倒装钟摆钻具组合设计方法
倒装钟摆钻具组合设计方法
（ ）增 加稳定 器 以上钻铤 弯 曲程度 ； ２
（ ）降低 第 一跨钻 铤沿下井 壁重 力分量 。 ３
以 ６ １． ｍ ３１５ ｍ井眼为例 ， 如图 １ 所示 的倒装钟
摆钻具 ， 分析 各 因素 对 倒装 钟 摆 钻 具组 合 井 斜控 制 定器 以上采用 ６ ２ ． ｍ钻 铤和 ６ ０ ． ｍ 钻铤 。 ２ ８６ｍ ２３２ｍ
Ｄｅ ２ ｏ７ ｅ． ０
文章编 号：１０ ２ ３ （０ ７ ０ ０６ ０ ０ ０— ６ ４ ２０ ）６— １８— ３
倒装钟摆钻具组合设计方法
尹 虎 李 黔 ，
（ ． 川大 学 水 利 水 电学 院 ， １四 四川 成 都 ６ ０６ ； ．西 南 石 油 大 学石 油 工 程 学 院 ， １０ ５ ２ 四川 成 都 ６０ ０ ） １５ ０
摘要 ： 倒装钟摆 钻具 组合 是一 种新 型 的直 井防斜 钻具 组合 ， 小 井斜 角 高钻 压 下表 现 出 了较 好 的 防斜特性 。以 在
４ ｌ ． ｍ 井眼 为 例 对倒 装钟 摆 钻 具 组 合 的 设 计 方 法进 行 了研 究 。通 过 对 稳 定 器 上 下 钻 铤 尺 寸搭 配 以及 不 同钟 摆 ） １５ｍ ３
第 ６期
尹 虎等 ： 倒装钟摆钻具组合设计 方法
１９ ６
取 １ ０～ ０ Ｎ几 个 不 同 钻 压 值 ， 算 这两 套 钻 具 ４ ２ ０ｋ 计
组 合 的各 种力 学性 能 ， 进行 对 比。计 算 结 果 如 图 并
３所示 。
由计 算结 果可 知 ， 小 井 斜 角 高钻 压 条 件下 稳 在
响倒装 钟 摆 钻 具 组 合 防 斜 效 果 的主 要 因素 进 行 分 要 降低稳定 器 以下 钻 铤垂 直 下 井壁 重 力 分 量 ， 量 。也 可 以采用 尺寸较 小 的钻铤 ， 减小其 总 重量 ， 但 不宜采用 尺 寸过 小 的钻 铤 。 因为 尺 寸过 小 的钻 铤 ， 刚度较小 ， 在高钻 压下 容易 与井壁接 触 Ｊ 。而且 ， 一 析， 为倒装钟 摆钻 具 组合 的优 化设 计 和 正 确 使 用倒 可以减小第一跨钻铤长度 ， 降低其重力沿下井壁分
倒装钟摆钻具组合设计方法
２ 稳定器以上钻铤尺寸的影响
在 分析稳定器 以上钻铤尺寸不 同对倒装钻具 组合
１ 倒装钟摆钻具组合设计原则
倒装钟摆钻具组合防斜 机理 是钻头到稳定器之 间 钻铤靠上井壁向下弯曲，钻头转角指 向下井壁 ，使钻压 的作用变为降斜。要达到这样的效果，就必须使稳定器 处的弯矩足以克服稳定器 以下钻铤垂直下井壁的重力分
３稳定器以下钻铤尺寸的影响
在 图１ 示的倒装钟摆 钻具组合 中 ，稳定器 以下 所 钻铤尺寸 由①１ ８ ７ ｍｍ变为①１ ９ｍｍ和 ２ ３ ５ ０ ｍｍ。取 １０ ０ Ｎ ～２ ０ｋ 几个不同钻压值 ，计算这两套钻具组合的 ４ 各种力学性能，并进行对 比。 通过分析 比较 ，在相 同钻压 条件 下，钻头到稳定
５结论
（ 倒 装钟摆钻具组合设计 的核心是稳定器上下采 １ ） 用不同刚度 的钻铤 ，高钻压使钻铤弯曲 ，钻头转角指向 下井壁 ，达到控制井斜的 目的。 （） ２要提高倒装钻具组合的防斜能力可以从 以下几 个方面对钻具组合进行改进 ：增 加稳定器 以上钻铤尺 寸 ：降低稳定器 以下钻铤尺寸 ；增加第一跨钻铤长度。 （） ３进行倒装钟 摆钻具 组合 设计时 ，应避免稳定器 以下钻铤与井壁接触。 （） ４倒装钟摆钻具防斜效 果有待于现场实践进～步
拳 ｌ ｌ 黼ｎ ３ Ｉ ５ 链囊
稔定器
图 １ ①３ ．５ １ １ ｍｍ井眼倒装钟摆钻具组合 １
ｓ ｓ Ｐ Ａ Ｔｃ 系统实践 Ｙ Ｒ ｃ ，Ｅ
ｆ９ ３
器之间钻铤尺寸越小 ，钻头转角越大。钻压１ ０ｋ 时采 Ｎ ４ 用 １ ８ ｍｍ和 ＠２ ３ ｍ钻铤钻头转角分别是～Ｏ０ ２ ７ ０ｒ ａ ．３ 。 和一００ １ ． 。；钻压２ ０ Ｎ］钻头转角分别为一０１７ 和 ３ ０ｋＩ ￣ ． 。 ８ ００ ９ 。钻压越大 ，两者的差值越 大 ，说 明尺 寸越 ．５ 。 小 的钻铤对钻压的敏感程度越大 ，受钻压 的影响越大。 适 当减小钻头 到稳定器 之间钻 铤尺寸可 以增加钻头转 角 ，提高钻具纠斜能力。但钻铤尺寸也不宜太小 ，因为 尺寸太小的钻铤，刚度较小，在高钻压下容易与井壁接 触。因此在使用倒装钟摆钻具组合前 ，一定要根据钻具 组合和钻压条件进行仔细计算 ，防止钻头到稳定器之间 钻铤与井壁接触。
石油钻井钻具组合类型及选用
钻具组合一、钻柱组合1、钻具组合(钻具配合)：指组成一口井钻柱的各钻井工具的选择和连接。
2、下部钻具组合：指最下部一段钻柱的组成。
3、钻柱：是指自水龙头以下钻头以上钻具管串的总称。
由方钻杆、钻杆、钻铤、接头、扶正器等钻具所组成。
4、倒换钻具：下钻时，改变部分立根原先的下入顺序，以改变钻具的受力情况。
5、井下三器：指扶正器、减振器和震击器。
6、钻柱中和点：钻柱的总重量减去给钻头加压所用的那部分钻柱的重量，而形成一个即不受拉又不受压的位置，就叫钻柱的中和点。
二、主要钻具组合类型钻柱是联通地面与井下的枢纽。
不同的钻柱结构及在井下的受力状态，决定了钻头所受钻压的大小和方向。
如定向钻进或井斜较大时，钻头所受实际钻压比钻压表显示的数据要小，若钻柱组合中带有扶正器，实际钻压更小。
同时，由于扶正器与井壁的磨擦作用，使得钻头工作平稳性增强，有利于钻头的使用。
①(刚性)满眼钻具：由外径接近于钻头直径的多个稳定器和大尺寸钻铤组成的下部钻具组合。
用于防斜稳斜。
②塔式钻具：由直径不同的几种钻铤组成的上小下大的下部钻具组合。
用于防止井斜。
③钟摆钻具：在已斜井眼中，钻头以上，切点以下的一段钻铤犹如一个“钟摆”，钻头在这段钻铤的重力的横向分力——即钟摆力作用下，靠向并切削下侧井壁，从而起到减小井斜角的作用。
运用这个原理组合的下部钻具组合称钟摆钻具。
用于防斜和纠斜。
三、增、降、稳斜钻具组合1、降斜组合:类型L1 L2 强降斜组合9-27 /弱降斜组合0.8 18-272、增斜组合：类型L1 L2 L3 强增斜组合 1.0-1.8 / /中增斜组合 1.0-1.8 18-27 /弱增斜组合 1.0-1.8 9-18 93、稳斜组合:类型L1 L2 L3 L4 L5强稳斜组合0.8-1.2 4.5-6.0 9 9 9中稳斜组合 1.0-1.8 3-6 9-18 9-27 /弱稳斜组合 1.0-1.8 4.5 9 / /稳定器在钻具组合中的安放位置不同，钻具组合所表现的性质就不同，一般地将，近钻头稳定器离钻头越近，钻头的增斜力就越大，反之钻头的增斜力则越小。
中国石油大学钻井工程复习题终极版答案
一、名词解释1、岩心收获率：在取心钻井过程中，实际取出岩心的长度与本次取心钻进进尺的百分比。
2、装置角：在井底平面上，以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方向线所转过的角度。
3、拉力余量法：在钻柱设计过程中，考虑钻柱被卡时的上提解卡力，钻杆柱的最大允许静拉力应小于其最大安全拉伸力的一定值（拉力余量）的设计方法。
4、压持效应:在钻井过程中，井内存在一定压差，在压差作用下井底的岩石碎屑难以离开井底，造成钻头重复破碎而导致钻进效率下降的现象。
5、窜槽：指在注水泥过程中，由于水泥浆不能将环空中的钻井液完全替走，使环形空间局部出现未被水泥浆封固的现象。
6、门限钻压：指钻头牙齿刚刚吃入岩石时的钻压，其值的大小主要取决于岩石的性质。
7、上覆岩层压力：指该层以上岩石基质和岩石孔隙内流体的总重力造成的压力。
8、先期裸眼完井：钻至油气层上部下套管固井，然后钻开生产层的完井方法。
9、水泥稠化时间：指水泥浆从配置开始到其稠度达到其规定值（API规定水泥浆稠度达100BC）所用的时间。
10、钻柱中和点：指钻柱上轴向力为零的点。
11、岩屑运载比：岩屑在环空的实际上返速度与钻井液在环空上返速度之比。
12、欠平衡压力钻井：指在钻井过程中保持井内钻井液柱压力小于地层压力的钻井技术。
13、岩石可钻性：岩石被钻头破碎的难易性，反映了岩石的抗钻能力。
14、水锁效应：钻井液中的水侵入油层，封锁孔喉，使油流阻力增大的效应。
15、井漏：钻井过程中钻井液或水泥浆漏入地层中的现象。
16、气窜17井斜角：指该点在井眼轴线上的切线与铅垂线之间的夹角。
18、牙齿磨损量：钻头牙齿磨损掉的高度与牙齿原始高度之比。
19、工具面：弯接头的轴线是一条折线，折线构成的平面称为弯接头的工具面。
20、地层破裂压力：在井下一定深度裸露的地层，承受流体压力的能力是有限的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力叫地层破裂压力。
21、表观粘度：在某一流速梯度下，剪切应力与相应流速梯度的比值。
各种钻井条件下的钻具组合
各种钻井条件下的钻具组合一、常规钻井（直井）钻具组合：BIT钻头；DC钻鋌；SDC 螺旋钻鋌；LZ螺杆钻具；SJ双向减震器；DP 钻杆；HWOP加重钻杆；STB或LF钻具稳定器；LB随钻打捞杯；DJ震击器；1、塔式钻具组合：Φ444.5mmBIT×0.50m+Φ229mmDC×27.24m+Φ203mmDC×54.94m+Φ165mmDC×54.51m+Φ139.7mmDP Φ311.1mmBIT×0.40m+Φ229mmDC×54.38m+Φ203mmDC×82.23m+Φ165m mDC×81.83m+Φ139.7mmDPФ311.1mmBIT×0.32m+Ф244.5mm LZ×9.50m+Ф229mmDC×45.40m+Ф203 mmDC×73.13m+Ф165mmDC×81.83m+Ф139.7mmDPΦ311.1mmBIT×0.30m+Φ229mm SJ×6.62m+Ф229mmDC×53.94m+Ф203mm DC×81.75m+Ф165mmDC×81.83m+Ф139.7mmDP钻头FX1951X0.44 m（Φ311.1mm）＋6A10/630×0.61 m＋9″钻铤×52.17m （6根）＋6A11/5A10×0.47 m+ 8″钻铤×133.19m（9根）＋410/5A11×0.49 m＋61/2″钻铤×79.88m（9根）＋51/2″HWOP×141.88m（15根）＋51/2″钻杆（＊＊根）＋顶驱Φ215.9mmBIT×0.25m+430/4A10+Ф165mmSDC×161.56m+4A11/410+Ф165 mmDJ×8.81m+411/4A10＋61/2″钻铤×79.88m（9根）＋51/2″HWOP×141.88m （15根）＋51/2″钻杆（＊＊根）＋顶驱2、钟摆钻具组合：Φ660.4mmP2×0.50m+730/NC61母+Φ229mm SJ×9.24m+Φ229mmSDC×1 8.24m+730/NC61公+26″LF+731/NC61母+Φ229mmSDC×9.24m+730/NC61公+ 26″LF+731/NC56母+Φ203mmDC×94.94m+410/NC56公+Φ139.7mmDP+顶驱Φ444.5mmGA114×0.50m+730/NC61母+Φ229mmSJ×9.24m+Φ229mm SDC ×18.24m+171/2″LF+Φ229mmSDC×9.24m+171/2″LF+NC61公/NC56母+Φ2 03mmDC×121.94m+8″随震+8″DC×18.94m+410/NC56公+Φ127mmH WOP×141. 94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ311.1mmBIT×0.46m+Φ229mmDC×18.08m+Φ308mmLF×1.82m+Φ203 mmDC×9.10m+Φ308mmLF×1.51m+Φ229mmDC×27.32m+203mmDC×73.13m+Φ178mmDC×81.83m+Φ139.7mmDP+顶驱Φ311.1mmDB535Z×0.50m+630/NC61母+Φ229mmSJ×9.24m+Φ229mm SDC ×18.24m +NC61公/NC56母+121/4″LF + NC56 公/ NC61母+Φ229mm SDC×9. 24m +NC61公/NC56母+121/4″LF+Φ203mmDC×121.94m+8″随震+8″SDC×27.9 4m+410/NC56公+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ311.1mmDB535FG2×0.50m+630/731+95/8″LZ+Φ229mmSJ×18.64m+ 12 1/4″LF ++Φ229mm SDC×9.24m +121/4″LF+Φ203mmDC×148.94m+410/NC56公+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ215.9mmBIT×0.33m+Φ172mmLZ×8.55m+Φ165mmSDC×1.39m+Φ165mmSD C×1.39m+Φ214mmSTB×1.38m+Φ165mmDC× 236.14m+Φ139.7mmHWOP×141.94 m +Φ139.7mmDP+顶驱3、满眼钻具组合：Φ311.1mmH136×0.30m+121/4″LF +NC56 公/ NC61母+Φ229mmSJ×9.2 4m+NC61公/NC56母+121/4″LF + NC56 公/ NC61母+Φ229mm SDC×18.24m+N C61公/NC56母+121/4″LF+Φ203mmDC×121.94m+8″随震+8″SDC×18.94m+41 0/NC56公+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ215.9mm牙轮BIT×0.24m+Φ190mm LB×1.10m+Φ214mmSTB×1.39m+Ф16 5mm SDC×1.39m+Φ214mmSTB×1.40m+Ф165mm DC×8.53m+Φ214mmSTB×1.39m+Φ165mm SJ×5.08m+Ф165mm DC×244.63m+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7m mDP+顶驱Φ215.9mm牙轮BIT×0.24m+Φ214mmLF×1.49m+Ф165mmSDC×1.39m+Φ21 4mmLF×1.40m+Ф165mmDC×8.53m+Φ214mmLF×1.39m+Φ165mm SJ×5.08m+Ф16 5mmDC×244.63m+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ215.9mm牙轮BIT×0.25m+Φ214mmSTB×1.50m+Ф165mmSDC×1.38m+Φ2 14mmSTB×1.40m+Ф165mmDC×8.81m+Φ214mmSTB×1.40m+Ф165mm SJ×6.11m+Ф165mmDC×229.22m+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱二、定向井（水平井）钻具组合：1、直井段钻具组合：采用塔式钻具组合、钟摆钻具组合、满眼钻具组合。
5种常规钻具组合的不同特点
钻具组合
对于定向井常规钻具组合1、增斜钻具（一般增斜率6゜/100m）增斜钻具组合一般采用双稳定器组合。
是利用杠杆原理设计的，它有一个近钻头足稳定器作为支点，第二个稳定器与近钻头稳定器之间的距离应根据两稳定器之间的刚性（尺寸）大小和要求的增斜率的大小确定，一般为20m（两根钻铤长度），两稳定器之间的钻铤在钻压下，产生向下的的弯曲变形，使钻头产生斜向力。
例如：1.1 对于9 5/8″井眼增斜钻具组合：9 5/8″Bit+Φ244mmSST+挡板+7″NMDC×1根+7″DC×1根+Φ244mmSST+ 7″DC×1根+Φ244mmSST +7″DC×2柱+5″DP（常规）9 5/8″Bit+Φ244mmSST+挡板+5″NMDP×1根+7″DC×1根+Φ244mmSST+ 7″DC×1根+Φ244mmSST +7″DC×2柱+5″DP（参考）9 5/8″Bit+Φ244mmSST+挡板+5″NMDP×1根+5″DP×1根+Φ244mmSST+ 7″DC ×1根+Φ244mmSST +7″DC×2柱+5″DP（参考）1.2 对于8 1/2″井眼增斜钻具组合：8 1/2″Bit+Φ214mmSST+挡板+6 1/4″NMDC×1根+6 1/4″DC×1根+Φ214mmSST+ 6 1/4″DC×1根+Φ214mmSST +6 1/4″DC×2柱+5″DP（常规）8 1/2″Bit+Φ214mmSST+挡板+5″NMDP×1根+6 1/4″DC×1根+Φ214mmSST+ 6 1/4″DC×1根+Φ214mmSST +6 1/4″DC×2柱+5″DP （参考）8 1/2″Bit+Φ214mmSST+挡板+5″NMDP×1根+5″DP×1根+Φ214mmSST+ 6 1/4″DC×1根+Φ214mmSST +6 1/4″DC×2柱+5″DP（参考）2、微增斜钻具（一般增斜率3゜/100m）微增斜钻具组合在井下的受力情况和增斜钻具相同，主要是通过减小近钻头稳定器与2号稳定器的距离或者减小近钻头稳定器的外径尺寸（欠尺寸稳定器），以减小钻具的造斜能力。
钻柱与下部钻具组合设计
表3 防止卡瓦挤毁钻杆的σy/σt比值
横 向 卡瓦 摩 擦 负 载 60.3 长度 系 数 系 数 /mm (μ) (Ks) 0.06 4.35 1.27 0.08 304.8 0.10 0.12 0.14 0.06 4.00 3.68 3.42 3.18 4.36 1.25 1.22 1621 1.19 1.20
89(31/2)
89,108(31/2, 41/4)
从上表可以看出，一种尺寸的钻头可以 使用两种尺寸的钻具，具体选择就要依据 实际条件。选择的基本原则是： 1.钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供 应可能的情况下，应尽量选用大尺寸方钻 杆。
2.钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是 有利的。因为大尺寸钻杆强度大，水眼大，钻井 液流动阻力小，且由于环空较小，钻井液上返速 度高，有利于携带岩屑。入境的钻柱结构力求简 单，以便于起下钻操作。国内各油田目前大都用 127mm(5 in)钻杆。 3.钻铤尺寸决定着井眼的有效直径，为了保证所钻 井眼能使套管或套铣筒的顺利下入，钻铤中最下 部一段（一般应不少一立柱）的外径应不小于允 许最小外径，其允许最小钻铤外径为 允许最小钻铤外径＝2×套管接箍外径－钻头直径
pca = p/Sc 式中：pca——钻杆许用外挤压力，Mpa； p ——钻杆的最小抗挤强度，Mpa； Sc ——安全系数，一般应不小于1.125。
4）抗扭强度。在钻斜井、深井、扩眼和处理卡钻 事故时，钻杆受到的扭矩很大，抗扭强度计算也 就显得极其重要。APIRP7G标准给出了各种尺 寸、钢级及不同级别钻杆的抗扭强度数据。 在钻井过程中，钻杆承受的实际扭矩很难准确计算， 可用下式近似估算： M = 9.67P/n 式中：M——钻杆承受的扭矩，kN•m； P——是钻柱旋转所需的功率，kw； n——转速，r/min。
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倒装钟摆钻具组合设计方法
倒装钟摆钻具是一种常用于岩层钻探的工具，它通过在井口设置钻台
和旋挖台，使得钻杆能够下垂到井底。
倒装钟摆钻具和常规钻具相比，具
有更广泛的适用性和更高的效率。
在设计倒装钟摆钻具组合时，需要考虑
多种因素，包括井口状况、岩层性质和钻具性能等。
1.井口状况分析：首先需要对井口进行详细的调查和分析，包括井口
尺寸、地形条件、井口设备和周围环境等。
这些信息对于确定钻台和旋挖
台的位置和大小至关重要。
2.岩层性质分析：了解岩层性质对倒装钟摆钻具组合设计至关重要。
岩层的硬度、厚度和稳定性等因素都会影响钻具的选择和设计。
3.钻具选择和设计：根据井口状况和岩层性质，选择适当的钻具。
常
用的倒装钟摆钻具包括钻台、旋挖台、钻杆、套管和钻头等。
钻具的尺寸、材质和刚度需要根据实际情况进行选择和设计。
4.钻井液设计：钻井液在倒装钟摆钻具组合中起着重要的作用。
它不
仅需要提供足够的冲刷和冷却能力，还需要保持井底稳定。
钻井液的密度、粘度和循环能力等参数需要根据岩层性质和井口状况进行合理的设计。
5.施工方案设计：根据倒装钟摆钻具组合的设计，制定详细的施工方案。
包括实施步骤、操作流程、作业参数和安全措施等。
确保施工按照设
计要求进行，达到预期的钻井效果。
6.检测和调整：在施工过程中需要进行实时的监测和调整。
监测包括
各种参数的记录和分析，如钻杆下垂、钻进速度和钻头进度等。
根据监测
结果进行必要的调整，保证施工的顺利进行。
7.结束和总结：施工结束后，对整个倒装钟摆钻具组合的设计和施工进行总结和评估。
分析施工中的问题和不足，并提出改进意见。
这些经验和教训对于今后的倒装钟摆钻具组合设计具有重要的参考价值。
综上所述，倒装钟摆钻具组合的设计方法包括井口状况分析、岩层性质分析、钻具选择和设计、钻井液设计、施工方案设计、检测和调整以及结束和总结。
这些步骤相互关联，需要综合考虑各种因素，以确保倒装钟摆钻具组合能够在复杂的工况下有效地进行钻探作业。