1]帅健，于永南，洪学福.短弯外壳导向钻具的造斜率计算[J].石油钻采工艺，1996，18（1）：4-9.
[2]冯艳宏.基于ABAQUS的混合陶瓷深沟球轴承摩擦接触问题数值分析[D].天津：天津大学，2007.