井眼軌跡設(shè)計與控制方法

1、第三章第三章 井眼軌道設(shè)計與控制井眼軌道設(shè)計與控制井眼軌道 定向井直井：設(shè)計井眼軸線為一鉛垂線，其井斜角、井底水平位移和全角變化率均在限定范圍。定向井：沿著預(yù)先設(shè)計的井眼軌道，按既定方向偏離井口垂線一定距離，鉆達(dá)一定目標(biāo)的井普通定向井：一個井場內(nèi)僅有1口最大井斜角小于60的定向井。斜直井：用斜直鉆機(jī)或斜井架完成，自井口開始井眼軌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范圍內(nèi)的定向井水平井：最大井斜角大于或等于86 ，并保持這種井斜角鉆完一定長度段的井。 長曲率半徑：6 /30m 中曲率半徑：6 20 /30m水平井 中短曲率半徑：1 20 /30m 短曲率半徑：1 10/m

2、 徑向水平井：k= 叢式井：在一個井場內(nèi)有計劃地鉆出兩口或兩口以上的定向井組，其中可含1口直井。多底井（分支井）：一個井口下面有兩個或兩個以上井底的定向井。第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計的原則和方法一、基本概念1 井眼軌道的基本要素井眼軌道：表示井眼軸線形狀的圖形。井深D ：轉(zhuǎn)盤補(bǔ)心到井底的深度。測深m：某測點(diǎn)到轉(zhuǎn)盤補(bǔ)心的井眼軸線實(shí)際長度。垂深：井眼軸線上某測點(diǎn)至井口轉(zhuǎn)盤所在平面的垂直距離。井斜角i i ：軸線切向方向與垂線的夾角。方位角 ：正北順時針轉(zhuǎn)至軸線上某點(diǎn)切線在水平面的投影的夾角。井眼曲率Rh：單位長度井段井眼軸線的切線所轉(zhuǎn)過的角度。井斜變化率Rn：單位長度井段井斜角變化值。方位變化率Ri：單

3、位長度井段方位角變化值。井底閉合方位角h h ：從正北方向順時針轉(zhuǎn)至井口與井底的水平投影連線的夾角。井底水平位移Sh：井口與井底兩點(diǎn)在水平投影面上的直線距離。直井段直井段造斜點(diǎn)造斜點(diǎn)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:設(shè)計井斜角為零度的井段。2) 造斜點(diǎn)（）:開始定向造斜的位置稱為造斜點(diǎn)。通常以該點(diǎn)的井深來表示。3) 造斜率（）:造斜工具的造斜能力,即該造斜工具所鉆出的井段的井眼曲率。4) 造(增)斜段:井斜角隨井深增加的井段。5) 穩(wěn)斜段:井斜角保持不變的井段。6) 降斜段:井斜角隨著井深的增加而減小的井段。7) 目標(biāo)點(diǎn):

4、設(shè)計規(guī)定的、必須鉆達(dá)的地層位置，通常以地面井口為坐標(biāo)原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)值來表示.8) 靶區(qū)及靶區(qū)半徑（）:包含目標(biāo)點(diǎn)在內(nèi)的一個區(qū)域稱為靶區(qū)。在一般油氣井中，靶區(qū)半徑為允許實(shí)鉆井眼軌道偏離設(shè)計目標(biāo)點(diǎn)的水平距離,靶區(qū)為在目標(biāo)點(diǎn)所在的水平面上,以目標(biāo)點(diǎn)為圓心,以靶區(qū)半徑為半徑的一個圓面積。在大斜度井和水平井中，靶區(qū)為包含設(shè)計井眼軌道的一個柱狀體。9) 靶心距（）:在靶區(qū)平面上,實(shí)鉆井眼軸線與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離 2.2.井身剖面井身剖面井身在垂直平面內(nèi)的投影井身在垂直平面內(nèi)的投影 1) 工具彎角（）:在造斜鉆具組合中,拐彎處上下兩段的軸線間的夾角。 2) 工具面:在造斜鉆具組合中,由彎曲工具的兩個軸

5、線所決定的平面。 3) 反扭角（）:在使用井下動力鉆具進(jìn)行定向造斜或扭方位時,動力鉆具啟動前的工具面與啟動后且加壓鉆進(jìn)時的工具面之間的夾角。反扭角總是使工具面逆時針轉(zhuǎn)動。 4)高邊：定向井的井底是個呈傾斜狀態(tài)的圓平面，稱為井底圓；井底圓上的最高點(diǎn)稱為高邊；從井底圓心至高邊之間的連線所指的方向稱為高邊方向；從正北方向線順時針轉(zhuǎn)至高邊方向在水平面上的投影所轉(zhuǎn)過的角度稱為高邊方位角。 5)工具面角（）：造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。它有兩種表示方法：高邊工具面角和磁工具面角。高邊工具面角是以高邊方向線為始邊，順時針轉(zhuǎn)到工具面與井底圓平面的交線所轉(zhuǎn)過的角度；磁工具面角為以正北方向線為始邊，順

6、時針轉(zhuǎn)到工具面與井底圓平面的交線在水平面上的投影線所轉(zhuǎn)過的角度。 NEABCO3. 3. 井眼軌道水平投影井眼軌道水平投影6) 裝置角（）:在啟動鉆具后且加壓鉆進(jìn)時,工具面所處的角度，與工具面角一樣，既可用高邊工具面表示，也可用磁工具面表示。7) 安置角（）：在啟動鉆具前,工具面所處的角度。與工具面角一樣，既可用高邊工具面表示，也可用磁工具面表示。8) 安全控制圓錐（柱）:以設(shè)計井眼軸線為中心所限定的圓錐（柱）空間。9) 誤差橢球:由測量和計算誤差引起的井底位置不確定性所構(gòu)成的以井底為中心的橢球體。 1）簡單表示法方位角不變的井眼軸線此時：此時：nhRR 若AB弧有均勻曲率，則根據(jù)定義：mAm

7、BBAhDDlR對于空間井眼軸線，可以用兩個平面來表示對于空間井眼軸線，可以用兩個平面來表示垂直：垂直：RlRhH1hHnRR 水平：水平：rSSRABhA1lRihAiRR 空間曲率的計算空間曲率的計算 設(shè)有一空間曲線L，L上點(diǎn)A的定向要素為：DA、EA、NA、A 、 A 、ShA；井深增加到B點(diǎn)，設(shè)AB弧與整個井眼相比為小量，其長設(shè)為dl，B點(diǎn)的定向要素為：DA+dD、EA+dE、 NA+dN、A+d、 ShA+dShA 、 A +d。連接AB兩點(diǎn)，AB線段水平投影為AB線段。可以近似地認(rèn)為：AB弧長=AB線段長= dl。 在垂直投影面中：在垂直投影面中：A 、A+d在平面AAB 內(nèi)，令

8、AAB= ，則 2dAcosddlDsinddlSh水平投影面中：水平投影面中：2dAsinddhSEcosddhSN由于：sinddlShsinsinddlEcossinddlNlDlElNdcosddsinsinddcossind則：坐標(biāo)參數(shù)與基本參數(shù)間的關(guān)系：坐標(biāo)參數(shù)與基本參數(shù)間的關(guān)系：222222222222222222sincossinsincosdsinsindddsinsincoscosddsinsindcoscosd)cos(sindddsinddsind)(cosdddddddddinhininnRRRRRllERRlldllNRlllDlElNlDKRn、Ri對Rh都有影響

9、。四、井眼軌道設(shè)計的原則和方法四、井眼軌道設(shè)計的原則和方法 井井眼眼軌軌道道的的類類型型二維二維井眼井眼軌道軌道三維三維井眼井眼軌道軌道 設(shè)計井眼軸線僅在設(shè)計方位線所在鉛垂平面上變化的井眼軌道。 二維井眼軌道由垂直井段、增斜井段、穩(wěn)斜井段和降斜井段組合而成。 在設(shè)計井眼軸線上，既有江斜角變化又有方位角變化的井眼軌道。 三維井眼軌道設(shè)計用于繞障井和現(xiàn)場待鉆修正井眼軌道設(shè)計。1. 1. 井眼軌道的類型井眼軌道的類型 2. 2. 設(shè)計井眼軌道的原則設(shè)計井眼軌道的原則1) 根據(jù)油氣田勘探開發(fā)要求，保證實(shí)現(xiàn)鉆井目的；2) 根據(jù)油氣田的構(gòu)造特征、油氣產(chǎn)狀，有利于提高油氣產(chǎn)量和采收率，改善投資效益；3) 在

10、選擇造斜點(diǎn)、井眼曲率、最大井斜角等參數(shù)時，有利于鉆井、采油和修井作業(yè)；4) 在滿足鉆井目的的前提下，應(yīng)盡可能選擇比較簡單的剖面類型，力求使設(shè)計的斜井深最短，以減小井眼軌道控制的難度和鉆井工作量，有利于安全、快速鉆井、降低鉆井成本。 (1)(1)造斜點(diǎn)的造斜點(diǎn)的 選擇原則選擇原則3. 3. 井眼軌道設(shè)計中有關(guān)因素的選擇井眼軌道設(shè)計中有關(guān)因素的選擇1)造斜點(diǎn)的選擇在比較穩(wěn)定的地層，避免在巖石破碎帶、漏失地層2）地層可鉆性均勻，不應(yīng)有硬夾層；3） 要滿足采油工藝要求；4) 垂深大、水平位移小的井，造斜點(diǎn)應(yīng)深，以簡化井身結(jié)構(gòu)、加快鉆速；5) 垂深小、水平位移大的井，造斜點(diǎn)應(yīng)淺，以減少定向施工的工作量；

11、6) 在井眼方位漂移地區(qū)，應(yīng)使斜井段避開方位漂移大的地層或利用井眼方位漂移規(guī)律鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。(2)(2)最大井斜角最大井斜角(3)井眼曲率井眼曲率直井在規(guī)定井斜角內(nèi)；常規(guī)井和水平井交斜角小于15時，方位不穩(wěn)定，因此，最大井斜角應(yīng)大于15。井眼曲率過大會給鉆井、采油和修井作業(yè)造成困難，因此，應(yīng)根據(jù)具體情況，適當(dāng)選擇井眼曲率。 設(shè)計井眼軌道時，一般選擇簡單的二維軌道。二維軌道由垂直井段、造斜井段、穩(wěn)斜井段、降斜井段組合而成，最常用的有四種類型。 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穩(wěn)斜穩(wěn)斜特點(diǎn)：造斜點(diǎn)淺，施工簡單，在表層套管內(nèi)達(dá)最大井斜角。常用于不下中間套管的單一油層的中深

12、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穩(wěn)斜段穩(wěn)斜段增斜段增斜段穩(wěn)斜段穩(wěn)斜段一般用于水平井直井段直井段造斜段造斜段穩(wěn)斜段穩(wěn)斜段降斜段降斜段穩(wěn)斜段穩(wěn)斜段特點(diǎn)：造斜深度淺，造斜完成后下表層套管，穩(wěn)斜鉆進(jìn)，在達(dá)到一定水平位移后降斜，在達(dá)到油層時井斜角符合要求。通常還要下一層中間套管，最后穩(wěn)斜鉆穿油層。 定向井井眼軌道設(shè)計一定要認(rèn)真執(zhí)行井眼軌道設(shè)計原則，選擇合理的井眼軌道類型，結(jié)合本井情況，設(shè)計出良好的井眼軌道。1) 掌握原始資料主要是該地區(qū)的地質(zhì)剖面、地表對井位的限制條件、目的層位的垂直井深和總水平位移、自然造斜規(guī)律、工具造斜能力、鉆井技術(shù)水平以及故障提示等；2) 根據(jù)井眼軌道確定

13、原則，選定一個井眼軌道類型；3) 根據(jù)原始資料選定造斜點(diǎn)的位置，并確定造斜率和降斜率的大??；4) 確定最大井斜角；5) 計算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、水平位移；6) 核算井眼曲率，使其滿足對它的各種限制條件，并做出井身的控制圓柱，即誤差范圍； 7) 繪制井眼軌道圖，標(biāo)出安全圓柱。 設(shè)計實(shí)例設(shè)計實(shí)例例：例：已知某設(shè)計井的垂深D=3000m ，水平位移Sh=1500m，方位角=30，造斜點(diǎn)垂直深度Dkop=400m，造斜率Rb1=2/30m，降斜率Rb2=1.5/30m ，油層垂直深度De=2700m，要求穩(wěn)斜進(jìn)入油層，井斜角不大于e=8 。目前常用的設(shè)計方法查圖法作圖法解析法dDS

14、hShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo最大井斜角最大井斜角m的確定的確定在 kjf中：kjfjtgmhoSfjhjakDkjo2tgRakm12tgRcfhjm22)tgR(RDkjm21o)cos(1RSSSsinRDDDe2hehhoe2kopeoShe ：油層內(nèi)水平位移De：油層深度2)tgR(RDStgm21ohom2tg122tgtgRRRm2mm21o若令：0S2tg2D2)tgS(2Rhomom2hoohoo2hohoooomS2RSS2RDD2arctg)cos(1RSSSsinRDDDe2hehhoe2kopeo造斜率與曲率半徑的關(guān)系

15、：bbR1RR1R40.511408.99mS2459.49mD2005.5mR1146mR859.5m230R8400mD2700mDmhooo21ekope計算：井段：井段：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 段長段長l(m): la= Dkop = =0井深井深Dw(m) : Dw = Dkop = =0DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1

16、hijkmemmeo井段：井段：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-cos (1-cos m m )=206.03 )=206.03 水平位移水平位移Sh(m): Shb = = Shab = 206.03206.03 段長段長l(m): lab= R R1 1m m /57.3=607.65 /57.3=6

17、07.65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 段長段長l(m): lbc= Shbc /sin /sin m m =1521.47 =1521.47井深井深Dw(m

18、) : 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水平位移水平位移Sh(m): Shd = = Shc + + Shcd = 1457.91457.9 段長段長l(m): lcd= R R2 2 (m m - - e e ) / / 57.3=1521.4757.3=1521.47

19、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 =27002700水平位移增量水平位移增量Sh (m):Shcd =R=R2 2(cos (cos e e -cos -cos m m )=263

20、.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 段長段長l(m): ldt= Shdt /sin /sin e e =302.93 =302.93井深井深Dw(m) : Dwt = Dwd + ld

21、t =3482.25=3482.25DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo6. 井眼軌道隨鉆修正設(shè)計井眼軌道隨鉆修正設(shè)計7. 井眼軌道繞障或防碰設(shè)計井眼軌道繞障或防碰設(shè)計8. 叢式井總體設(shè)計的原則叢式井總體設(shè)計的原則(1) 叢式井位置、數(shù)量和井?dāng)?shù)的確定(2) 防止井眼相碰 防止井眼相碰是叢式井設(shè)計和施工的關(guān)鍵。為此，我們應(yīng)該注意下述幾個方面。1) 井網(wǎng)類型。2) 井眼軌道設(shè)計。3) 井口布置4) 造斜點(diǎn)位置5) 造斜率與最大井斜角6) 鉆井次序7) 控制安全圓柱8) 提高測斜儀器的精度9) 使用電子計算機(jī)繪制井眼防碰圖 鉆柱：鉆柱：是指自方鉆桿至鉆

22、頭以上的鉆具管串的總稱。鉆柱由方鉆桿、鉆桿、鉆鋌、接頭和穩(wěn)定器等鉆具組成。在鉆井過程中，通過鉆柱把鉆頭和地面連接起來。鉆柱的主要作用有鉆柱的主要作用有:1) 提供鉆機(jī)到鉆頭的鉆井液通道,即輸送鉆井液；2) 把地面動力傳遞給鉆頭并給鉆頭加壓,使鉆頭破碎巖石；3) 起下鉆頭；4) 通過鉆柱可以了解鉆頭工作情況、井眼狀況及地層情況等；5) 進(jìn)行取心、處理井下事故與復(fù)雜情況、打撈；6) 對地層流體及壓力狀況等進(jìn)行測試與評價。 鉆具是鉆井工具的簡稱,常用鉆具包括鉆頭、鉆鋌、穩(wěn)定器、減振器、震擊器、加重鉆桿、鉆桿、方鉆桿、井底馬達(dá)和連續(xù)導(dǎo)向動力鉆具組合等。 二、鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析二、鉆柱的工作狀態(tài)及

23、受力分析1、鉆柱的工作狀態(tài)、鉆柱的工作狀態(tài)起下鉆：起下鉆： 鉆柱不接觸井底，鉆柱處于懸持狀態(tài)，在自重作用下，鉆柱處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)正常鉆進(jìn)：正常鉆進(jìn)：部分鉆柱的重量作為鉆壓施加在鉆頭上，使得下部鉆柱受壓縮。 在鉆壓小和直井條件下，鉆柱也是直的，而當(dāng)壓力達(dá)到某一臨界值時，下部鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生彎曲，并在某一點(diǎn)與井壁接觸，稱為鉆柱的第一次彎曲；如果繼續(xù)加大鉆壓則彎曲形狀改變，切點(diǎn)下移，當(dāng)鉆壓增大到新的臨界值時，鉆柱彎曲出現(xiàn)第二個半波，著是鉆柱的第二次彎曲。如果繼續(xù)增大鉆壓，則會出現(xiàn)第三次彎曲。 正常鉆進(jìn)過程中，鉆柱處于不停的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，作用在鉆柱上的力除拉力、壓力外，還有由于鉆柱旋轉(zhuǎn)

24、產(chǎn)生的離心力，離心力的作用有可能加劇下部鉆柱的彎曲，使彎曲半波長度縮短。一、一、 常用鉆井工具常用鉆井工具鉆柱旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的可能形式：鉆柱旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的可能形式：自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)、不規(guī)則運(yùn)動不同的工作條件、不同部位，鉆柱受載荷不同拉、壓扭矩彎矩內(nèi)外壓力包括穩(wěn)態(tài)載荷和動態(tài)載荷，一般除振動嚴(yán)重外，忽略動態(tài)。鉆柱軸向載荷鉆柱重量鉆井液浮力鉆壓與井壁摩擦拉力0壓力（-）（+）N（A）拉力0壓力（-）（+）NZ（B）拉力0壓力（-）（+）NW（C）拉力0壓力（-）（+）NZW（D）中和點(diǎn)：中和點(diǎn)：軸向應(yīng)力線與靜液柱壓力的交點(diǎn)。此點(diǎn)的靜液柱壓力等于鉆柱中壓縮應(yīng)力。中和點(diǎn)位置可以由鉆壓W除以單位長度浮重來確定

25、fsqqWNNqqWNqDqWNDqfssff)()(鉆進(jìn)過程中鉆柱軸向載荷：鉆進(jìn)過程中鉆柱軸向載荷：WBWWpptWpt為任意截面處軸向載荷。Wp為該截面以下鉆柱在空氣中的重量。若設(shè)分析截面距井底長度為L，則LqWspphsfpptphspffhspfpfpfpfApWWWApWBLDpWLAALLDDAB)1 ()()(WWWsfppt)1 (對于井口處：鉆柱的平均應(yīng)力：pptzAW 轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時，鉆柱扭矩在井口處最大，鉆頭處最小。 采用井下動力鉆具時，鉆頭施加給鉆柱反扭矩，扭矩在鉆頭處最大，井口處最小。 當(dāng)能夠確定某一截面的鉆柱承受的扭矩時，可以計算該截面上鉆柱由于承受扭矩而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力

26、bIMr轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時，鉆柱所受的扭矩取決于轉(zhuǎn)盤傳給鉆柱的功率nNNMNNN)(9549破巖空轉(zhuǎn)破巖空轉(zhuǎn)正常鉆進(jìn)時，N的大小與鉆頭類型及直徑、巖石性質(zhì)、鉆柱尺寸、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液性能及井眼質(zhì)量的功能因素有關(guān)，可以用經(jīng)驗(yàn)公式確定5555721031,6105 .38,151048,25108 .18,0kW)(106 . 4CCCCLndCNed空轉(zhuǎn)式中：N空轉(zhuǎn)鉆柱空轉(zhuǎn)功率，kW；d 鉆井液密度，N/m3； de鉆柱外徑，cm；L鉆柱長度，m；n轉(zhuǎn)速，r/min。刮刀鉆頭鉆進(jìn)牙輪鉆頭鉆進(jìn))kW(1017.32503. 1nCDWNb破巖W鉆壓，N；Db鉆頭直徑，cm。C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與巖性、鉆井液性

27、質(zhì)、井眼清潔程度、鉆頭磨損等有關(guān)。一般?。?.350.6。)kW(100785. 03nWDNb破巖若鉆頭或鉆柱突然被卡，旋轉(zhuǎn)鉆柱的動能可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃挝荒?，引起瞬時扭矩，產(chǎn)生很大的扭矩和剪應(yīng)力旋轉(zhuǎn)動能psoIgLJT2222243N/mcm,N/m,r/s,剛性系數(shù)，截面積極慣性矩鉆柱材料重度轉(zhuǎn)動慣量旋轉(zhuǎn)角速度鉆柱旋轉(zhuǎn)動能GIJTpsopGILMU22變形位能：被卡時：UT pspIgLGILM2222)Nm(108maxgGIMsp最大扭矩：)Pa(maxmaxpIrM直井中鉆柱上部彎矩是由離心力引起的，鉆柱下部則是由鉆柱受壓彎曲和離心力共同作用引起的，一般下部彎曲應(yīng)力大。在彎曲井眼中，

28、鉆柱被約束，受到彎矩的作用。彎曲狀態(tài)下，鉆柱自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。yEkbbmmPaPa1距中性面的高度，鉆柱曲率，彈性模量，彎曲應(yīng)力，ykEbb內(nèi)外壓力作用下產(chǎn)生徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力222222222)(4)(rddddppdddpdppippippopipipppopipir222222222)(4)(rddddppdddpdppippippopipipppopipim-mPaPa鉆柱半徑，鉆柱內(nèi)外徑，、鉆柱內(nèi)外液體壓力，、，分別為徑向和周向應(yīng)力、rddppppipopir離心力縱向振動橫向振動動載鉆柱與井壁的正壓力和摩擦力鉆柱所受的四種主要載荷、內(nèi)外壓力：彎矩：扭矩：軸向拉力：rbz22

29、2243rbz1）強(qiáng)度校核）強(qiáng)度校核最大應(yīng)力應(yīng)滿足：fsSmax42)穩(wěn)定性校核穩(wěn)定性校核 無論是直井還是定向井，當(dāng)鉆柱所受的軸向壓力小于一定值時，鉆柱為直線無論是直井還是定向井，當(dāng)鉆柱所受的軸向壓力小于一定值時，鉆柱為直線穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)軸向壓力大于一定值時，鉆柱就發(fā)生正弦屈曲；當(dāng)軸向力繼續(xù)增大時，穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)軸向壓力大于一定值時，鉆柱就發(fā)生正弦屈曲；當(dāng)軸向力繼續(xù)增大時，鉆柱就會發(fā)生螺旋屈曲。鉆柱屈曲后，鉆柱與井壁的壓力、摩擦力急劇增加，鉆柱鉆柱就會發(fā)生螺旋屈曲。鉆柱屈曲后，鉆柱與井壁的壓力、摩擦力急劇增加，鉆柱應(yīng)力增大。鉆柱失穩(wěn)及形式可用下列式子計算分析應(yīng)力增大。鉆柱失穩(wěn)及形式可用下列式子計算

30、分析。差，井眼半徑與鉆柱半徑之；截面慣性矩，；鉆柱的線浮重，；鉆柱軸向力，mmN/mN4bppzrIqFbippzbippzbipbippzrEIqFrEIqFrEIqrEIqFsin22sin2sin22sin2未失穩(wěn)正弦屈曲螺旋屈曲 統(tǒng)計資料說明，絕大多數(shù)鉆柱的損壞有下述幾種情況：（1）鉆柱的疲勞破壞 疲勞破壞有三種形式：純疲勞、傷痕疲勞和腐蝕疲勞。（2）鉆桿的氫脆破壞 1 1）鉆柱的物理機(jī)械性能）鉆柱的物理機(jī)械性能 (1) 鉆柱的材質(zhì) 鉆柱的各個組成部分均由優(yōu)質(zhì)合金鋼或優(yōu)質(zhì)鋁合金制造。在API標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定鉆桿的鋼級有D級、E級、95（X）級、105（G）級和135（S）級共五種。其中X級

31、、G級和S級鉆桿為高強(qiáng)度鉆桿；鉆鋌和方鉆桿的鋼級為AISI4145和AISI4150，其機(jī)械物理性能見有關(guān)手冊或API公報。 (2) 鉆柱的物理機(jī)械性能 鉆桿的強(qiáng)度數(shù)據(jù)主要包括鉆桿外徑、壁厚、名義重量、材質(zhì)、扭力屈服強(qiáng)度、按最小屈服強(qiáng)度計算的最小抗拉力、最小抗擠壓力、抗內(nèi)壓力等；鉆鋌規(guī)范數(shù)據(jù)主要包括外徑、內(nèi)徑、長度、質(zhì)量、緊扣扭矩等。具體數(shù)據(jù)請查閱有關(guān)冊或API公報。2）鉆柱的破壞）鉆柱的破壞鉆鋌的確定內(nèi)、外徑，內(nèi)小、外大，受井徑限制、鉆井 液流動限制，長度滿足鉆壓要求。強(qiáng)度足夠，鉆進(jìn)不斷，盡量保證鉆井液正常循環(huán)減少能量損耗。井斜小：提供鉆壓的鉆鋌安放在鉆具下部，鉆具上部采用鐘擺、塔式、滿眼結(jié)

32、構(gòu)。鉆井斜大或水平井：鉆鋌放在井斜較小的井段，大斜度井段或水平井段則在承壓鉆桿與下部鉆具連接。鉆桿的確定鉆鋌的安放位置 鉆井中常用的鉆具組合中包括穩(wěn)斜鉆具、降斜鉆具、防斜鉆具、造斜鉆具、增斜鉆具、幾何導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)等。下部鉆具結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。1 1）設(shè)計原則）設(shè)計原則下部鉆具組合設(shè)計的原則是:1) 有效地鉆出設(shè)計的井眼軌道；2) 鉆頭、馬達(dá)和測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，能加較大鉆壓，有利于提高鉆速；3) 具有較高的強(qiáng)度和壽命；4) 便于安裝和起下。2 2）穩(wěn)斜鉆具）穩(wěn)斜鉆具 保持井斜角和方位角不變。穩(wěn)斜鉆具是采用剛性滿眼鉆具結(jié)構(gòu)，通過增大下部鉆具組合的剛性，控制下部鉆具組合在外力

33、作用下的變形達(dá)到穩(wěn)定井斜和方位的效果。 常用組合：鉆頭+近鉆頭穩(wěn)定器+短鉆鋌=穩(wěn)定器+單根鉆鋌+穩(wěn)定器+鉆鋌+鉆桿3 3）降斜鉆具和防斜鉆具）降斜鉆具和防斜鉆具 降斜鉆具用于定向井中降低井眼軌道的井斜角。防斜鉆具用于直井中抑制和防止井斜的產(chǎn)生。 降斜鉆具一般采用鐘擺鉆具組合，利用鉆具自身的重力產(chǎn)生的鐘擺力實(shí)現(xiàn)降斜。根據(jù)設(shè)計井眼軌道要求的井斜角大小，設(shè)計鉆頭與穩(wěn)定器之間的距離，便可以改變鐘擺力的大小。4 4）造斜鉆具和增斜鉆具）造斜鉆具和增斜鉆具 造斜鉆具用于從直井段沿一定方位鉆出斜井段。增斜鉆具用于增加井段待鉆部分的井斜角。 常用的造斜鉆具組合為：彎接頭+井下動力鉆具、各種彎外殼井下動力鉆具（

34、包括導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)）。所有的造斜鉆具都可作為增斜鉆具使用。 普通的增斜鉆具指轉(zhuǎn)盤鉆增斜鉆具。它是利用杠桿原理設(shè)計的，一般采用雙穩(wěn)定器或三穩(wěn)定器鉆具組合。它有一個近鉆頭足尺寸穩(wěn)定器為支點(diǎn)，第二個穩(wěn)定器與鉆頭之間的距離應(yīng)根據(jù)兩穩(wěn)定器之間鉆鋌的剛性和要求的增斜率大小而定，一般距離較長。5 5）幾何導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)）幾何導(dǎo)向鉆井系統(tǒng) 幾何導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)由鉆頭、導(dǎo)向馬達(dá)、無線隨鉆測斜儀和地面計算機(jī)系統(tǒng)組成。它的主要特點(diǎn)為不需要起下鉆就可以連續(xù)地完成造斜、增斜、降斜、扭方位、穩(wěn)斜鉆進(jìn)，有利于提高鉆進(jìn)速度和控制井眼軌道沿設(shè)計軌道鉆進(jìn)。6 6） 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng) 地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)由鉆頭、導(dǎo)向馬達(dá)、無線

35、隨鉆測井儀、無線隨鉆測斜儀和地面計算機(jī)系統(tǒng)組成。它的主要特點(diǎn)為為不需要起下鉆就可以連續(xù)地完成造斜、增斜、降斜、扭方位、穩(wěn)斜鉆進(jìn)，有利于提高鉆進(jìn)速度和控制井眼軌道，并且可以隨時測得地層參數(shù)，以便及時休修改地質(zhì)設(shè)計和井眼軌道。 井眼軌道控制是鉆井工作中的一項(xiàng)重要工作。在石油開發(fā)的早期，對井眼軌道控制并不嚴(yán)格。本世紀(jì)20年代末期，人們發(fā)現(xiàn)了鉆井過程中井眼彎曲問題并認(rèn)識到要鉆絕對直的井是不可能的，并逐漸認(rèn)識到了井斜的危害。40年代末至50年代初期，防斜成為鉆井技術(shù)領(lǐng)域所關(guān)注的問題。后來，利用井斜鉆成了定向井、水平井和叢式井解決了許多油田開發(fā)中的難題并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。從防斜打直、造斜、增斜、穩(wěn)斜到

36、降斜，井眼軌道控制研究取得了一系列重要成果。 操作原因：操作原因：下部鉆具的工作狀態(tài)對井斜影響很大，當(dāng)下部鉆具受壓產(chǎn)生彎曲就會使鉆頭偏斜導(dǎo)致井斜。井井斜斜原原因因地質(zhì)條件：地質(zhì)條件：技術(shù)原因：技術(shù)原因：由于所鉆地層的傾角和非均質(zhì)性使鉆頭受力不平衡。即使有性能良好的防斜鉆具，也會因操作不當(dāng)而造成井斜。地層傾角、層狀地層、各向異性、巖性軟硬交錯、斷層 最主要的作用是地層傾角，其它諸因素對井斜的作用都與地層傾角緊密相關(guān)。 當(dāng)?shù)貙觾A角小于45；井眼一般沿上傾方向偏斜；當(dāng)?shù)貙觾A角大于60時，井眼將順著地層面下滑發(fā)生偏斜；在4560之間不穩(wěn)定。1) 層狀地層對井斜的影響層狀地層對井斜的影響 鉆頭在傾斜的層

37、狀地層中鉆進(jìn)時，當(dāng)鉆至每個層面交界處時，此處巖層不能長時間支持所加鉆壓而趨向沿垂直層面發(fā)生破碎。在井眼上傾一側(cè)的小斜臺很容易鉆掉。相反，在井眼下傾一側(cè)卻留有一個小斜臺；它就像小變向器作用一樣，對鉆頭施加一個橫向力，把鉆頭推向上傾一側(cè)，從而引起井斜。 逐層鉆進(jìn)時，斜臺大，井斜增長快。 所以：地層傾角大，成層性越強(qiáng)，鉆壓越大，井斜越大。 由于巖層的成層狀況、層理、節(jié)理、紋理以及巖石的成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物、顆粒大小等因素造成巖層在不同方向上的強(qiáng)度不同，一般來說垂直地層層面的強(qiáng)度較小，鉆進(jìn)時鉆頭將沿著這個破碎阻力最小的方向傾斜。AB軟硬AB軟硬（1）鉆頭從軟地層進(jìn)入硬地層時 鉆頭在上傾側(cè)先接觸到硬巖石，

38、在下傾側(cè)仍為軟巖石。這樣在鉆壓作用下，由于上傾側(cè)巖石的硬度大，可鉆性差，鉆頭吃入地層少，鉆速慢，而在下傾側(cè)，可鉆性好，吃入地層多，鉆速快，因此，井眼向上傾側(cè)偏斜。 此外，鉆頭兩側(cè)受力不均勻，上傾側(cè)井底反力的合力比下傾側(cè)大。將產(chǎn)生彎矩扭轉(zhuǎn)鉆鉆頭，使其向上傾方向傾斜。（2）鉆頭由硬地層進(jìn)入軟地層時 開始時由于鉆頭在軟地層一側(cè)吃入多，鉆速卡，而在硬地層一側(cè)吃入少，鉆速慢，井眼有向地層下傾方向傾斜的趨勢。但當(dāng)鉆頭快鉆出硬地層時，此處巖石不能再支撐鉆頭的中負(fù)荷，巖石將沿著垂直于層面方向發(fā)生破碎，在硬地層一側(cè)留下一個臺肩，迫使鉆頭回到上傾方向。 上述分析說明，地質(zhì)條件對井斜角的影響，主要是通過地層作用于鉆

39、頭一個橫向造斜力，使鉆頭偏離原井眼軸線，且一般情況下是使井眼向上傾方向發(fā)生偏斜。 可以推出該地層造斜力：KWFWhFff)(2sin211鉆性。地層平行和垂直方向可、綜合造斜系數(shù)。反映地層造斜力大小的鉆壓；井斜角；地層傾角；地層各向異性指數(shù)；212121SSSSShKWh討論：max11450ffffFFFWF 由于鉆柱時穩(wěn)而發(fā)生彎曲，鉆頭及相鄰連接部分鉆柱的中心軸線偏離井眼軸線，從而使鉆頭偏離一角度 （稱為鉆頭傾角）。鉆頭槍械后對井底形成了不對稱切削，這是產(chǎn)生井斜的重要因素。顯然： 越大，井斜越大。討論：1）鉆壓下于發(fā)生彎曲的臨界鉆壓時，鉆柱是直的，鉆鋌無傾斜現(xiàn)象；當(dāng)鉆壓達(dá)到彎曲臨界鉆壓時，

40、鉆柱發(fā)生彎曲，產(chǎn)生鉆頭傾角。如果鉆壓繼續(xù)增大、則切點(diǎn)下降，鉆頭傾角也越大。2）鉆頭直徑一定，井徑越大，鉆柱越細(xì)、則鉆鋌與井眼的間隙越大，因而鉆頭的傾角越大、井越容易鉆斜。所以從防斜角度，應(yīng)選用直徑大、剛性大的鉆鋌，并盡量減小下部鉆柱與井眼的間隙，以減少鉆頭傾角。斜井井眼的斜度是增大還是減小或是保持某個平衡角度，取決于鉆頭的受力情況。假設(shè)：（1）鉆頭可以象球窩一樣自由轉(zhuǎn)動，但其橫向運(yùn)動受到約束。（2）鉆鋌穩(wěn)定地靠在井的低邊。（3）鉆頭由于受力情況不同，可自由地向任一方向切割。WTFfFiWpFd鉆壓鐘擺力地層造斜力作用在鉆頭上的力WTFfFiWpFd 由于鉆柱彎曲，鉆壓不是沿著井眼軸線方向施加給

41、鉆頭，而是偏離一個角度。因此鉆壓可分解為與井眼軸線相平行的力Wo和與井眼相垂直的力FisincosWFWWio使鉆頭偏離井眼，造成井斜，為增斜力沿井眼軸向繼續(xù)鉆進(jìn)，對井斜無影響 井內(nèi)切點(diǎn)以下的重量Wp勢必在垂直于井壁方向產(chǎn)生一個分力。此力與鐘擺作用相似，將驅(qū)使鉆頭破碎井眼低側(cè)巖石，使井眼恢復(fù)垂直狀態(tài)，所以，為一減斜力。sin21pdWF Ff取決于地層傾5角和各向異性等因素，多數(shù)情況下增斜，也可以降斜（水平井）。鉆頭上作用的力：造斜力降斜力sin21sin1pdffiWFFWFFF討論：（1）當(dāng)F1=Fd時，平衡，保持原井斜角 ；（2）當(dāng)F1Fd時， 增大，此時， Fd也增大，達(dá)到一個新的大于平衡井斜角；（3）當(dāng)F1Fd時， 減小，達(dá)到一個小于的新平衡角。 各向異性地層中的平衡角數(shù)值主要取決于三個因素：鉆壓、鉆鋌尺寸和井眼尺寸。在直井防斜方面提出了：鐘擺鉆具偏重鉆鋌剛性滿眼鉆具 造成井斜的原因是多方面的，如地質(zhì)條件、鉆具結(jié)構(gòu)、鉆井技術(shù)措施以及設(shè)備安裝質(zhì)量等。但歸納起來，主要有兩方面原因：一是鉆頭與巖石的相互作用方面的原因，即由于所鉆地層的傾斜、各向異性和非均質(zhì)性使井眼軌道發(fā)生彎曲；二是鉆柱力學(xué)方面的原因，即下部鉆具受壓發(fā)生彎曲變形使鉆頭偏斜和