斜井基本常识课件.ppt

定定向向井井普通定向井：普通定向井：一个井场内仅有一个井场内仅有1口最大井斜角小于口最大井斜角小于60°°的定向井的定向井斜直井：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井段的定向井大斜度井：大斜度井：最大井斜角在最大井斜角在60°° ~80°°范围内的定向井范围内的定向井水平井：水平井：最大井斜角大于或等于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，并保持这种井斜角钻完一定长度段的井                      长曲率半径：长曲率半径：6°° /30m                      中曲率半径：中曲率半径：6°° ~20°° /30m水平井水平井         中短曲率半径：中短曲率半径：1°° ~20°° /30m                      短曲率半径：短曲率半径：1°° ~10°/m°/m                       径向水平井：径向水平井：k=∝∝                                       丛式井：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，其中可含可含1口直井。

口直井多底井（分支井）：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一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井第三章第三章             第一节第一节  井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法一、基本概念一、基本概念1 .井眼轨道的基本要素井眼轨道的基本要素井眼轨道：井眼轨道：表示井眼轴线形状的图形表示井眼轴线形状的图形第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法其它基本要素如下图所示：其它基本要素如下图所示：井深D Ｗ ：转盘补心到井底的深度测深Ｄm：某测点到转盘补心的井眼轴线实际长度垂深Ｄ：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ααi i ：轴线切向方向与垂线的夹角方位角ψψ ：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变化值井底闭合方位角ΨΨh 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。

第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法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ααmaxmax 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) 1) 直井段直井段: :设计井斜角井斜角为零零度的井段度的井段2) 2) 造斜点（Ｄ造斜点（Ｄｋｏｐｋｏｐ））: :开始开始定向造斜的位置称定向造斜的位置称为造斜点通常以通常以该点的井深来表示点的井深来表示3) 3) 造斜率（Ｒ造斜率（Ｒｂｂ））: :造斜工具造斜工具的造斜能力的造斜能力, ,即即该造斜工具所造斜工具所钻出的井段的井眼曲率出的井段的井眼曲率4 4) ) 造造( (增增) )斜段斜段: :井斜角随井深井斜角随井深增加的井段增加的井段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第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法  9) 靶心距（ｓｔ）靶心距（ｓｔ）:在靶区平面上在靶区平面上,实钻井眼轴线与目标实钻井眼轴线与目标点之间的距离点之间的距离 6) 降斜段降斜段:井斜角随着井深的增加而减小的井段。

井斜角随着井深的增加而减小的井段5) 稳斜段稳斜段:井斜角保持不变的井段井斜角保持不变的井段  7) 目标点目标点:设计规定的、必须钻达的地层位置，通常以设计规定的、必须钻达的地层位置，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（ｒｔ）靶区及靶区半径（ｒｔ）:包含目标点在内的一个区域包含目标点在内的一个区域称为靶区在大斜度井和水平井中，靶区为包含设计井眼称为靶区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轨道的一个柱状体第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法 1) 1) 工工具具弯弯角角（（θθｂｂ））: :在在造造斜斜钻具具组合合中中, ,拐拐弯弯处上上下下两两段段的的轴线间的的夹角 2) 2) 工工具具面面: :在在造造斜斜钻具具组合合中中, ,由由弯弯曲曲工工具具的的两两个个轴线所所决决定定的的平面 3) 3) 反反扭扭角角（（ββｒｒ））: :在在使使用用井井下下动力力钻具具进行行定定向向造造斜斜或或扭扭方方位位时, ,动力力钻具具启启动前前的的工工具具面面与与启启动后后且且加加压钻进时的的工工具具面面之之间的的夹角角。

反反扭扭角角总是是使使工工具具面面逆逆时针转动3. 3. 井眼井眼轨道水平投影道水平投影第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法5)工具面角（工具面角（βｔ）：ｔ）：造斜工具下到井底以后，工具面所造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度它有在的角度它有两种表示方法：高边工具面角和磁工具两种表示方法：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线所转过的角度平面的交线在水平面上的投影线所转过的角度    4)高边：高边：定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平面，称为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；井底圆上的最高点称为；井底圆上的最高点称为高边高边；从井底圆心至高；从井底圆心至高边之间的连线所指的方向称为边之间的连线所指的方向称为高边方向高边方向；从正北方向线；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为高边方位角高边方位角。

    第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法6) 6) 装置角（装置角（ββ））: :在启在启动钻具后且加具后且加压钻进时, ,工具面所工具面所处的角度，与工具面角一的角度，与工具面角一样，既可用高，既可用高边工具面表示，也可工具面表示，也可用磁工具面表示用磁工具面表示7) 7) 安置角（安置角（ββｓｓ）：）：在启在启动钻具前具前, ,工具面所工具面所处的角度与工具面角一与工具面角一样，既可用高，既可用高边工具面表示，也可用磁工具工具面表示，也可用磁工具面表示8) 8) 安全控制安全控制圆锥（柱）（柱）: :以以设计井眼井眼轴线为中心所限定的中心所限定的圆锥（柱）空（柱）空间9) 误差椭球误差椭球:由测量和计算误差引起的井底位置不确定性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所构成的以井底为中心的椭球体 第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法井眼井眼曲率的计算曲率的计算1）简单表示法）简单表示法方位角不变的井眼轴线方位角不变的井眼轴线此时：此时：若若AB弧有均匀曲率，则弧有均匀曲率，则根据定义：根据定义：第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法对于空间井眼轴线，可以用两个平面来表示对于空间井眼轴线，可以用两个平面来表示垂直：垂直：水平：水平：第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法空间曲率的计算空间曲率的计算第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法      设有一空间曲线设有一空间曲线L，，L上点上点A的的定向要素定向要素为：为：DA、、EA、、NA、、αA 、、 φA 、、ShA；井深增加到；井深增加到B点，设点，设AB弧弧与整个井眼相比为小量，其长设为与整个井眼相比为小量，其长设为dl，，B点的定向要素为点的定向要素为φA +dφ。

连接连接AB两点，两点，AB线段水平投影为线段水平投影为AˊBˊ线段长线段长= dlDA+dD、、EA+dE、、 NA+dN、、αA+dα、、 ShA+dShA 、、 线段可以近似地认为：线段可以近似地认为：AB弧长弧长=AB在在垂直投影面中：垂直投影面中：αA 、、αA+dα在平面在平面AAˊB 内，令内，令∠∠ AAˊB= α，，则则 第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法水平投影面中：水平投影面中：第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法水平投影面中：水平投影面中：由于：由于：则：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：第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法Rn、、Ri对对Rh都有影响都有影响第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法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。

垂平面上变化的井眼轨道 二二维井眼井眼轨道由垂直井段、增斜井段、道由垂直井段、增斜井段、稳斜井段和降斜井段斜井段和降斜井段组合而成 在设计井眼轴线上，既有江斜在设计井眼轴线上，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 第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法1)1) 根据油气田勘探开根据油气田勘探开发要求，保要求，保证实现钻井目的；井目的；2)2) 根根据据油油气气田田的的构构造造特特征征、、油油气气产状状，，有有利利于于提提高高油油气气产量和采收率，改善投量和采收率，改善投资效益；效益；3)3) 在在选择造造斜斜点点、、井井眼眼曲曲率率、、最最大大井井斜斜角角等等参参数数时，，有有利于利于钻井、采油和修井作井、采油和修井作业；；4) 在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的在满足钻井目的的前提下，应尽可能选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。

低钻井成本 第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法2. 设计井眼轨道的原则设计井眼轨道的原则造造斜斜点点的的选择原原则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)1)造斜点的造斜点的选择在比在比较稳定的地定的地层，避免在，避免在岩石破碎岩石破碎带、漏失地、漏失地层2 2））地地层可可钻性均匀，不性均匀，不应有硬有硬夹层；；3 3）） 要要满足采油工足采油工艺要求；要求；4)4) 垂深大、水平位移小的井，造斜点垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，深，以以简化井身化井身结构、加快构、加快钻速；速；5)5) 垂深小、水平位移大的井，造斜点垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，浅，以减少定向施工的工作量；以减少定向施工的工作量；6)6) 在井眼方位漂移地区，在井眼方位漂移地区，应使斜井段避开方使斜井段避开方位漂移大的地位漂移大的地层1)第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法 (3)(3)井眼曲率井眼曲率 井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难，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。

因此，应根据具体情况，适当选择井眼曲率2)(2)最大井斜角最大井斜角 直井在规定井斜角内；常规井和水平井交斜角小直井在规定井斜角内；常规井和水平井交斜角小于于1515°°时，方位不稳定，因此，最大井斜角应时，方位不稳定，因此，最大井斜角应大于大于1515°°4. 4. 井眼井眼轨道道类型的型的选择        设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道二维设计井眼轨道时，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而成，最常用的有四种类型 第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法轨轨道道类类型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：特点：造斜点浅，施工简单，在表层套管内达造斜点浅，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一般用于水平井直井段直井段—造斜段造斜段—稳斜段稳斜段—降斜段降斜段—稳斜段稳斜段特点：特点：造斜深度浅，造斜完成后下表层套管，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，最后稳斜钻穿油层间套管，最后稳斜钻穿油层第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法1)1) 掌掌握握原原始始资料料主主要要是是该地地区区的的地地质剖剖面面、、地地表表对井井位位的的限限制制条条件件、、目目的的层位位的的垂垂直直井井深深和和总水水平平位位移移、、自自然然造造斜斜规律、工具造斜能力、律、工具造斜能力、钻井技井技术水平以及故障提示等；水平以及故障提示等；2)2) 根据井眼根据井眼轨道确定原道确定原则，，选定一个井眼定一个井眼轨道道类型；型；3)3) 根根据据原原始始资料料选定定造造斜斜点点的的位位置置，，并并确确定定造造斜斜率率和和降降斜率的大小；斜率的大小；第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法5. 5. 二维定向井井眼轨道设计方法二维定向井井眼轨道设计方法二维定向井井眼轨道设计方法二维定向井井眼轨道设计方法4) 确定最大井斜角；确定最大井斜角；5)5)计算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、水平位移；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；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。

绘制井眼轨道图，标出安全圆柱 第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法设计实例：设计实例：已知某设计井的垂深已知某设计井的垂深D=3000m ，，水平位移水平位移Sh=1500m，，方位角方位角φφ=30°°，，造斜点垂直深度造斜点垂直深度Dkop=400m=400m，，造斜率造斜率Rb1=2°/30m=2°/30m，，降斜率降斜率Rb2=1.5°/30m=1.5°/30m ，，油层垂油层垂直深度直深度De=2700m=2700m，，要求稳斜进入油层，井斜角不大于要求稳斜进入油层，井斜角不大于αe=8°=8° .目前常用的设计方法目前常用的设计方法查图查图法法作图法作图法解析法解析法dDShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h hi ij jk kαmαeαmαmαeo o最大井斜角最大井斜角αm的确定的确定:在在△△ kjf中：中：第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法若若令：令：She ：：油层内水平位移油层内水平位移De：：油层深度油层深度第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法有有:造斜率与曲率半径的关系：造斜率与曲率半径的关系：计算：计算：第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法井井段：段：O—a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ΔΔD(m): ΔΔDa= ΔΔDkop=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ΔΔSh (m):ΔΔSha = =0 水平位移水平位移Sh(m): Sh = =0 段长段长ΔΔl(m): ΔΔla= Dkop  = =0井深井深Dw(m) : Dw = Dkop = =0第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法DShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h hi ij jk kαmαeαmαmαeo o水平位移增量水平位移增量ΔΔSh (m):ΔΔShab =R=R1 1(1-cos (1-cos ααm m )=206.03 )=206.03 水平位移水平位移Sh(m): Shb = = ΔΔShab = 206.03206.03 段长段长ΔΔl(m): ΔΔlab= R R1 1ααm m /57.3=607.65 /57.3=607.65井深井深Dw(m) : Dwb = Dwa + ΔΔlab =1007.65=1007.65第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法井段：井段：a—b最大井斜角最大井斜角:40.51 °方位角方位角: 30°垂直井深增量垂直井深增量ΔD(m): ΔDab= R1sinαm =558.31垂直井深垂直井深D(m):Db = Da + ΔDab =958.31DShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h hi ij jk kαmαeαmαmαeo o垂直井深垂直井深D(m):Dc = Db+ + ΔΔDbc =2115.072115.07水平位移增量水平位移增量ΔΔSh (m):ΔΔShbc = = ΔΔDbc tgtgααm m=988.32=988.32 水平位移水平位移Sh(m): Shc = = Shb + + ΔΔShbc = 1194.351194.35 段长段长ΔΔl(m): ΔΔlbc= ΔΔShbc /sin /sin ααm m =1521.47=1521.47井深井深Dw(m) ：Dwc = Dwb + ΔΔlbc =2529.12=2529.12井段：井段：b—c  ; 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ΔΔD(m): ΔΔDbc=De - - Dkop - Δ- ΔDab - - ΔΔDcd =1156.761156.76第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法DShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h hi ij jk kαmαeαmαmαeo o水平位移水平位移Sh(m): Shd = = Shc + + ΔΔShcd = 1457.91457.9 段长段长ΔΔl(m): ΔΔlcd= R R2 2 (ααm m - - ααe e ) / 57.3=1521.47 / 57.3=1521.47井深井深Dw(m) : Dwd = Dwc+ ΔΔlcd =3179.32=3179.32井段：井段：c—d    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ΔΔD(m): ΔΔDcd= R R2 2 (sin(sinααm m - sin- sinααe e ) ) =584.93584.93垂直井深垂直井深D(m): Dd= Dc + + ΔΔDcd =27002700水平位移增量水平位移增量ΔΔSh (m):ΔΔShcd =R=R2 2(cos (cos ααe e - -coscos ααm m )=263.35 )=263.35 第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法DShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h hi ij jk kαmαeαmαmαeo o水平位移水平位移Sh(m): Sht = = Shd + + ΔΔShdt = 1500.061500.06 段长段长ΔΔl(m): ΔΔldt= ΔΔShdt /sin /sin ααe e =302.93 =302.93井深井深Dw(m) : Dwt = Dwd + ΔΔldt =3482.25=3482.25第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法井段：井段：d—t    最大井斜角最大井斜角:  8 ° 方位角方位角: 30°垂直井深增量垂直井深增量ΔD(m): ΔDdt=D - De =300垂直井深垂直井深D(m):Dt= Dd+ ΔDdt =3000水平位移增量水平位移增量ΔSh (m):ΔShdt= ΔDdt tgαe=42.16 DShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h hi ij jk kαmαeαmαmαeo o6. 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) (1) 丛式井位置、数量和井数的确定式井位置、数量和井数的确定(2) (2) 防止井眼相碰防止井眼相碰          防止井眼相碰是丛式井设计和施工的关键。

为此，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我们应该注意下述几个方面1) 井网类型井网类型2) 井眼轨道设计井眼轨道设计3) 井口布置井口布置第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法4) 造斜点位置造斜点位置5) 造斜率与最大井斜角造斜率与最大井斜角6) 钻井次序钻井次序7) 控制安全圆柱控制安全圆柱8) 提高测斜仪器的精度提高测斜仪器的精度9) 使用电子计算机绘制井眼防碰图使用电子计算机绘制井眼防碰图 第五章第五章          第一节第一节   井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第二节第二节  钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计 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提供钻机到钻头的钻井液通道,即输送钻井液；即输送钻井液；2) 把把地地面面动动力力传传递递给给钻钻头头并并给给钻钻头头加加压压,使使钻钻头头破破碎碎岩岩石石；；3) 起下钻头；起下钻头；         钻柱：是指自方钻杆至钻头以上的钻具管串的总称钻柱：是指自方钻杆至钻头以上的钻具管串的总称。

钻柱由钻柱由方钻杆、钻杆、钻铤、接头方钻杆、钻杆、钻铤、接头和和稳定器稳定器等钻具组成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在钻井过程中，通过钻柱把钻头和地面连接起来第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计4) 通过钻柱可以了解钻头工作情况、井眼状况及地层情通过钻柱可以了解钻头工作情况、井眼状况及地层情况等；况等；5) 进行取心、处理井下事故与复杂情况、打捞；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对地层流体及压力状况等进行测试与评价 第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计一、一、 常用钻井工具常用钻井工具 钻钻具具是是钻钻井井工工具具的的简简称称,常常用用钻钻具具包包括括钻钻头头、、钻钻铤铤、、稳稳定定器器、、减减振振器器、、震震击击器器、、加加重重钻钻杆杆、、钻钻杆杆、、方方钻钻杆杆、、井底马达和连续导向动力钻具组合等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分析1、钻、钻柱的柱的工作状态工作状态   起下钻起下钻:钻柱不接触井底，钻柱处于悬持状态，在自重钻柱不接触井底，钻柱处于悬持状态，在自重         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，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。

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，称为钻柱的曲，并在某一点与井壁接触，称为钻柱的第一次弯曲第一次弯曲；如；如果继续加大钻压则弯曲形状改变，切点下移，当钻压增大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第二次弯曲如果继续增大钻压，则会出现如果继续增大钻压，则会出现第三次弯曲第三次弯曲        正常钻进过程中，钻柱处于不停的旋转状态，钻柱旋正常钻进过程中，钻柱处于不停的旋转状态，钻柱旋转运动的转运动的可能形式可能形式：：自转、公转、公转自转、公转、公转+自转、不规则运自转、不规则运动动第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态2 2、钻柱的受力分析及计算、钻柱的受力分析及计算、钻柱的受力分析及计算、钻柱的受力分析及计算         不同的工作条件、不同部位，钻不同的工作条件、不同部位，钻柱受柱受载荷不同：载荷不同：拉、压拉、压扭矩扭矩弯矩弯矩内外压力内外压力1 1）轴向载荷）轴向载荷）轴向载荷）轴向载荷        包括稳态载荷和动态载荷，一般除振动严重外，忽包括稳态载荷和动态载荷，一般除振动严重外，忽略动态。

略动态第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计钻钻钻钻柱柱柱柱轴轴轴轴向向向向载载载载荷荷荷荷钻柱钻柱钻柱钻柱重量重量重量重量钻井液浮力钻井液浮力钻井液浮力钻井液浮力钻压钻压钻压钻压与井壁摩擦与井壁摩擦与井壁摩擦与井壁摩擦拉力拉力0压力压力（-）（+）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：轴向应力轴向应力线与静液柱压力的交点线与静液柱压力的交点此点的静液柱压力等于此点的静液柱压力等于钻柱中压缩应力钻柱中压缩应力        中和点位置可以由中和点位置可以由钻压钻压W除以单位长度浮除以单位长度浮重来确定重来确定第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计  钻钻进进过程中钻柱轴向载荷：过程中钻柱轴向载荷：       Wpt为任意截面处轴向载荷；为任意截面处轴向载荷；Wp为该为该截面以下钻柱在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空气中的重量若设分析截面距井底长度为L，，则则对于井口处：对于井口处：钻柱的平均应力：钻柱的平均应力：第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计2 2）扭矩）扭矩）扭矩）扭矩        转盘钻进时，转盘钻进时，钻柱扭矩在井口处最大，钻头处最小钻柱扭矩在井口处最大，钻头处最小       采用井下动力钻具时，采用井下动力钻具时，钻头施加给钻柱反扭矩，扭矩钻头施加给钻柱反扭矩，扭矩在钻头处最大，井口处最小在钻头处最大，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该截面上钻柱由于承受扭矩而产生的剪切应力        转盘钻进时，转盘钻进时，钻柱所受的扭矩取决于转盘传给钻柱的钻柱所受的扭矩取决于转盘传给钻柱的功率功率第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计        正常钻进时，正常钻进时，N的大小与的大小与钻头类型及直径、岩石性质、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钻柱尺寸、钻压、转速、钻井液性能及井眼质量的功能因素素有关，可以用经验公式确定。

有关，可以用经验公式确定式式中：中：N空转钻柱空转功率，空转钻柱空转功率，kW；；ρd 钻井液密度，钻井液密度，N/m3；； de钻柱外径，钻柱外径，cm；；L钻柱长度，钻柱长度，m；；n转速，转速，r/min刮刀钻头钻进：刮刀钻头钻进：W钻压，钻压，N；；Db钻头直径，钻头直径，cm第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计牙轮钻头钻进：牙轮钻头钻进：        C为为经验系数，与岩性、钻井液性质、井眼清洁程经验系数，与岩性、钻井液性质、井眼清洁程度、钻头磨损等有关一般取：度、钻头磨损等有关一般取：0.35~0.6第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计        若钻头或钻柱突然被卡，旋转钻柱的动能可能全部转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旋转动能变形位能：最大扭矩：最大扭矩：第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计3）钻柱弯矩）钻柱弯矩被卡被卡时：时：        直井中直井中钻柱上部弯矩是由离心力引起的，钻柱下部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。

部弯曲应力大        在弯曲井眼中在弯曲井眼中，钻柱被约束，受到弯矩的作用弯曲，钻柱被约束，受到弯矩的作用弯曲状态下，钻柱自转，产生交变弯曲应力状态下，钻柱自转，产生交变弯曲应力4)内外压力内外压力内外压力作用下产生径向应力和周向应力第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计5 5）其它力的作用）其它力的作用）其它力的作用）其它力的作用离心力离心力离心力离心力纵向振动纵向振动纵向振动纵向振动横向振动横向振动横向振动横向振动动载动载动载动载钻柱与井壁的正压力和摩擦力钻柱与井壁的正压力和摩擦力钻柱与井壁的正压力和摩擦力钻柱与井壁的正压力和摩擦力3. 钻柱强度及稳定性校核钻柱强度及稳定性校核1 1）强度校核）强度校核）强度校核）强度校核第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计钻柱所受的四种主要载荷：钻柱所受的四种主要载荷：钻柱所受的四种主要载荷：钻柱所受的四种主要载荷：最大应力应满足：最大应力应满足：2)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，钻柱为于一定值时，钻柱为直线稳定状态直线稳定状态；当轴向压力大于一；当轴向压力大于一定值时，钻柱就发生定值时，钻柱就发生正弦屈曲正弦屈曲；当轴向力继续增大时，；当轴向力继续增大时，钻柱就会发生钻柱就会发生螺旋屈曲螺旋屈曲。

钻柱屈曲后，钻柱与井壁的压钻柱屈曲后，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可用下列式子计算分析第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计未失稳未失稳正弦屈曲正弦屈曲螺旋屈曲螺旋屈曲第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计4 4、、钻柱的破坏柱的破坏1 1））钻柱的物理机械性能柱的物理机械性能 (1) (1) 钻柱的材柱的材质 钻柱的各个柱的各个组成部分均由成部分均由优质合金合金钢或或优质铝合金制合金制造在APIAPI标准中，准中，规定定钻杆的杆的钢级有有D D级、、E E级、、9595（（X X））级、、105105（（G G））级和和135135（（S S））级共五种其中其中X X级、、G G级和和S S级钻杆杆为高高强强度度钻杆；杆；钻铤和方和方钻杆的杆的钢级为AISI4145AISI4145和和AISI4150AISI4150，，其机械物理性能其机械物理性能见有关手册或有关手册或APIAPI公公报。

 (2) (2) 钻柱的物理机械性能柱的物理机械性能 钻杆的杆的强强度数据主要包括度数据主要包括钻杆外径、壁厚、名杆外径、壁厚、名义重量、重量、材材质、扭力屈服、扭力屈服强强度、按最小屈服度、按最小屈服强强度度计算的最小抗算的最小抗第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计 统计资料料说明，明，绝大多数大多数钻柱的柱的损坏有下述几种情况：坏有下述几种情况：（（1））钻柱的疲柱的疲劳破坏破坏       疲疲劳破破坏坏有有三三种种形形式式：：纯疲疲劳、、伤痕痕疲疲劳和和腐腐蚀疲疲劳2）钻杆的氢脆破坏）钻杆的氢脆破坏 2）钻柱的破坏）钻柱的破坏拉力、最小抗挤压力、抗内压力等；钻铤规范数据主要包拉力、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阅有关册或API公报第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计5 5、钻柱组合设计、钻柱组合设计、钻柱组合设计、钻柱组合设计设设设设计计计计内内内内容容容容钻铤的确定钻铤的确定内、外径，内小、外大，受井径限内、外径，内小、外大，受井径限制、钻井制、钻井 液流动限制，长度满足液流动限制，长度满足钻压要求。

钻压要求强度足够，钻进不断，尽量保证钻强度足够，钻进不断，尽量保证钻井液正常循环减少能量损耗井液正常循环减少能量损耗钻杆的确定钻杆的确定钻铤的安放位置钻铤的安放位置第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计井斜小：提供钻压的钻铤安放在钻井斜小：提供钻压的钻铤安放在钻具下部，钻具上部采用钟摆、塔式、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：钻满眼结构钻井斜大或水平井：钻铤放在井斜较小的井段，大斜度井铤放在井斜较小的井段，大斜度井段或水平井段则在承压钻杆与下部段或水平井段则在承压钻杆与下部钻具连接钻具连接6 6、下部钻具组合设计方法、下部钻具组合设计方法、下部钻具组合设计方法、下部钻具组合设计方法1 1）设计原则）设计原则下部钻具组合设计的下部钻具组合设计的原则原则是是: : a. a.有效地钻出设计的井眼轨道；有效地钻出设计的井眼轨道； b.b.钻钻头头、、马马达达和和测测量量系系统统工工作作稳稳定定性性高高，，能能加加较较大大钻钻压，有利于提高钻速；压，有利于提高钻速； c.c.具有较高的强度和寿命；具有较高的强度和寿命；第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计       钻井中常用的钻具组合中包括钻井中常用的钻具组合中包括稳斜钻具、降斜钻具、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地质导向钻井系统等。

下部钻具结构如图等下部钻具结构如图3-6所示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：常用组合：钻头钻头+近钻头稳定器近钻头稳定器+短钻铤短钻铤=稳定器稳定器+单根单根钻铤钻铤+稳定器稳定器+钻铤钻铤+钻杆钻杆d.便于安装和起下便于安装和起下第五章第五章          第二节第二节   钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计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        降斜钻具一般采用降斜钻具一般采用钟摆钻具组合钟摆钻具组合，利用钻具自身的重，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，便可以改变钟摆角大小，设计钻头与稳定器之间的距离，便可以改变钟摆第三节第三节 井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术     井眼轨道控制是钻井工作中的一项重要工作在石油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开发的早期，对井眼轨道控制并不严格本世纪20年代末年代末期，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对直的井是不可能的，并逐渐认识到了井斜的危害40年年代末至代末至50年代初期，防斜成为钻井技术领域所关注的问题年代初期，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。

一系列重要成果 第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术操作原因：操作原因：下部钻具的工作状态对井斜影响很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大，当下部钻具受压产生弯曲就会使钻头偏斜导致井斜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由于所钻地层的倾角和非均质性使钻头受力不平衡性使钻头受力不平衡即使有性能良好的防斜钻具，也会即使有性能良好的防斜钻具，也会因操作不当而造成井斜因操作不当而造成井斜一、直井井斜及控制一、直井井斜及控制第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术1 1、、、、   地质条件地质条件地质条件地质条件地层倾角、层状地层、各向异性、岩性软地层倾角、层状地层、各向异性、岩性软—硬交错、断层硬交错、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都与地层倾角紧密相关当地层倾角小于当地层倾角小于45°°时时,井眼一般沿上倾方向偏斜；井眼一般沿上倾方向偏斜；      当地层倾角大于当地层倾角大于60°°时，井眼将顺着地层面下滑发生偏斜；时，井眼将顺着地层面下滑发生偏斜；在在45°°~60°°之间不稳定。

之间不稳定第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术 钻头在倾斜的层状地层中钻进时，当钻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，此处岩层不能长时至每个层面交界处时，此处岩层不能长时间支持所加钻压而趋向沿垂直层面发生破间支持所加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；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，井斜增长快逐层钻进时，斜台大，井斜增长快       所以：所以：地层倾角大，成层性越强，钻压地层倾角大，成层性越强，钻压越大，井斜越大越大，井斜越大第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术1) 层状地层对井斜的影响层状地层对井斜的影响2 2）地层各向异性对井斜的影响）地层各向异性对井斜的影响）地层各向异性对井斜的影响）地层各向异性对井斜的影响 由于岩层的成层状况、层理、节理、纹理以及岩石的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，向上的强度不同，一般来说垂直地层层面的强度较小，钻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。

进时钻头将沿着这个破碎阻力最小的方向倾斜第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术AB软软硬硬3 3）岩性交错变化对井斜的影响）岩性交错变化对井斜的影响）岩性交错变化对井斜的影响）岩性交错变化对井斜的影响   （（（（1 1）钻头从软地层进入硬地层时）钻头从软地层进入硬地层时）钻头从软地层进入硬地层时）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，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，由于上倾侧岩石的硬度大，可钻性差，钻头吃入地层少，钻速慢，而在下倾侧，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，可钻性好，吃入地层多，钻速快，因此，井眼向上倾侧偏斜井眼向上倾侧偏斜        此外，钻头两侧受力不均匀，上倾此外，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弯矩扭转钻钻头，使其向上倾方向倾斜第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术AB软软硬硬（（2）钻头由硬地层进入软地层时）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多，钻速卡，而在硬地层一侧吃入少，钻速慢，井眼有向地层下吃入少，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，迫使钻头回到上倾留下一个台肩，迫使钻头回到上倾方向第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术 上述分析说明，地质条件对井斜角的影响，主要是通上述分析说明，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斜线，且一般情况下是使井眼向上倾方向发生偏斜        可以推出该可以推出该地层造斜力地层造斜力：：讨论：讨论：第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术2 2、下部钻柱弯曲对井斜的影响、下部钻柱弯曲对井斜的影响、下部钻柱弯曲对井斜的影响、下部钻柱弯曲对井斜的影响 由于钻柱时稳而发生弯曲，钻头及相邻连接部分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，从而使钻头偏离一钻柱的中心轴线偏离井眼轴线，从而使钻头偏离一角度角度ββ （（称为钻头倾角）。

钻头枪械后对井底形成称为钻头倾角）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了不对称切削，这是产生井斜的重要因素ββ显然：显然： β越越大，井斜越大大，井斜越大讨论：讨论：       1））钻压下于发生弯曲的临界钻压时，钻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，钻头角如果钻压继续增大、则切点下降，钻头倾角也越大倾角也越大第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术2））钻头直径一定，井径越大，钻柱越细、则钻铤与井钻头直径一定，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，以减少钻头倾角尽量减小下部钻柱与井眼的间隙，以减少钻头倾角二、斜井内钻柱的受力分析二、斜井内钻柱的受力分析       斜井井眼的斜度是增大还是减小或是保持某个平衡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。

度，取决于钻头的受力情况第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术假设：假设：（（1））钻头可以象球窝一样自由转动，但其横向运动受到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，可自由地向任一方钻头由于受力情况不同，可自由地向任一方向切割ββWααTFfFiWpFd钻压钻压钟摆力钟摆力地层造斜力地层造斜力作用在钻头上的力作用在钻头上的力第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术1 1、钻压、钻压、钻压、钻压 由于钻柱弯曲，钻压不是沿着井眼轴线方向施加给钻由于钻柱弯曲，钻压不是沿着井眼轴线方向施加给钻头，而是偏离一个角度头，而是偏离一个角度ββ因此钻压可分解为与井眼轴线因此钻压可分解为与井眼轴线相平行的力相平行的力W Wo o和与井眼相垂直的力和与井眼相垂直的力F Fi i使钻头偏离井眼，造成井斜，为增斜力使钻头偏离井眼，造成井斜，为增斜力沿井眼轴向继续钻进，对井斜无影响沿井眼轴向继续钻进，对井斜无影响2 2、钟摆力、钟摆力、钟摆力、钟摆力 井井内内切点以下的重量切点以下的重量Wp势必在垂直于井壁方向产生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，为一减斜力侧岩石，使井眼恢复垂直状态，所以，为一减斜力第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术3 3、地层造斜力、地层造斜力、地层造斜力、地层造斜力 Ff取决于地层倾角和各向异性等因素，多数情况下增取决于地层倾角和各向异性等因素，多数情况下增斜，也可以降斜（水平井）斜，也可以降斜（水平井）钻头上作用的力：钻头上作用的力：造斜造斜力力降斜力降斜力第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术讨论：讨论：（（1））当当F1=Fd时，平衡，保持原井斜角时，平衡，保持原井斜角αα ；；（（2））当当F1>Fd时，时， αα增大，此时，增大，此时， Fd也增大，达到一也增大，达到一个新的大于平衡井斜角；个新的大于平衡井斜角；（（3））当当F1

钻压、钻铤尺寸和井眼尺寸三、定向井眼轨道控制理论与技术三、定向井眼轨道控制理论与技术 造成井斜的原因是多方面的，如地质条件、钻具结构、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，主要有两方面原因两方面原因：：一是钻头与岩石的相互作用方面的原因，即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第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术1. 下部钻具力学分析下部钻具力学分析      (2)井斜角的影响井斜角的影响          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下部钻具组合选定后,横向分布载荷大小取决于井斜角的横向分布载荷大小取决于井斜角的大小大小,同时轴向载荷密度也随井斜角而变化。

因此同时轴向载荷密度也随井斜角而变化因此,钻头与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斜力随井斜角的增大而增大; 增斜钻具、单弯导向钻具、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反向双弯钻具的增井斜力随井斜角的增大而增大, 其中以其中以(1) 钻压的影响钻压的影响         钻压是影响钻头与地层作用力的重要参数之一钻压是影响钻头与地层作用力的重要参数之一, 而而且是一个可以人为控制的钻井参数且是一个可以人为控制的钻井参数, 研究它的影响规律研究它的影响规律,对于井眼轨道的预测和控制是十分必要的多数情况下对于井眼轨道的预测和控制是十分必要的多数情况下,增井斜力随钻压增加微增增井斜力随钻压增加微增第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术增斜钻具组合最为明显井斜角对稳斜钻具的增斜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特性无明显作用 第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术 (3) 井眼曲率的影响井眼曲率的影响       各种钻具组合均具有抗弯刚度各种钻具组合均具有抗弯刚度, 当它们受到井当它们受到井眼弯曲作用时眼弯曲作用时, 必然出现自身的反抗效应。

井眼曲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率对钻头与地层的作用力影响很大, 增斜力随井眼增斜力随井眼造斜率的增加迅速线性下降，其中稳斜、增斜和导造斜率的增加迅速线性下降，其中稳斜、增斜和导向钻具斜率最大向钻具斜率最大, 降斜钻具斜率较小某一曲率下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的增斜钻具在另一曲率下可能产生降斜力,反之亦反之亦然然; 某一曲率下的增方位钻具在另一曲率下某一曲率下的增方位钻具在另一曲率下, 可能可能产生降方位力产生降方位力, 反之亦然反之亦然        (5) 井径井径扩大或大或稳定器偏心的影响定器偏心的影响       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，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。

对图学特性影响不同对图3-7中中(b)、、(c)、、(d)、、(e)具有具有近钻头稳定器的钻具影响很大，而对图近钻头稳定器的钻具影响很大，而对图3-7中中(a)稳定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距钻头很远的钻具影响很小其规律是井径扩大或稳定器器    (4) 主法线方向的影响主法线方向的影响       井眼的主法线方向即井眼的弯曲方向井眼的主法线方向即井眼的弯曲方向 (类似于装置角类似于装置角, 增斜井眼主法线方向角为零增斜井眼主法线方向角为零, 顺时针方向为正顺时针方向为正)对增井斜对增井斜力和增方位力有很大影响力和增方位力有很大影响第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术    偏心偏心 (偏心稳定器窄边偏心稳定器窄边向下向下) 导致增井斜力减导致增井斜力减小、降斜力增加；井径小、降斜力增加；井径扩大或稳定器偏心使方扩大或稳定器偏心使方位力有所增加，但数值位力有所增加，但数值很小对于多稳定器钻很小对于多稳定器钻具组合，近钻头稳定器具组合，近钻头稳定器与井壁的间隙对钻头侧与井壁的间隙对钻头侧向力影响最大，离钻头向力影响最大，离钻头越远的稳定器的间隙对越远的稳定器的间隙对钻头侧向力的影响越小。

钻头侧向力的影响越小 第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术精品课件精品课件！精品课件精品课件！(7) (7) 稳定器安放位置的影响定器安放位置的影响 稳定定器器安安放放位位置置对钻具具的的力力学学特特性性影影响响是是很很大大的的所所谓的的””钟摆作作用用”、、“杠杠杆杆作作用用”和和“满眼眼稳斜斜作作用用”等等主主要要取取决决于于稳定定器器安安放放位位置置当当第第一一个个稳定定器器距距钻头足足够远时，，上上述述钻具具都都具具有有降降斜斜作作用用；；当当第第一一个个稳定定器器距距钻头较近近时，，在在同同一一条条件件下下，，不不同同钻具具产生生不不同同的的钻头侧向向力力，，即即使使同同一一钻具，在不同条件下具，在不同条件下钻头侧向力也不同向力也不同 第五章第五章          第三节第三节   井眼轨道控制理论与技术井眼轨道控制理论与技术。