斜井基本常識(shí).ppt

1、第三章 井眼軌道設(shè)計(jì)與控制,井眼軌道,直井：設(shè)計(jì)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(jì)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。,第三章,定向井,第三章,第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)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。,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,其它基本要素如下圖所示：,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,1) 直井段:設(shè)計(jì)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

2、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。,2.井身剖面,井身在垂直平面內(nèi)的投影,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,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 。,6) 降斜段:井斜角隨著井深的增加而減小的井段。,5) 穩(wěn)斜段:井斜角保持不變的井段。,7) 目標(biāo)點(diǎn):設(shè)計(jì)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(gè)區(qū)域稱為靶區(qū)。在大斜度井和水平井中，靶區(qū)為包含設(shè)計(jì)井眼軌道的一個(gè)柱狀體。,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,1) 工具彎角（）:

3、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(gè)軸線所決定的平面。 3) 反扭角（）:在使用井下動(dòng)力鉆具進(jìn)行定向造斜或扭方位時(shí),動(dòng)力鉆具啟動(dòng)前的工具面與啟動(dòng)后且加壓鉆進(jìn)時(shí)的工具面之間的夾角。反扭角總是使工具面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。,3. 井眼軌道水平投影,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,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(shí)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，順時(shí)針轉(zhuǎn)到工具面與井底圓平面的交線在水平面上的

4、投影線所轉(zhuǎn)過的角度。,4)高邊：定向井的井底是個(gè)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(shí)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。,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,6) 裝置角（）:在啟動(dòng)鉆具后且加壓鉆進(jìn)時(shí),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(dòng)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(jì)井眼軸線為中心所限定的圓錐（柱）空間。 9) 誤差橢球:由測量

5、和計(jì)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。,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,井眼曲率的計(jì)算,1）簡單表示法,方位角不變的井眼軸線,此時(shí)：,若AB弧有均勻曲率，則根據(jù)定義：,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,對于空間井眼軸線，可以用兩個(gè)平面來表示,垂直：,水平：,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,空間曲率的計(jì)算,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,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,在垂直投影面中： A 、A+d在平面AAB 內(nèi)，令 AAB= ，則,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)

6、計(jì)的原則和方法,水平投影面中：,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,水平投影面中：,由于：,則：,坐標(biāo)參數(shù)與基本參數(shù)間的關(guān)系：,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,Rn、Ri對Rh都有影響。,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,四、井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,井眼軌道的類型,二維井眼軌道,三維井眼軌道,設(shè)計(jì)井眼軸線僅在設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)用于繞障井和現(xiàn)場待鉆修正井眼軌道設(shè)計(jì)。,1. 井眼軌道的類型,第五章 第一節(jié) 井眼

7、軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,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) 在選擇造斜點(diǎn)、井眼曲率、最大井斜角等參數(shù)時(shí)，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(jì)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。,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,2. 設(shè)計(jì)井眼軌道的原則,造斜點(diǎn)的選擇原則,3. 井眼軌道設(shè)計(jì)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，

8、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； 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。,(1),第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,(3)井眼曲率,井眼曲率過大會(huì)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。,(2)最大井斜角,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(shí)，方位不穩(wěn)定，因此，最大井斜角應(yīng)大于15。,4. 井眼軌道類型的選擇 設(shè)計(jì)井眼軌道時(shí)，一般選擇簡單的二維軌道。二維軌道由垂直井段、造斜井

9、段、穩(wěn)斜井段、降斜井段組合而成，最常用的有四種類型。,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,直井,三段制,五段制,“S”型,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,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)井眼軌道確定原則，選定一個(gè)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小；,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,5. 二維定向井井眼軌道設(shè)計(jì)方法,4) 確定最大井斜角；,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

10、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。,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,設(shè)計(jì)實(shí)例：已知某設(shè)計(jì)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(jì)方法,查圖法 作圖法 解析法,d,最大井斜角m的確定:,在 kjf中：,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,若令：,She ：油層內(nèi)水平位移 De：油層深度,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,有:,造斜率與曲率半徑的

11、關(guān)系：,計(jì)算：,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,井段：Oa 最大井斜角:0 方位角:0 垂直井深增量D(m): Da= Dkop=400 垂直井深D(m): Da = Dkop =400 水平位移增量Sh (m): Sha =0 水平位移Sh(m): Sh =0 段長l(m): la= Dkop =0 井深Dw(m) : Dw = Dkop =0,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,水平位移增量Sh (m): Shab =R1(1-cos m )=206.03 水平位移Sh(m): Shb = Shab = 206.03 段長l(m): lab= R1m /57.3=607.6

12、5 井深Dw(m) : Dwb = Dwa + lab =1007.65,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,井段：ab 最大井斜角:40.51 方位角: 30 垂直井深增量D(m): Dab= R1sinm =558.31 垂直井深D(m):Db = Da + Dab =958.31,垂直井深D(m): Dc = Db+ Dbc =2115.07 水平位移增量Sh (m): Shbc = Dbc tgm=988.32 水平位移Sh(m): Shc = Shb + Shbc = 1194.35 段長l(m): lbc= Shbc /sin m =1521.47 井深Dw(m) ： Dwc

13、 = Dwb + lbc =2529.12,井段：bc ; 最大井斜角:40.51 方位角: 30 垂直井深增量D(m): Dbc=De - Dkop - Dab - Dcd =1156.76,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,水平位移Sh(m): Shd = Shc + Shcd = 1457.9 段長l(m): lcd= R2 (m - e ) / 57.3=1521.47 井深Dw(m) : Dwd = Dwc+ lcd =3179.32,井段：cd 最大井斜角:40.51 方位角: 30 垂直井深增量D(m): Dcd= R2 (sinm - sine ) =584.93,垂直

14、井深D(m): Dd= Dc + Dcd =2700 水平位移增量Sh (m): Shcd =R2(cos e -cos m )=263.35,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,水平位移Sh(m): Sht = Shd + Shdt = 1500.06 段長l(m): ldt= Shdt /sin e =302.93 井深Dw(m) : Dwt = Dwd + ldt =3482.25,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,井段：dt 最大井斜角: 8 方位角: 30 垂直井深增量D(m): Ddt=D - De =300 垂直井深D(m):Dt= Dd+ Ddt =3000 水平

15、位移增量Sh (m):Shdt= Ddt tge=42.16,6. 井眼軌道隨鉆修正設(shè)計(jì) 7. 井眼軌道繞障或防碰設(shè)計(jì) 8. 叢式井總體設(shè)計(jì)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(jì)和施工的關(guān)鍵。為此，我們應(yīng)該注意下述幾個(gè)方面。 1) 井網(wǎng)類型。 2) 井眼軌道設(shè)計(jì)。 3) 井口布置,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,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(jì)算機(jī)繪制井眼防碰圖,第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法,第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),鉆柱的

16、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(dòng)力傳遞給鉆頭并給鉆頭加壓,使鉆頭破碎巖石； 3) 起下鉆頭；,鉆柱：是指自方鉆桿至鉆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。,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),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(jià)。,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),一、 常用鉆井工具, 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、

17、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(dòng)力鉆具組合等。,二、鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析,1、鉆柱的工作狀態(tài),起下鉆:鉆柱不接觸井底，鉆柱處于懸持狀態(tài)，在自重,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(shí)，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(shí)，鉆柱彎曲出現(xiàn)第二個(gè)半波，著是鉆柱的第二次彎曲。如果繼續(xù)增大鉆壓，則會(huì)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)，鉆柱旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的可能形式：自

18、轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)、不規(guī)則運(yùn)動(dòng),第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),作用下，鉆柱處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)。,2、鉆柱的受力分析及計(jì)算,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,1）軸向載荷 包括穩(wěn)態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷，一般除振動(dòng)嚴(yán)重外，忽略動(dòng)態(tài)。,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),鉆柱軸向載荷,鉆柱重量 鉆井液浮力 鉆壓 與井壁摩擦,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。,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),鉆進(jìn)過程中鉆柱軸向載

19、荷：,Wpt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,對于井口處：,鉆柱的平均應(yīng)力：,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),2）扭矩,轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱扭矩在井口處最大，鉆頭處最小。 采用井下動(dòng)力鉆具時(shí)，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(shí)，可以計(jì)算該截面上鉆柱由于承受扭矩而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力,轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱所受的扭矩取決于轉(zhuǎn)盤傳給鉆柱的功率,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),正常鉆進(jìn)時(shí)，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)

20、驗(yàn)公式確定。,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)：,W鉆壓，N； Db鉆頭直徑，cm。,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),牙輪鉆頭鉆進(jìn)：,C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與巖性、鉆井液性質(zhì)、井眼清潔程度、鉆頭磨損等有關(guān)。一般?。?.350.6。,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),若鉆頭或鉆柱突然被卡，旋轉(zhuǎn)鉆柱的動(dòng)能可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃挝荒?，引起瞬時(shí)扭矩，產(chǎn)生很大的扭矩和剪應(yīng)力 旋轉(zhuǎn)動(dòng)能,變形位能：,最大扭矩：,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),3）鉆柱彎矩,被卡時(shí)：,直井中鉆柱上部彎矩是由離心

21、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，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。,4)內(nèi)外壓力,內(nèi)外壓力作用下產(chǎn)生徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),5）其它力的作用,離心力 縱向振動(dòng) 橫向振動(dòng) 動(dòng)載 鉆柱與井壁的正壓力和摩擦力,3. 鉆柱強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核,1）強(qiáng)度校核,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),鉆柱所受的四種主要載荷：,最大應(yīng)力應(yīng)滿足：,2)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(shí)，鉆柱為直線穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)軸向壓力大于一定值時(shí)，鉆柱就發(fā)生正弦屈曲；

22、當(dāng)軸向力繼續(xù)增大時(shí)，鉆柱就會(huì)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(jì)算分析。,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),未失穩(wěn),正弦屈曲,螺旋屈曲,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),4、鉆柱的破壞,1）鉆柱的物理機(jī)械性能,(1) 鉆柱的材質(zhì) 鉆柱的各個(gè)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(jí)有D級(jí)、E級(jí)、95（X）級(jí)、105（G）級(jí)和135（S）級(jí)共五種。其中X級(jí)、G級(jí)和S級(jí)鉆桿為高強(qiáng)度鉆桿；鉆鋌和方鉆桿的鋼級(jí)為AISI4145和AISI4150，其機(jī)械物理性能見有關(guān)手冊或API公報(bào)。 (2) 鉆柱

23、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(jì)算的最小抗,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),統(tǒng)計(jì)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,2）鉆柱的破壞,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(bào)。,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),5、鉆柱組合設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)內(nèi)容,鉆鋌的確定,內(nèi)、外徑，內(nèi)小、外大，受井徑限制、鉆井 液流動(dòng)限制，長度滿足鉆壓要求。,強(qiáng)度足夠，鉆

24、進(jìn)不斷，盡量保證鉆井液正常循環(huán)減少能量損耗。,鉆桿的確定,鉆鋌的安放位置,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),井斜?。禾峁┿@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)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。,6、下部鉆具組合設(shè)計(jì)方法,1）設(shè)計(jì)原則 下部鉆具組合設(shè)計(jì)的原則是: a.有效地鉆出設(shè)計(jì)的井眼軌道； b.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； c.具有較高的強(qiáng)度和壽命；,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),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

25、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。,2）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,d.便于安裝和起下。,第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì),3）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(jì)井眼軌道要求的井斜角大小，設(shè)計(jì)鉆頭與穩(wěn)定器之間的距離，便

26、可以改變鐘擺,第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),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(shí)到要鉆絕對直的井是不可能的，并逐漸認(rèn)識(shí)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)斜到降斜，井眼軌道控制研究取得了一系列重要成果。,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),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(huì)使鉆頭偏斜導(dǎo)致井斜。

27、,井斜原因,地質(zhì)條件：,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(huì)因操作不當(dāng)而造成井斜。,一、直井井斜及控制,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),1、 地質(zhì)條件,地層傾角、層狀地層、各向異性、巖性軟硬交錯(cuò)、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時(shí),井眼一般沿上傾方向偏斜； 當(dāng)?shù)貙觾A角大于60時(shí)，井眼將順著地層面下滑發(fā)生偏斜； 在4560之間不穩(wěn)定。,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),鉆頭在傾斜的層狀地層中鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)鉆至每個(gè)層面交界處時(shí)，此處巖層不能長時(shí)間支持所加鉆壓而趨向沿垂直層面

28、發(fā)生破碎。在井眼上傾一側(cè)的小斜臺(tái)很容易鉆掉。相反，在井眼下傾一側(cè)卻留有一個(gè)小斜臺(tái)；它就像小變向器作用一樣，對鉆頭施加一個(gè)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(shí)，斜臺(tái)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。,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),1) 層狀地層對井斜的影響,2）地層各向異性對井斜的影響,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(shí)鉆頭將沿著這個(gè)破碎阻力最小的方向傾斜。,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),3）巖性交錯(cuò)變化對井斜

29、的影響,（1）鉆頭從軟地層進(jìn)入硬地層時(shí) 鉆頭在上傾側(cè)先接觸到硬巖石，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。,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),（2）鉆頭由硬地層進(jìn)入軟地層時(shí) 開始時(shí)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(shí)，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，

30、在硬地層一側(cè)留下一個(gè)臺(tái)肩，迫使鉆頭回到上傾方向。,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),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頭一個(gè)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：,討論：,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),2、下部鉆柱彎曲對井斜的影響,由于鉆柱時(shí)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(shí)，鉆柱是直的，鉆鋌無傾斜現(xiàn)象；

31、當(dāng)鉆壓達(dá)到彎曲臨界鉆壓時(shí)，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。,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),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。,二、斜井內(nèi)鉆柱的受力分析,斜井井眼的斜度是增大還是減小或是保持某個(gè)平衡角度，取決于鉆頭的受力情況。,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),假設(shè)： （1）鉆頭可以象球窩一樣自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但其橫向運(yùn)動(dòng)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

32、自由地向任一方向切割。,鉆壓 鐘擺力 地層造斜力,作用在鉆頭上的力,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),1、鉆壓,由于鉆柱彎曲，鉆壓不是沿著井眼軸線方向施加給鉆頭，而是偏離一個(gè)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Fi,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,2、鐘擺力,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(gè)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。,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),3、地層造斜力,Ff取決于地層傾角和各向異性等因素，多數(shù)情況下增斜，也可以降斜（水平

33、井）。,鉆頭上作用的力：,造斜力 降斜力,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),討論： （1）當(dāng)F1=Fd時(shí)，平衡，保持原井斜角 ； （2）當(dāng)F1Fd時(shí)， 增大，此時(shí)， Fd也增大，達(dá)到一個(gè)新的大于平衡井斜角； （3）當(dāng)F1Fd時(shí)， 減小，達(dá)到一個(gè)小于的新平衡角。,在直井防斜方面提出了：,鐘擺鉆具,偏重鉆鋌,剛性滿眼鉆具,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),各向異性地層中的平衡角數(shù)值主要取決于三個(gè)因素：鉆壓、鉆鋌尺寸和井眼尺寸。,三、定向井眼軌道控制理論與技術(shù),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在鉆頭上產(chǎn)生側(cè)向力使井眼軌道發(fā)生彎曲。,第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù),1. 下部鉆具力學(xué)分析,(2)井斜角的影響 鉆具的橫