1、第三章第三章 井眼轨道设计与控制井眼轨道设计与控制井眼轨道 定向井直井：设计井眼轴线为一铅垂线，其井斜角、井底水平位移和全角变化率均在限定范围。定向井：沿着预先设计的井眼轨道，按既定方向偏离井口垂线一定距离，钻达一定目标的井普通定向井：一个井场内仅有1口最大井斜角小于60的定向井。斜直井：用斜直钻机或斜井架完成，自井口开始井眼轨道一直是一段斜井段的定向井。大斜度井：最大井斜角在60 80范围内的定向井水平井：最大井斜角大于或等于86，并保持这种井斜角钻完一定长度段的井。长曲率半径：6/30m 中曲率半径：6 20/30m水平井 中短曲率半径：1 20/30m 短曲率半径：1 10/m 径向水平
2、井：k=丛式井：在一个井场内有计划地钻出两口或两口以上的定向井组，其中可含1口直井。多底井（分支井）：一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。第一节 井眼轨道设计的原则和方法一、基本概念1 井眼轨道的基本要素井眼轨道：表示井眼轴线形状的图形。井深D ：转盘补心到井底的深度。测深m：某测点到转盘补心的井眼轴线实际长度。垂深：井眼轴线上某测点至井口转盘所在平面的垂直距离。井斜角i i：轴线切向方向与垂线的夹角。方位角：正北顺时针转至轴线上某点切线在水平面的投影的夹角。井眼曲率Rh：单位长度井段井眼轴线的切线所转过的角度。井斜变化率Rn：单位长度井段井斜角变化值。方位变化率Ri：单位长度井段方位角
3、变化值。井底闭合方位角h h ：从正北方向顺时针转至井口与井底的水平投影连线的夹角。井底水平位移Sh：井口与井底两点在水平投影面上的直线距离。直井段直井段造斜点造斜点增斜段增斜段最大井斜角最大井斜角max 降斜段降斜段直井段直井段斜井深斜井深水平位移水平位移1)直井段:设计井斜角为零度的井段。2)造斜点（）:开始定向造斜的位置称为造斜点。通常以该点的井深来表示。3)造斜率（）:造斜工具的造斜能力,即该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。4)造(增)斜段:井斜角随井深增加的井段。5)稳斜段:井斜角保持不变的井段。6)降斜段:井斜角随着井深的增加而减小的井段。7)目标点:设计规定的、必须钻达的地层位置
4、，通常以地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示.8)靶区及靶区半径（）:包含目标点在内的一个区域称为靶区。在一般油气井中，靶区半径为允许实钻井眼轨道偏离设计目标点的水平距离,靶区为在目标点所在的水平面上,以目标点为圆心,以靶区半径为半径的一个圆面积。在大斜度井和水平井中，靶区为包含设计井眼轨道的一个柱状体。9)靶心距（）:在靶区平面上,实钻井眼轴线与目标点之间的距离 2.2.井身剖面井身剖面井身在垂直平面内的投影井身在垂直平面内的投影 1)工具弯角（）:在造斜钻具组合中,拐弯处上下两段的轴线间的夹角。2)工具面:在造斜钻具组合中,由弯曲工具的两个轴线所决定的平面。3)反扭角（）:在使用井
5、下动力钻具进行定向造斜或扭方位时,动力钻具启动前的工具面与启动后且加压钻进时的工具面之间的夹角。反扭角总是使工具面逆时针转动。4)高边：定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平面，称为井底圆；井底圆上的最高点称为高边；从井底圆心至高边之间的连线所指的方向称为高边方向；从正北方向线顺时针转至高边方向在水平面上的投影所转过的角度称为高边方位角。5)工具面角（）：造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。它有两种表示方法：高边工具面角和磁工具面角。高边工具面角是以高边方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线所转过的角度；磁工具面角为以正北方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线在水平面上的投影
6、线所转过的角度。NEABCO3.3.井眼轨道水平投影井眼轨道水平投影6)装置角（）:在启动钻具后且加压钻进时,工具面所处的角度，与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也可用磁工具面表示。7)安置角（）：在启动钻具前,工具面所处的角度。与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也可用磁工具面表示。8)安全控制圆锥（柱）:以设计井眼轴线为中心所限定的圆锥（柱）空间。9)误差椭球:由测量和计算误差引起的井底位置不确定性所构成的以井底为中心的椭球体。1）简单表示法方位角不变的井眼轴线此时：此时：nhRR 若AB弧有均匀曲率，则根据定义：mAmBBAhDDlR对于空间井眼轴线，可以用两个平面来表示对于空间井
7、眼轴线，可以用两个平面来表示垂直：垂直：RlRhH1hHnRR 水平：水平：rSSRABhA1lRihAiRR 空间曲率的计算空间曲率的计算 设有一空间曲线L，L上点A的定向要素为：DA、EA、NA、A、A、ShA；井深增加到B点，设AB弧与整个井眼相比为小量，其长设为dl，B点的定向要素为：DA+dD、EA+dE、NA+dN、A+d、ShA+dShA、A+d。连接AB两点，AB线段水平投影为AB线段。可以近似地认为：AB弧长=AB线段长=dl。在在垂直投影面中：垂直投影面中：A、A+d在平面AAB 内，令 AAB=，则 2dAcosddlDsinddlSh水平投影面中：水平投影面中：2dAs
8、inddhSEcosddhSN由于：sinddlShsinsinddlEcossinddlNlDlElNdcosddsinsinddcossind则：坐标参数与基本参数间的关系：坐标参数与基本参数间的关系：222222222222222222sincossinsincosdsinsindddsinsincoscosddsinsindcoscosd)cos(sindddsinddsind)(cosdddddddddinhininnRRRRRllERRlldllNRlllDlElNlDKRn、Ri对Rh都有影响。四、井眼轨道设计的原则和方法四、井眼轨道设计的原则和方法 井井眼眼轨轨道道的的类类型型
9、二维二维井眼井眼轨道轨道三维三维井眼井眼轨道轨道 设计井眼轴线仅在设计方位线所在铅垂平面上变化的井眼轨道。二维井眼轨道由垂直井段、增斜井段、稳斜井段和降斜井段组合而成。在设计井眼轴线上，既有江斜角变化又有方位角变化的井眼轨道。三维井眼轨道设计用于绕障井和现场待钻修正井眼轨道设计。1.1.井眼轨道的类型井眼轨道的类型 2.2.设计井眼轨道的原则设计井眼轨道的原则1)根据油气田勘探开发要求，保证实现钻井目的；2)根据油气田的构造特征、油气产状，有利于提高油气产量和采收率，改善投资效益；3)在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等参数时，有利于钻井、采油和修井作业；4)在满足钻井目的的前提下，应尽可能选
10、择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井深最短，以减小井眼轨道控制的难度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。(1)(1)造斜点的造斜点的 选择原则选择原则3.3.井眼轨道设计中有关因素的选择井眼轨道设计中有关因素的选择1)造斜点的选择在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带、漏失地层2）地层可钻性均匀，不应有硬夹层；3）要满足采油工艺要求；4)垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结构、加快钻速；5)垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，以减少定向施工的工作量；6)在井眼方位漂移地区，应使斜井段避开方位漂移大的地层或利用井眼方位漂移规律钻达目标点。(2)(2)最大井斜角最大井斜角(
11、3)井眼曲率井眼曲率直井在规定井斜角内；常规井和水平井交斜角小于15时，方位不稳定，因此，最大井斜角应大于15。井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难，因此，应根据具体情况，适当选择井眼曲率。设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道。二维轨道由垂直井段、造斜井段、稳斜井段、降斜井段组合而成，最常用的有四种类型。直井直井三段制三段制五段制五段制“S”型型直井段直井段造斜造斜稳斜稳斜特点：造斜点浅，施工简单，在表层套管内达最大井斜角。常用于不下中间套管的单一油层的中深井，也用于水平位移大的井和水平井。直井段直井段造斜段造斜段稳斜段稳斜段增斜段增斜段稳斜段稳斜段一般用于水平井直井段直井段造斜段造
12、斜段稳斜段稳斜段降斜段降斜段稳斜段稳斜段特点：造斜深度浅，造斜完成后下表层套管，稳斜钻进，在达到一定水平位移后降斜，在达到油层时井斜角符合要求。通常还要下一层中间套管，最后稳斜钻穿油层。定向井井眼轨道设计一定要认真执行井眼轨道设计原则，选择合理的井眼轨道类型，结合本井情况，设计出良好的井眼轨道。1)掌握原始资料主要是该地区的地质剖面、地表对井位的限制条件、目的层位的垂直井深和总水平位移、自然造斜规律、工具造斜能力、钻井技术水平以及故障提示等；2)根据井眼轨道确定原则，选定一个井眼轨道类型；3)根据原始资料选定造斜点的位置，并确定造斜率和降斜率的大小；4)确定最大井斜角；5)计算剖面上各井段的井
13、斜角、方位角、垂直井深、水平位移；6)核算井眼曲率，使其满足对它的各种限制条件，并做出井身的控制圆柱，即误差范围；7)绘制井眼轨道图，标出安全圆柱。设计实例设计实例例：例：已知某设计井的垂深D=3000m，水平位移Sh=1500m，方位角=30，造斜点垂直深度Dkop=400m，造斜率Rb1=2/30m，降斜率Rb2=1.5/30m，油层垂直深度De=2700m，要求稳斜进入油层，井斜角不大于e=8。目前常用的设计方法查图法作图法解析法dDShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo最大井斜角最大井斜角m的确定的确定在 kjf中：kjfjtgmhoSfjh
14、jakDkjo2tgRakm12tgRcfhjm22)tgR(RDkjm21o)cos(1RSSSsinRDDDe2hehhoe2kopeoShe：油层内水平位移De：油层深度2)tgR(RDStgm21ohom2tg122tgtgRRRm2mm21o若令：0S2tg2D2)tgS(2Rhomom2hoohoo2hohoooomS2RSS2RDD2arctg)cos(1RSSSsinRDDDe2hehhoe2kopeo造斜率与曲率半径的关系：bbR1RR1R40.511408.99mS2459.49mD2005.5mR1146mR859.5m230R8400mD2700mDmhooo21eko
15、pe计算：井井段：段：Oa最大井斜角最大井斜角:0方位角方位角:0垂直井深增量垂直井深增量D(m):Da=Dkop=400垂直井深垂直井深D(m):Da=Dkop=400水平位移增量水平位移增量Sh(m):Sha=0 水平位移水平位移Sh(m):Sh=0 段长段长l(m):la=Dkop =0井深井深Dw(m):Dw=Dkop=0DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo井井段：段：ab最大井斜角最大井斜角:40.51 40.51 方位角方位角:30垂直井深增量垂直井深增量D(m):Dab=R R1 1sinsinm m =558.31558.31垂直
16、井深垂直井深D(m):Db=Da+Dab=958.31958.31水平位移增量水平位移增量Sh(m):Shab=R=R1 1(1-(1-coscos m m)=206.03)=206.03 水平位移水平位移Sh(m):Shb=Shab=206.03206.03 段长段长l(m):lab=R R1 1m m/57.3=607.65/57.3=607.65井深井深Dw(m):Dwb=Dwa+lab=1007.65=1007.65DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo垂直井深垂直井深D(m):Dc=Db+Dbc=2115.072115.07水平位移增量水
17、平位移增量Sh(m):Shbc=Dbc tgtgm m=988.32=988.32 水平位移水平位移Sh(m):Shc=Shb+Shbc=1194.351194.35 段长段长l(m):lbc=Shbc/sin/sin m m=1521.47=1521.47井深井深Dw(m):Dwc=Dwb+lbc=2529.12=2529.12DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo井段：井段：bc最大井斜角最大井斜角:40.51 40.51 方位角方位角:30垂直井深增量垂直井深增量D(m):Dbc=De-Dkop-Dab-Dcd =1156.761156.76
18、水平位移水平位移Sh(m):Shd=Shc+Shcd=1457.91457.9 段长段长l(m):lcd=R R2 2(m m-e e )/57.3=1521.4757.3=1521.47井深井深Dw(m):Dwd=Dwc+lcd=3179.32=3179.32DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo井段：井段：cd最大井斜角最大井斜角:40.51 40.51 方位角方位角:30垂直井深增量垂直井深增量D(m):Dcd=R R2 2(sin(sinm m-sin-sine e)=584.93584.93垂直井深垂直井深D(m):Dd=Dc+Dcd=2
19、7002700水平位移增量水平位移增量Sh(m):Shcd=R=R2 2(coscos e e-coscos m m)=263.35)=263.35 井段：井段：dt最大井斜角最大井斜角:8 8 方位角方位角:30垂直井深增量垂直井深增量D(m):Ddt=D-De=300300垂直井深垂直井深D(m):Dt=Dd+Ddt=30003000水平位移增量水平位移增量Sh(m):Shdt=Ddt tgtge e=42.16=42.16 水平位移水平位移Sh(m):Sht=Shd+Shdt=1500.061500.06 段长段长l(m):ldt=Shdt/sin/sin e e=302.93=302.
20、93井深井深Dw(m):Dwt=Dwd+ldt=3482.25=3482.25DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo6.井眼轨道随钻修正设计井眼轨道随钻修正设计7.井眼轨道绕障或防碰设计井眼轨道绕障或防碰设计8.丛式井总体设计的原则丛式井总体设计的原则(1)丛式井位置、数量和井数的确定(2)防止井眼相碰 防止井眼相碰是丛式井设计和施工的关键。为此，我们应该注意下述几个方面。1)井网类型。2)井眼轨道设计。3)井口布置4)造斜点位置5)造斜率与最大井斜角6)钻井次序7)控制安全圆柱8)提高测斜仪器的精度9)使用电子计算机绘制井眼防碰图 钻柱钻柱：是指
21、自方钻杆至钻头以上的钻具管串的总称。钻柱由方钻杆、钻杆、钻铤、接头和稳定器等钻具组成。在钻井过程中，通过钻柱把钻头和地面连接起来。钻柱的主要作用有钻柱的主要作用有:1)提供钻机到钻头的钻井液通道,即输送钻井液；2)把地面动力传递给钻头并给钻头加压,使钻头破碎岩石；3)起下钻头；4)通过钻柱可以了解钻头工作情况、井眼状况及地层情况等；5)进行取心、处理井下事故与复杂情况、打捞；6)对地层流体及压力状况等进行测试与评价。钻具是钻井工具的简称,常用钻具包括钻头、钻铤、稳定器、减振器、震击器、加重钻杆、钻杆、方钻杆、井底马达和连续导向动力钻具组合等。二、钻柱的工作状态及受力分析二、钻柱的工作状态及受力
22、分析1、钻、钻柱的柱的工作状态工作状态起起下钻：下钻：钻柱不接触井底，钻柱处于悬持状态，在自重作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态正常钻进：正常钻进：部分钻柱的重量作为钻压施加在钻头上，使得下部钻柱受压缩。在钻压小和直井条件下，钻柱也是直的，而当压力达到某一临界值时，下部钻柱将失去直线稳定状态，发生弯曲，并在某一点与井壁接触，称为钻柱的第一次弯曲；如果继续加大钻压则弯曲形状改变，切点下移，当钻压增大到新的临界值时，钻柱弯曲出现第二个半波，着是钻柱的第二次弯曲。如果继续增大钻压，则会出现第三次弯曲。正常钻进过程中，钻柱处于不停的旋转状态，作用在钻柱上的力除拉力、压力外，还有由于钻柱旋转产生的离心
23、力，离心力的作用有可能加剧下部钻柱的弯曲，使弯曲半波长度缩短。一、一、常用钻井工具常用钻井工具钻柱钻柱旋转运动的可能形式：旋转运动的可能形式：自转、公转、公转+自转、不规则运动不同的工作条件、不同部位，钻柱受载荷不同拉、压扭矩弯矩内外压力包括稳态载荷和动态载荷，一般除振动严重外，忽略动态。钻柱轴向载荷钻柱重量钻井液浮力钻压与井壁摩擦拉力0压力（-）（+）N（A）拉力0压力（-）（+）NZ（B）拉力0压力（-）（+）NW（C）拉力0压力（-）（+）NZW（D）中和点：中和点：轴向应力线与静液柱压力的交点。此点的静液柱压力等于钻柱中压缩应力。中和点位置可以由钻压W除以单位长度浮重来确定fsqqWN
24、NqqWNqDqWNDqfssff)()(钻进钻进过程中钻柱轴向载荷：过程中钻柱轴向载荷：WBWWpptWpt为任意截面处轴向载荷。Wp为该截面以下钻柱在空气中的重量。若设分析截面距井底长度为L，则LqWspphsfpptphspffhspfpfpfpfApWWWApWBLDpWLAALLDDAB)1()()(WWWsfppt)1(对于井口处：钻柱的平均应力：pptzAW 转盘钻进时，钻柱扭矩在井口处最大，钻头处最小。采用井下动力钻具时，钻头施加给钻柱反扭矩，扭矩在钻头处最大，井口处最小。当能够确定某一截面的钻柱承受的扭矩时，可以计算该截面上钻柱由于承受扭矩而产生的剪切应力bIMr转盘钻进时，
25、钻柱所受的扭矩取决于转盘传给钻柱的功率nNNMNNN)(9549破岩空转破岩空转正常钻进时，N的大小与钻头类型及直径、岩石性质、钻柱尺寸、钻压、转速、钻井液性能及井眼质量的功能因素有关，可以用经验公式确定5555721031,6105.38,151048,25108.18,0kW)(106.4CCCCLndCNed空转式中：N空转钻柱空转功率，kW；d 钻井液密度，N/m3；de钻柱外径，cm；L钻柱长度，m；n转速，r/min。刮刀钻头钻进牙轮钻头钻进)kW(1017.32503.1nCDWNb破岩W钻压，N；Db钻头直径，cm。C为经验系数，与岩性、钻井液性质、井眼清洁程度、钻头磨损等有关
26、。一般取：0.350.6。)kW(100785.03nWDNb破岩若钻头或钻柱突然被卡，旋转钻柱的动能可能全部转变为变形位能，引起瞬时扭矩，产生很大的扭矩和剪应力旋转动能psoIgLJT2222243N/mcm,N/m,r/s,刚性系数，截面积极惯性矩钻柱材料重度转动惯量旋转角速度钻柱旋转动能GIJTpsopGILMU22变形位能：被卡时：UT pspIgLGILM2222)Nm(108maxgGIMsp最大扭矩：)Pa(maxmaxpIrM直井中钻柱上部弯矩是由离心力引起的，钻柱下部则是由钻柱受压弯曲和离心力共同作用引起的，一般下部弯曲应力大。在弯曲井眼中，钻柱被约束，受到弯矩的作用。弯曲状
27、态下，钻柱自转，产生交变弯曲应力。yEkbbmmPaPa1距中性面的高度，钻柱曲率，弹性模量，弯曲应力，ykEbb内外压力作用下产生径向应力和周向应力222222222)(4)(rddddppdddpdppippippopipipppopipir222222222)(4)(rddddppdddpdppippippopipipppopipim-mPaPa钻柱半径，钻柱内外径，、钻柱内外液体压力，、，分别为径向和周向应力、rddppppipopir离心力纵向振动横向振动动载钻柱与井壁的正压力和摩擦力钻柱所受的四种主要载荷、内外压力：弯矩：扭矩：轴向拉力：rbz222243rbz1）强度校核）强度校
28、核最大应力应满足：fsSmax42)稳定性校核稳定性校核 无论是直井还是定向井，当钻柱所受的轴向压力小于一定值时，钻柱为直线无论是直井还是定向井，当钻柱所受的轴向压力小于一定值时，钻柱为直线稳定状态；当轴向压力大于一定值时，钻柱就发生正弦屈曲；当轴向力继续增大时，稳定状态；当轴向压力大于一定值时，钻柱就发生正弦屈曲；当轴向力继续增大时，钻柱就会发生螺旋屈曲。钻柱屈曲后，钻柱与井壁的压力、摩擦力急剧增加，钻柱钻柱就会发生螺旋屈曲。钻柱屈曲后，钻柱与井壁的压力、摩擦力急剧增加，钻柱应力增大。钻柱失稳及形式可用下列式子计算分析应力增大。钻柱失稳及形式可用下列式子计算分析。差，井眼半径与钻柱半径之；截
29、面惯性矩，；钻柱的线浮重，；钻柱轴向力，mmN/mN4bppzrIqFbippzbippzbipbippzrEIqFrEIqFrEIqrEIqFsin22sin2sin22sin2未失稳正弦屈曲螺旋屈曲 统计资料说明，绝大多数钻柱的损坏有下述几种情况：（1）钻柱的疲劳破坏 疲劳破坏有三种形式：纯疲劳、伤痕疲劳和腐蚀疲劳。（2）钻杆的氢脆破坏 1 1）钻柱的物理机械性能）钻柱的物理机械性能 (1)钻柱的材质 钻柱的各个组成部分均由优质合金钢或优质铝合金制造。在API标准中，规定钻杆的钢级有D级、E级、95（X）级、105（G）级和135（S）级共五种。其中X级、G级和S级钻杆为高强度钻杆；钻铤和
30、方钻杆的钢级为AISI4145和AISI4150，其机械物理性能见有关手册或API公报。(2)钻柱的物理机械性能 钻杆的强度数据主要包括钻杆外径、壁厚、名义重量、材质、扭力屈服强度、按最小屈服强度计算的最小抗拉力、最小抗挤压力、抗内压力等；钻铤规范数据主要包括外径、内径、长度、质量、紧扣扭矩等。具体数据请查阅有关册或API公报。2）钻柱的破坏）钻柱的破坏钻铤的确定内、外径，内小、外大，受井径限制、钻井 液流动限制，长度满足钻压要求。强度足够，钻进不断，尽量保证钻井液正常循环减少能量损耗。井斜小：提供钻压的钻铤安放在钻具下部，钻具上部采用钟摆、塔式、满眼结构。钻井斜大或水平井：钻铤放在井斜较小的
31、井段，大斜度井段或水平井段则在承压钻杆与下部钻具连接。钻杆的确定钻铤的安放位置 钻井中常用的钻具组合中包括稳斜钻具、降斜钻具、防斜钻具、造斜钻具、增斜钻具、几何导向钻井系统和地质导向钻井系统等。下部钻具结构如图3-6所示。1 1）设计原则）设计原则下部钻具组合设计的原则是:1)有效地钻出设计的井眼轨道；2)钻头、马达和测量系统工作稳定性高，能加较大钻压，有利于提高钻速；3)具有较高的强度和寿命；4)便于安装和起下。2 2）稳斜钻具）稳斜钻具 保持井斜角和方位角不变。稳斜钻具是采用刚性满眼钻具结构，通过增大下部钻具组合的刚性，控制下部钻具组合在外力作用下的变形达到稳定井斜和方位的效果。常用组合：
32、钻头+近钻头稳定器+短钻铤=稳定器+单根钻铤+稳定器+钻铤+钻杆3 3）降斜钻具和防斜钻具）降斜钻具和防斜钻具 降斜钻具用于定向井中降低井眼轨道的井斜角。防斜钻具用于直井中抑制和防止井斜的产生。降斜钻具一般采用钟摆钻具组合，利用钻具自身的重力产生的钟摆力实现降斜。根据设计井眼轨道要求的井斜角大小，设计钻头与稳定器之间的距离，便可以改变钟摆力的大小。4 4）造斜钻具和增斜钻具）造斜钻具和增斜钻具 造斜钻具用于从直井段沿一定方位钻出斜井段。增斜钻具用于增加井段待钻部分的井斜角。常用的造斜钻具组合为：弯接头+井下动力钻具、各种弯外壳井下动力钻具（包括导向钻井系统）。所有的造斜钻具都可作为增斜钻具使用
33、。普通的增斜钻具指转盘钻增斜钻具。它是利用杠杆原理设计的，一般采用双稳定器或三稳定器钻具组合。它有一个近钻头足尺寸稳定器为支点，第二个稳定器与钻头之间的距离应根据两稳定器之间钻铤的刚性和要求的增斜率大小而定，一般距离较长。5 5）几何导向钻井系统）几何导向钻井系统 几何导向钻井系统由钻头、导向马达、无线随钻测斜仪和地面计算机系统组成。它的主要特点为不需要起下钻就可以连续地完成造斜、增斜、降斜、扭方位、稳斜钻进，有利于提高钻进速度和控制井眼轨道沿设计轨道钻进。6 6）地质导向钻井系统地质导向钻井系统 地质导向钻井系统由钻头、导向马达、无线随钻测井仪、无线随钻测斜仪和地面计算机系统组成。它的主要特
34、点为为不需要起下钻就可以连续地完成造斜、增斜、降斜、扭方位、稳斜钻进，有利于提高钻进速度和控制井眼轨道，并且可以随时测得地层参数，以便及时休修改地质设计和井眼轨道。井眼轨道控制是钻井工作中的一项重要工作。在石油开发的早期，对井眼轨道控制并不严格。本世纪20年代末期，人们发现了钻井过程中井眼弯曲问题并认识到要钻绝对直的井是不可能的，并逐渐认识到了井斜的危害。40年代末至50年代初期，防斜成为钻井技术领域所关注的问题。后来，利用井斜钻成了定向井、水平井和丛式井解决了许多油田开发中的难题并取得了良好的经济效益。从防斜打直、造斜、增斜、稳斜到降斜，井眼轨道控制研究取得了一系列重要成果。操作原因：操作原
35、因：下部钻具的工作状态对井斜影响很大，当下部钻具受压产生弯曲就会使钻头偏斜导致井斜。井井斜斜原原因因地质条件：地质条件：技术原因：技术原因：由于所钻地层的倾角和非均质性使钻头受力不平衡。即使有性能良好的防斜钻具，也会因操作不当而造成井斜。地层倾角、层状地层、各向异性、岩性软硬交错、断层 最主要的作用是地层倾角，其它诸因素对井斜的作用都与地层倾角紧密相关。当地层倾角小于45；井眼一般沿上倾方向偏斜；当地层倾角大于60时，井眼将顺着地层面下滑发生偏斜；在4560之间不稳定。1)层状地层对井斜的影响层状地层对井斜的影响 钻头在倾斜的层状地层中钻进时，当钻至每个层面交界处时，此处岩层不能长时间支持所加
36、钻压而趋向沿垂直层面发生破碎。在井眼上倾一侧的小斜台很容易钻掉。相反，在井眼下倾一侧却留有一个小斜台；它就像小变向器作用一样，对钻头施加一个横向力，把钻头推向上倾一侧，从而引起井斜。逐层钻进时，斜台大，井斜增长快。所以：地层倾角大，成层性越强，钻压越大，井斜越大。由于岩层的成层状况、层理、节理、纹理以及岩石的成分、结构、胶结物、颗粒大小等因素造成岩层在不同方向上的强度不同，一般来说垂直地层层面的强度较小，钻进时钻头将沿着这个破碎阻力最小的方向倾斜。AB软硬AB软硬（1）钻头从软地层进入硬地层时 钻头在上倾侧先接触到硬岩石，在下倾侧仍为软岩石。这样在钻压作用下，由于上倾侧岩石的硬度大，可钻性差，
37、钻头吃入地层少，钻速慢，而在下倾侧，可钻性好，吃入地层多，钻速快，因此，井眼向上倾侧偏斜。此外，钻头两侧受力不均匀，上倾侧井底反力的合力比下倾侧大。将产生弯矩扭转钻钻头，使其向上倾方向倾斜。（2）钻头由硬地层进入软地层时 开始时由于钻头在软地层一侧吃入多，钻速卡，而在硬地层一侧吃入少，钻速慢，井眼有向地层下倾方向倾斜的趋势。但当钻头快钻出硬地层时，此处岩石不能再支撑钻头的中负荷，岩石将沿着垂直于层面方向发生破碎，在硬地层一侧留下一个台肩，迫使钻头回到上倾方向。上述分析说明，地质条件对井斜角的影响，主要是通过地层作用于钻头一个横向造斜力，使钻头偏离原井眼轴线，且一般情况下是使井眼向上倾方向发生偏
38、斜。可以推出该地层造斜力：KWFWhFff)(2sin211钻性。地层平行和垂直方向可、综合造斜系数。反映地层造斜力大小的钻压；井斜角；地层倾角；地层各向异性指数；212121SSSSShKWh讨论：max11450ffffFFFWF 由于钻柱时稳而发生弯曲，钻头及相邻连接部分钻柱的中心轴线偏离井眼轴线，从而使钻头偏离一角度（称为钻头倾角）。钻头枪械后对井底形成了不对称切削，这是产生井斜的重要因素。显然：越大，井斜越大。讨论：1）钻压下于发生弯曲的临界钻压时，钻柱是直的，钻铤无倾斜现象；当钻压达到弯曲临界钻压时，钻柱发生弯曲，产生钻头倾角。如果钻压继续增大、则切点下降，钻头倾角也越大。2）钻头
39、直径一定，井径越大，钻柱越细、则钻铤与井眼的间隙越大，因而钻头的倾角越大、井越容易钻斜。所以从防斜角度，应选用直径大、刚性大的钻铤，并尽量减小下部钻柱与井眼的间隙，以减少钻头倾角。斜井井眼的斜度是增大还是减小或是保持某个平衡角度，取决于钻头的受力情况。假设：（1）钻头可以象球窝一样自由转动，但其横向运动受到约束。（2）钻铤稳定地靠在井的低边。（3）钻头由于受力情况不同，可自由地向任一方向切割。WTFfFiWpFd钻压钟摆力地层造斜力作用在钻头上的力WTFfFiWpFd 由于钻柱弯曲，钻压不是沿着井眼轴线方向施加给钻头，而是偏离一个角度。因此钻压可分解为与井眼轴线相平行的力Wo和与井眼相垂直的力
40、FisincosWFWWio使钻头偏离井眼，造成井斜，为增斜力沿井眼轴向继续钻进，对井斜无影响 井内切点以下的重量Wp势必在垂直于井壁方向产生一个分力。此力与钟摆作用相似，将驱使钻头破碎井眼低侧岩石，使井眼恢复垂直状态，所以，为一减斜力。sin21pdWF Ff取决于地层倾5角和各向异性等因素，多数情况下增斜，也可以降斜（水平井）。钻头上作用的力：造斜力降斜力sin21sin1pdffiWFFWFFF讨论：（1）当F1=Fd时，平衡，保持原井斜角；（2）当F1Fd时，增大，此时，Fd也增大，达到一个新的大于平衡井斜角；（3）当F1Fd时，减小，达到一个小于的新平衡角。各向异性地层中的平衡角数值
41、主要取决于三个因素：钻压、钻铤尺寸和井眼尺寸。在直井防斜方面提出了：钟摆钻具偏重钻铤刚性满眼钻具 造成井斜的原因是多方面的，如地质条件、钻具结构、钻井技术措施以及设备安装质量等。但归纳起来，主要有两方面原因：一是钻头与岩石的相互作用方面的原因，即由于所钻地层的倾斜、各向异性和非均质性使井眼轨道发生弯曲；二是钻柱力学方面的原因，即下部钻具受压发生弯曲变形使钻头偏斜和在钻头上产生侧向力使井眼轨道发生弯曲。1.下部钻具力学分析下部钻具力学分析(1)钻压的影响 钻压是影响钻头与地层作用力的重要参数之一,而且是一个可以人为控制的钻井参数,研究它的影响规律,对于井眼轨道的预测和控制是十分必要的。多数情况下
42、,增井斜力随钻压增加微增。()井斜角的影响 钻具的横向分布载荷是由于重力和井斜而产生的。当下部钻具组合选定后,横向分布载荷大小取决于井斜角的大小,同时轴向载荷密度也随井斜角而变化。因此,钻头与地层的作用力必然与井斜角有密切的关系。降斜钻具的降斜力随井斜角的增大而增大;增斜钻具、单弯导向钻具、反向双弯钻具的增井斜力随井斜角的增大而增大,其中以增斜钻具组合最为明显。井斜角对稳斜钻具的增斜特性无明显作用。()井眼曲率的影响 各种钻具组合均具有抗弯刚度,当它们受到井眼弯曲作用时,必然出现自身的反抗效应。井眼曲率对钻头与地层的作用力影响很大,增斜力随井眼造斜率的增加迅速线性下降，其中稳斜、增斜和导向钻具
43、斜率最大,降斜钻具斜率较小。某一曲率下的增斜钻具在另一曲率下可能产生降斜力,反之亦然;某一曲率下的增方位钻具在另一曲率下,可能产生降方位力,反之亦然。(4)主法线方向的影响井眼的主法线方向即井眼的弯曲方向(类似于装置角,增斜井眼主法线方向角为零,顺时针方向为正)对增井斜力和增方位力有很大影响。(5)井径扩大或稳定器偏心的影响 下部钻具组合的变形，一直受到井眼几何形状的严格约束。当遇到井径扩大或采用偏心稳定器导向钻井系统时，井眼对钻具的约束条件就发生了变化，从而影响到钻柱的变形和受力状态。井径扩大或稳定器偏心对不同钻具的力学特性影响不同。对图3-7中(b)、(c)、(d)、(e)具有近钻头稳定器
44、的钻具影响很大，而对图3-7中(a)稳定器距钻头很远的钻具影响很小。其规律是井径扩大或稳定器偏心(偏心稳定器窄边向下)导致增井斜力减小、降斜力增加；井径扩大或稳定器偏心使方位力有所增加，但数值很小。对于多稳定器钻具组合，近钻头稳定器与井壁的间隙对钻头侧向力影响最大，离钻头越远的稳定器的间隙对钻头侧向力的影响越小。(6)钻井液密度的影响 下部钻具组合在充满钻井液的井眼里工作，必然受到浮力的作用，但钻井液密度对钻头侧向力的影响较小。(7)稳定器安放位置的影响 稳定器安放位置对钻具的力学特性影响是很大的。所谓的“钟摆作用”、“杠杆作用”和“满眼稳斜作用”等主要取决于稳定器安放位置。当第一个稳定器距钻
45、头足够远时，上述钻具都具有降斜作用；当第一个稳定器距钻头较近时，在同一条件下，不同钻具产生不同的钻头侧向力，即使同一钻具，在不同条件下钻头侧向力也不同。随着两稳定器间距的增长，增井斜力增加，但增长到一定值时，反而降低。(8)导向钻具弯角位置的影响 导向钻具弯角的位置是导向钻具重要的结构参数之一。随着第一弯角到近钻头稳定器距离的增加，两种导向钻具的增井斜力都迅速直线下降；随着弯角间距的增加,钻具的增井斜力直线增加。(9)导向钻具弯角大小的影响 导向钻具弯角大小是导向钻具重要的结构参数之一。导向钻具的增井斜力随第一弯角的增加而迅速线性增加，随第二弯角的增加而迅速线性减小。(10)导向钻具弯角装置角的影响弯角的装置角是导向钻具的重要结构参数之一。钻具的增井斜力与装置角有关系
