导向钻具几何造斜率的研究_刘修善
高造斜率钻具组合在套管开窗窗口处通过性试验研究
高造斜率钻具组合在套管开窗窗口处通过性试验研究
陈杰;陈胜宏;许杰;王晓鹏;朱益辉;左凯;赵少伟;赵金成
【期刊名称】《石化技术》
【年(卷),期】2017(024)007
【摘要】为提高低效井油气采收率,渤海油田计划采用短半径侧钻水平井技术方案.本文介绍了在中海油钻采试验基地JJSY-4S1井进行的高造斜率钻具组合在开窗窗口处通过性试验结果,并提出了提高通过性的建议.
【总页数】1页(P122)
【作者】陈杰;陈胜宏;许杰;王晓鹏;朱益辉;左凯;赵少伟;赵金成
【作者单位】中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津 300452;中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津 300452;中海石油(中国)有限公司天津分公司天津 300452;中海石油(中国)有限公司天津分公司天津 300452;中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津 300452;中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津 300452;中海石油(中国)有限公司天津分公司天津300452;中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司天津 300452
【正文语种】中文
【相关文献】
1.底部钻具组合造斜率预测新方法 [J], 史玉才;管志川;赵洪山;黄根炉
2.直螺杆的钻具组合在水平分支井侧钻中造斜率预测 [J], 梁浩
3.高造斜率螺杆钻具提速技术研究与应用 [J], 张洪宁;刘卫东;藏艳彬;牛新明;刘建华;张建龙
4.绥中36-1油田调整井开窗侧钻高造斜率钻具研制及应用 [J], 李红星;李辉;王晓鹏;谢涛;安申庆;李国梁
5.一种高造斜率旋转导向钻具的几何造斜率实用计算方法研究 [J], 许福东;胡成峰;冯定;华北庄
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旋转导向钻井技术和工具
钻井：促进钻头，泥浆，钻井工艺和测井技术的发展； 材料：高强度柔性钢材； 传感器：耐高温高压电磁传感器，微型抗强振加速度计； 液控元件：微型阀，无刷直流电机和泵； 电子元器件：耐高温存储器芯片，时钟芯片； 微处理器技术：快速高精度CPU和DSP技术； 数据处理及压缩技术；
钻头推向 一 侧
极板推出
控制阀盘
PowerDrive Xtra
4
伸出量
井壁
D1
D2
D3
不旋套转
旋转轴
高边
工具面角
P
P
AutoTrak
1
P1
P2
P3
“Push” & “Point” ？
支点
井 壁 两 侧 受力状态不同
钻头
Push the bit first,Then Point the bit
AutoTrak ——压力矢量调整（7500个可调挡位）； 光滑的井眼轨迹 XTCS —— 偏心矢量调整（无级变角调整）； 光滑的井眼轨迹 Geopilot —— 预置角导向，6挡变角；变造斜率——“导向模式”+“稳斜模式” 折线轨迹； Powerdrive Direct —— 预置力导向，可设置81 个挡位； 无稳斜模式，造成稳斜段扩径
定向钻井理论与技术
《定向钻井理论与技术》讲稿授课教师：史玉才授课对象：船舶与海洋工程200３级１～２班授课时间：２００６～２００７学年第一学期２００６年９月定向钻井理论与技术授课教师：史玉才8392278（O）授课对象：船舶与海洋工程2003级01～02班学习目的：（1）在必修课中定向钻井内容的基础上，进一步拓宽和加深，使学生掌握定向井设计和计算的基本理论和方法，初步具备分析和解决定向钻井过程中的具体问题的能力，同时对当前大量出现的定向井新技术有最基本的了解，为以后从事定向井工作打下较好的基础。
（2）通过本课程的学习，要求学生掌握定向井井眼轨迹计算、井身剖面设计、井眼轨迹预测等方法；能初步进行钻柱摩阻扭矩计算、动力钻具反扭角计算和无磁钻铤使用长度计算。
总学时：32教材：韩志勇，《定向井设计与计算》，石油工业出版社，1989主要参考资料：有关定向井的科技论文。
第1章定向井钻井技术概述定向井：目标点和井口不在一条铅垂线上的井。
按照事先设计的具有井斜和方位变化的轨道钻进的井。
一口直井打斜了，也具有井斜角和井斜方位角的变化，但那不是定向井。
井眼轨道：指在一口井钻进之前人们预想的该井井眼轴线形状。
井眼轨迹：指一口井实际钻出来后的井眼轴线形状。
§1-1 定向井的用途20世纪30年代初，在海边向海里打定向井开采海上油田的尝试成功之后，定向井得到了广泛的应用，其应用领域大体有以下三种情况。
1．地面环境条件的限制地面上是高山，湖泊，沼泽，河流，沟塑，海洋，农田或重要的建筑物等，难以安装钻机进行钻井作业时，或者安装钻机和钻井作业费用很高时，为了勘探和开发它们下面的油田，最好是钻定向井。
2．地下地质条件的要求●对于断层遮挡油藏，定向井比直井可发现和钻穿更多的油层；●对于薄油层，定向井和水平井比直井的油层裸露面积要大得多。
●对于垂直裂缝的构造带，打直井很难钻遇裂缝，若钻定向井或水平井，则钻遇裂缝的机会就大得多；●另外，侧钻井，多底井，分支井，大位移井，侧钻水平井，径向水平井，等等定向井的新种类，显著地扩大了勘探效果，增加了原油产量，提高了油藏的采收率。
现代导向钻井的(精)
张绍槐
一、主要内容
• • • • • 重要概念 国内外现状 MRSS系统与MRST工具 垂直钻井技术 发展（结束语）
一、重要概念
复杂油气藏钻复杂结构井是提高产量与采收率的重要手段，需要现代导 向钻井理论与技术；
导向钻井有两个导向功能，打直（尤其是垂钻）与定向（井斜与方位）； 常规导向（传统定向）钻井：调变钻柱结构、尺寸（直径），选择扶正 器结构、直径、数目、位置，优选钻头与调整钻压、转数等钻进参数； 控制BHA力学特性与变形；属于被动防斜打直和开环定向（造斜、增斜、 稳斜、降斜）性质；每钻进一个井段后需起钻测斜分析井身质量和井轨 状况后再下钻钻进或纠斜（甚至填井纠斜）再钻。
Geolink的LWD及Path-Finder LWD和SLIM 1 GR MWD等。
李琪NFSC项目“地质导向钻井信息临境模拟与协同决策的研究”
旋转导向相结合的集成式旋转地质导向闭环钻井系统。
CDN——补偿中子密度 CDR——补偿双电阻率
井下闭环工具与导向技术
导 向 技 术 地 质 导 向 钻 井 技 术 类 型
大改变井斜方位时，需起钻改变钻柱结构。
不同导向方式成本对比
导向钻井发展史
导 向 钻 具 组 合
动力段
地面可调弯外壳
轴承段和扶正器
弯外壳或弯转轴井下动力马达 其弯曲部 分离钻头 近，采用 滑动和旋
转模式钻
井，大大 减少起下
钻次数，
但容易形 成不规则 井眼。
可变弯接头：克服普通弯接头弱点，避免多次起下钻，
地质导向技术可实现“软着陆”并不必打领眼．
引进和租用LWD．PWD等。如：
Slb的Periscope15 ，Ecoscope AND 密度成像仪CDR补偿
加拿大非常规油气田优快钻井技术
Optimized fast drilling technology for unconventional oil/gas field in Canada HOU Lizhong1, ZHENG Deshuai2, WU Junxia2
（1. International Petroleum Exploration and Production Corporation, SINOPEC, Beijing 100029, China; 2. Research Institute of Petroleum Engineering, SINOPEC, Beijing 100101, China）
Abstract: Due to high cost of unconventional oil/gas fields development like tight gas, it is in urgent need to study optimized fast drilling in order to reduce drilling costs. The development of unconventional oil and gas needs to place long horizontal sectionin in the reservoir. In view of the technical challenges like difficulty in control of wellbore trajectory in long horizontal section and low penetration rate, the mechanical properties of bottomhole assembly was analyzed and optimized through computation, and the compound drilling rate in the horizontal section was improved, all of which reduced the number of trips in combination with bit selection. The drillstring oscillator was used to improve wob transferring efficiency; oil-based drilling fluid was specially prepared for horizontal section, which greatly reduced the friction factor and effectively inhibited wellbore instability. The application of optimized fast drilling technology in Daylight Unconventional Oil/Gas Field (Canada) shows that this technology significantly reduces drilling period and drilling costs, and provides useful reference for high-efficient development of domestic unconventional oil/gas fields. Key words: unconventional oil/gas field; long horizontal section; trajectory control; penetration rate; oil-based drilling fluid; Canada
底部钻具组合造斜率预测新方法
Ａ ｎ ｅ ｗ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｆ ｏ ｒ ｂｕ ｉ ｌ ｄ－ － ｕｐ ｒ ａ ｔ ｅ ｐ ｒ ｅ ｄ ｉ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｂｏ ｔ ｔ ｏ ｍ－ － ｈｏ ｌ ｅ ａ ｓ ｓ ｅ ｍ ｂｌ ｙ ｉ ｎ ｗｅ ｌ ｌ ｄ ｒ ｉ ｌ ｌ ｉ ｎｇ
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ：Ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ａ ｂ ｉ ｔ — ｒ ｏ ｃ ｋ ｉ ｎ ｔ ｅ ｒ ａ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍｏ ｄ ｅ ｌ ａ ｎ ｄ ａ ｎ ｅ ｖ ａ ｌ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｉ ｎ ｄ ｅ ｘ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｏ ｆ ｄ ｉｌ ｒ ｌ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｎ ｄ ｅ ｎ ｃ ｙ， ＨＩ Ｙｕ ｃ ａ ｉ ，ＧＵＡＮ Ｚｈ ｉ ｃ ｈｕ ａ ｎ ，ＺＨＡＯ Ｈｏ ｎ ｇ ｓ ｈａ ｎ ，ＨＵＡＮＧ Ｇｅ ｎ ｌ ｕ
（ １ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆＰ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｆＰ ｏ ｅ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｕ ｍ， Ｑ ｉ ｎ ｇ ｄ ａ ｏ ２ ６ ６ ５ ８ ０ ， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ；
史玉才 ， 管志川 ， 赵洪山 ， 黄根 炉
（ １ ． 中国石油大学石油工程 学院， 山 东青 岛 ２ ６ ６ ５ ８ ０ ； ２ ． 中石化 胜利石油工程有限公 司钻井 工艺研 究院， 山 东东营 ２ ５ ７ ０ １ ７ ） 摘要 ： 基于钻头与地层相互作用模 型及 钻进 趋势评价指标 。 提 出一种底部 钻具组合 造斜率预测 的新方法——平衡 趋 势法 ， 认为底部钻具组合 的造斜率应 与钻进 趋势 角为零 时的井 眼 曲率 相等。结合 钻具组 合受力 分析模 型和钻头 与 地层相互作用模型 ， 推导 出钻进趋势角 的计算表达式 ． 建立平衡趋 势法求解底 部钻具组 合造斜率 的计算方法 。实例 验证表 明。 该方 法具有较高的计算精度 ， 能够实现 钻头 和地层 的各 向异 性 、 地层倾 角及倾 向等各种 因素对底 部钻具
曹626水平井定向造斜段钻具组合导向能力计算分析
杆。
图 １ 带单弯螺杆 的单稳定器钻具 组合 结构示意图
５ ２
西部 探矿工 程
２ ０ １ ３年第 ２ 期
导 向能 力 。为 了考虑地 层 因素 的影 响 ， 有 的专 家提 出 了 “ 平衡曲率法” ［ ３ ］ 。利用“ 平衡 曲率法” 预测 Ｂ ＨＡ 的导 向能力 ， 关键在 于确定 门 限侧 向力 的大小 。在 许 多情况
向力 ， 并定义 为“ 平 衡侧 向力” ， 反 映 了实 际稳 斜 钻 具组
高的导 向能力 ， 采用 了单稳 定器 钻具 组 合 。本文 利 用平衡侧 向力法 ［ １ ］ 对实 际使 用 的单稳定 器钻具 组合 的导向能力进行 预 测 ， 并 将其 与双 稳定 器钻 具组 合 进行 比较 ， 探 讨带单 弯螺 杆 的钻具 组合 的导 向能力 的规律性 ， 为今后钻具组合 的设计提供参考依据 。 １ 轨 迹设计 结合地质和工程要求 ， 全井采用了五段制剖面 。轨 迹设 计参 数见 表 １ 。 ２ 下部 钻具 组合设计 根据 以往经验和曹 ６ ２ ６ 水平井的设计要求 ， 各井段 的钻具组合设计结果见表 ２ 。设计特色为导 向钻具组 合都为带双稳定器的滑动导向钻具组合 。
统， 对曹 ６ ２ ６ 水平井定向造斜段钻具组合的导向能力进行 了预测分析。结果表 明， 这种方法具有很 高 的预测精度。通过优化双稳定器滑动导向钻具组合的结构参数， 可以获得较单稳定器滑动导向钻具 组合 更 高的导 向能 力。
公转下部钻具受力与轨道控制的初步分析
公转下部钻具受力与轨道控制的初步分析Ξ李子丰(燕山大学,河北秦皇岛 066004) 赵金海(胜利石油管理局,山东东营 257017) 蒋 恕(中国地质大学,湖北武汉 430074)摘要 地面驱动的带弯角或偏轴的导向钻具和防斜钻具已经广泛地应用于水平井、大斜度井、大位移井、分支井和直井钻进中。
由于对该类钻具的力学特性和轨道控制理论研究不足,使得应用效果不稳定。
要解决该类钻具的轨道控制问题,必须解决下部钻具的稳定性判别、下部钻具各点的运动状态判别和参数分析、下部钻具动力学分析的数学模型、钻头与地层动态作用模型和井眼轨道预测方法。
文中初步探讨了问题的性质、可能遇到的问题和解决问题的途径。
关键词 下部钻具 导向钻具 动力分析 轨道控制 稳定性 防斜 降斜 为实现在直井钻井过程中,特别是在高陡构造钻直井时防斜和降斜,研制成功了偏轴接头防斜钻具。
大量的现场实践证明,该种钻具多数情况下具有较好的防斜和纠斜效果,但有时效果欠佳。
从理论和实践上,用带弯外壳马达的导向钻具钻直井也是可以的,但成本高、井身质量差。
为更好地研制和使用下部钻具,对下部钻具组合力学特性和钻头与地层相互作用进行了较多的研究。
目前的研究工作基本上是处于静态或稳态研究阶段,其结果适用于转盘或顶驱驱动的稳定器下部钻具组合和滑动式导向钻具组合。
对于下部钻具的动力学特性,做过一些探讨性的工作,但都没有取得可以预测和控制井眼轨道的实用效果。
关于带偏轴的下部钻具旋转钻进时的力学分析更是粗浅。
鉴于在水平井、大斜度井、大位移井和分支井钻进中广泛地利用转盘或顶驱的带弯角的下部钻具组合钻进,偏轴接头已经较多地用于高陡构造的防斜和纠斜钻进中,其优势在于:可通过调整工具面角、滑动钻进实现强力增斜、降斜或扭方位钻进;可通过旋转钻柱,在动力钻具和地面旋转驱动设备(转盘或顶驱)联合驱动下,实现小曲率或稳斜钻进。
因此,有必要对该类钻具进行力学分析和轨道控制理论分析。
针对该项研究所包含的主要内容、技术难点、研究现状等,与同行专家共同探讨。
利用修正的三点定圆法计算单弯螺杆造斜率及其应用
内蒙 古 石 油化 工
３ ５
利用修正 的三点 定 圆法 计算单 弯螺杆 造斜率及其应用
张胜 杰 ， 汪旭 伟
（ 胜 利 石 油 工 程 有 限 公 司 钻 井 工 程技 术公 司定 向井 公 司 ， 山东 东 营 ２ ５ ７ ０ ６ ４ ）
摘 要： 随 着 水平 钻 井技 术 的 不 断发展 ， 导 向钻 井技 术 的应 用也越 来越 广 泛 。单 弯螺杆钻 具是 应用 最为 广泛 的导 向钻 具 。因此 ， 准确 地预 测 单 弯螺杆 钻 具的遣 斜 率显得 尤 为 必要 。 本 文运 用修 正 的三点定
Ｄ（ ｘ ＋ ） ＋ Ｅｘ＋ Ｆｙ ＝０ 圈 １ 单 弯 螺 杆 钻 具 示 意 圈 （ ５ ）
其 中： Ｌ ｔ ＝Ｌ ＋Ｌ ２ ＋Ｌ ； ｋ为 钻 具 的 几 何 造 斜
率 ，ｏ ） ／ ３ ０ ｍ￣ ７ 为结构弯角， （ 。 ） ； Ｌ ｌ 为下隐定器到钻 头 的距 离 ， ｍ； Ｌ ： 为 弯点到 下隐定 器 的距 离 ， ｍ； Ｌ ａ 为弯点到上 隐定器 的距 离 ， ｍ； Ｌ ｔ 为从 上稳 定器到
程技术人员的普遍欢迎。 但是 ， 现场应用表明所计算 出的造斜率过高 ， 与实际造斜率有很大的差距 ， 且没 有反映出弯点对造斜率的影响。国内某些学者在上 述 研究 成果 的基 础 上 ， 考 虑 了弯角 位 置 对导 向钻具 造斜 率 的影 响 ， 提 出修 正 的三 点定 圆法 ， 弥补 了原三 点 定 圆法 中弯角位 置 与造 斜率 无关 的缺 陷 。
１ 前言
三点 定 圆法 出现 之初 ， 由于计 算简 单 ， 受 到 了工
随 着 水平 钻 井 技 术 的不 断 发 展 ， 导 向钻 井 技 术 的应 用也 越来 越 广泛 。导 向工 具 的性 能 是实施 导 向 钻井工艺技术的重要依据 。导 向工具性能的主要指 标是 造斜 率 。单 弯螺 杆钻 具 是 应用 最 为广 泛 的导 向 钻具 。 因此， 准确地 预测单 弯 螺杆 钻 具 的造 斜率 显得 尤 为必 要 。由于 单 弯 螺 杆 钻 具 的 长 度 较 短 刚 性较 大、 变形 较小 。 因 此可 认 为井 下 的单 弯螺 杆 钻具 基 本
旋转导向钻井研究现状
25旋转导向钻井系统（简称RSS）是指在钻具不停的旋转工况下，能够随时完成对井眼轨迹的调整。
由于旋转导向钻井技术能够很好的解决摩阻扭矩、井眼净化、位移延伸、轨迹控制等难点，所以，被称为钻井工业的一场革命创新。
上个世纪90年代，国际上多家石油服务公司分别研制了各自的旋转导向钻井系统。
目前，已经技术成熟并进行商业化应用的石油技术服务公司主要有：斯伦贝谢、哈里伯顿、贝克、威德福等。
一、旋转导向钻井系统简介1.旋转导向钻井系统构成旋转导向钻井系统的组成如下图1所示。
其主要有图中所标注的四部分组成即地面监控系统、双向通讯系统、随钻测量系统、井下导向工具。
其中井下导向工具是旋转导向钻井系统的最重要组成部分，也是技术上的难点和核心。
旋转导向钻井系统的最主要特点是：旋转导向、实时监控、双向通讯等。
图1 旋转导向钻井系统组成示意图2.旋转导向钻井系统分类旋转导向钻井系统依据导向方式和原理可分为两种：推靠式和指向式。
这两种方式的工作机理都是依靠其各自的偏置机构偏置钻头或钻具，产生导向作用。
其中偏置机构依据工作方式划分为静态式和动态式。
静态偏置式是井下导向工具在旋转钻进中不与钻具一起旋转，而是稳定在某一设计方向上提供导向力；动态偏置式是井下导向工具在旋转钻进中与钻具一起旋转，导向工具在旋转时定时支出向某一设定方向提供导向力。
相对比而言，指向式系统具有造斜能力强、应用范围广等优势，能够满足各种复杂情况。
二、国外最新的旋转导向系统1.斯伦贝谢公司的PowerDrive系统斯伦贝谢初始的PowerDrive系统是全旋转导向，其井下导向工具具有三个支撑导向棱块。
当井下工具开始工作后，地面监控系统通过双向通讯系统向导向工具发送指令需要在某个方向导向时，导向工具每旋转一周三个导向棱块都在该方向的相反方向伸出一次，顶向井壁产生支撑力，使钻头偏向所需固定方向，导向棱块转离该方向后自动收回。
斯伦贝谢公司由最初研发的PowerDrive系列工具，后续发展了指向式的PowerDrive Xceed系列旋转导向工具，近期该公司又发布了新型高造斜率的指向式旋转导向工具（PowerDrive Archer）。
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作者简介:刘修善,男,1962年11月生,2000年于清华大学博士后站出站,现为中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院德州石油钻井研究所副所长、教授级高级工程师。E_mail:xliu@pepris.com
文章编号:0253O2697(2004)06O0083O05导向钻具几何造斜率的研究刘修善1 何树山2 邹 野3(11中国石化勘探开发研究院 北京 100083; 21吉林石油集团有限责任公司 吉林松原 138000;31大庆钻井二公司 黑龙江大庆 163413)
摘要:准确地预测和设计导向钻具的造斜率是实现导向钻井的关键技术之一。弯壳体导向钻具的刚性大、变形小,因此可采用几何法来计算造斜率。考虑到结构弯角位置以及稳定器与井壁间隙对钻具造斜率的影响,提出了修正的三点定圆法,使计算结果更接近于工程实际情况,且其计算公式十分简明,具有很高的计算精度,与精确的三点定圆数学方程得出的几何造斜率基本吻合。同时提出了利用几何造斜率设计导向钻具组合的方法,给出了相关的计算公式和一些设计实例。关键词:钻井理论;导向钻井技术;水平钻井;导向钻具组合;数学模型中图分类号:TE242 文献标识码:A
StudyonthegeometricbuildanglerateofsteerablemotorLIUXiu_shan1 HEShu_shan2 ZOUYe3(11ExplorationandProductionResearchInstitute,SINOPEC,Beijing100083,China;21JilinPetroleumGroupCompany,Ltd.,CNPC,Songyuan138000,China;31SecondDrillingCompany,DaqingOilfield,Daqing163413,China)
Abstract:Accuratepredictionofthebuildangleratesanddesignoftheassembliesofsteerable_motorsystemsarethekeytechniquestoachievesteeringdrilling.Thebent_housingmotorisrelativelyrigid,sothegeometricmethodcanbeusedtocalculatethebuildanglerateofsteerablemotor.Atypeofcorrectionalthree_pointgeometrywasproposed,inconsiderationofthepositionofbent_anglesandtheradialclear-ancebetweenbottomstabilizerandboreholewall.Thecalculatedresultsfromthecorrectionalthree_pointgeometryareveryclosetotheac-tualbuildanglerates.Thepresentedformulaearesimple,andtheprecisionsincalculationarehigh.Thecalculatedresultsofcorrectionalthree_pointgeometryareingoodagreementwiththeresultsformthefinegeometricmethod.Thedesignmethodforsteerable_motorassem-bliesusingthegeometricbuildangleratewasproposed,andthecorrelativeformulaeandsomedesignexamplesweregiven.Keywords:drillingtheory;steeringdrillingtechnology;horizontaldrilling;steerable_motorassembly;mathematicalmodel
世界上第一个具有实用性的导向钻具诞生于1962年[1],采用的是弯接头加螺杆钻具组合。这种滑动导向技术在定向钻井中得到了广泛应用,并沿用至今。到20世纪80年代中后期,随着水平井技术的发展和应用,出现了弯壳体动力钻具,并从单弯壳体发展到双弯甚至多弯壳体。目前,带有弯接头或弯壳体的钻具组合广泛应用于定向井、水平井、大位移井以及侧钻井和分支井的施工中。近年来,旋转导向钻井技术迅速发展,其优越性在大位移井钻井中得到了充分的展示。然而,滑动导向钻井在定向造斜、轨迹调整(如扭方位)等方面仍具有不可替代的地位。此外,利用滑动导向钻具组合进行连续导向钻井的复合钻井技术日趋成熟,再加上作业成本低的优势,因而滑动导向钻井仍是当前导向钻井中的主导技术,并具有良好的发展前景。准确地预测钻具的造斜率是实现导向钻井的技术关键。为此,国内外钻井界在导向钻具组合的力学特性分析方面开展了大量的研究工作,并取得了丰硕成果。由于弯壳体导向钻具组合的长度较短、刚度相对较大,所以根据几何关系来计算其造斜率的方法已被普遍接受。1985年,H.Karisson等人率先提出了/三点定圆法0[2,3]。1990年,B.R.Hassen等人提出了/双半径法0[4]。随后,王宝新等人拓展了双半径法的应用范围[5],帅健等人应用三点定圆的数学方程给出了
第25卷 第6期2004年11月石油学报ACTAPETROLEISINICAVol.25 No.6Nov.2004 几何造斜率的计算方法[6],苏义脑等人对双弯和三弯钻具与单弯钻具的等效关系问题进行了深入研究[7]。笔者在上述研究成果的基础上,考虑了弯角位置对导向钻具造斜率的影响,提出修正的三点定圆法,弥补了原三点定圆法中弯角位置与造斜率无关的缺陷。1 单弯壳体导向钻具的造斜率典型的单弯壳体导向钻具组合如图1所示。按照本文对各段钻具长度的定义和所采用的曲率单位,原三点定圆法[2,3]的计算公式可写为J=60LTC(1)图1 单弯壳体导向钻具示意图Fig.1 Sketchofsingle_bentPDM其中LT=L1+L2+L3式中 J为钻具的几何造斜率,(b)/30m;C为结构弯角,(b);L1为下隐定器到钻头的距离,m;L2为弯曲肘点到下隐定器的距离,m;L3为弯曲肘点到上隐定器的距离,m;LT为从上稳定器到钻头的钻具总长度,m。可见,H.Karisson等人的计算公式没有反映出弯角位置对造斜率的影响。换言之,无论结构弯角位于何处,所得到的造斜率都是相同的。这显然是不符合实际的。通常,结构弯角C很小,所以可认为cosCU1,sinCUC或sinCU0。在这种假设条件下,根据精确的三点定圆数学方程,可将几何造斜率简化为J=K60LTC(2)其中 K=L3/Ls, Ls=L2+L3
式中 Ls为稳定器间的钻具长度,m;K为弯角位置影
响因子,无因次。由上述分析可以看出:¹原三点定圆法给出的是导向钻具的最大几何造斜率,造斜率与结构弯角的位置无关。º如果稳定器之间的距离保持不变,则弯角越靠近下稳定器,钻具的造斜率越大;而当弯角接近于上稳定器时,则可能导致导向钻具失效。例1 假设单弯双稳导向钻具的结构参数:L1=1110m,L2=1115m,L3=4125m,C=2b,试计算其几何造斜率。原三点定圆法计算结果为:J=18146b/30m,而本文方法计算结果为:J=14153b/30m。由于K=017870,所以在该算例中本文的造斜率只是原三点定圆法的78170%。可以验证,如果保持LS不变而弯角上移,钻具的造斜率将继续呈线性下降。
2 双弯壳体导向钻具的造斜率
双弯壳体导向钻具已成为水平钻井的常用钻具。与单弯壳体钻具相比,在相同的理论造斜率条件下,双弯壳体钻具的结构弯角和钻头偏移量小,在套管内更容易通过。双弯壳体钻具可分为同体双弯和分体双弯两种形式。同体双弯的两个结构弯角都在井下马达的本体上,即双弯壳体钻具;而分体双弯则是一个结构弯角在井下马达的本体上,再配一个弯接头[8]。此外,双弯壳体钻具还分为同向双弯(DKO和FAB)和反向双弯(DTU),如图2和图3所示。
图2 同向双弯壳体导向钻具示意图Fig.2 Sketchofaccordantdouble_bentPDM
84 石 油 学 报2004年 第25卷 图3 反向双弯壳体导向钻具示意图Fig.3 Sketchofreversedouble_bentPDM
H.Karisson等人没有给出双弯导向钻具的几何造斜率计算方法。本文根据精确的三点定圆数学方程,在假设结构弯角C1和C2很小的条件下,得出了造斜率计算公式为
J=60LT
(K1C1+K2C2)(3)
其中K1=1-L2Ls, K2=L4Ls式中 L4为上弯曲肘点到上稳定器的距离,m;C1为下结构弯角,(b);C2为上结构弯角,(b)。对于反向双弯钻具,式(3)仍然适用,只须将C2取为负值即可。这种处理方法对于本文的全部内容都适用。例2 假设双弯导向钻具的结构参数:L1=1115m,L2=0181m,L3=4127m,L4=1120m,C1=115b,C2=?1125b,试计算其几何造斜率。由式(3)得:对于同向双弯钻具,J=12148b/30m;对于反向双弯钻具,J=8162b/30m。该计算结果与三点定圆法几何造斜率的精确解是完全吻合的。3 间隙对造斜率的影响稳定器与井眼之间的间隙对钻具的造斜率有较大的影响,对于近钻头稳定器尤为突出。在导向钻具组合中,常常采用欠尺寸的近钻头稳定器,此时必须考虑间隙对造斜率的影响。如果考虑下稳定器处间隙的影响,并假设它与下井壁接触,则由此所产生的造斜率为JD=1018PLsDL1(4)式中 D为下稳定器与井壁之间的间隙,mm;JD为由间隙而产生的造斜率,(b)/30m。当考虑间隙影响时,单弯钻具和双弯钻具的几何造斜率可分别表示为J=JC+JD(5)J=JC1+JC2+JD(6)其中JC=K60LTC, JCi=Ki60LTCi (i=1,2) 例3 采用例1和例2的导向钻具结构参数,并取间隙D为3mm,试计算各种钻具的几何造斜率。由式(5)和式(6)得:对于单弯钻具,J=16127b/30m;对于同向双弯钻具,J=13191b/30m;对于反向双弯钻具,J=10105b/30m。4 导向钻具组合设计在定向钻井设计和施工中,常常要根据造斜率来选择和设计钻具组合。尽管影响钻具造斜率的因素很多,但是对于弯壳体导向钻具来说,其结构参数往往占据着主导地位。几何法可以比较直观地反映出钻具的结构参数与造斜率之间的关系,突出了关键因素对钻