井眼轨迹控制理论研究.doc

3、井眼轨迹控制理论研究3」底部钻具组合力学分析底部钻具组合（简称BHA）的受力和变形分析，是井眼轨迹研究的重要内容之一通过BHA分析，可以确定钻头的力学状态然而影响井眼轨迹控制的因素很多，且相互关系复杂, 多年来钻井技术工作者防斜基础理论研究方面取得了可喜的成果3.1.1井底钻具的基本方程（1） 井底钻具的受力：井底钻具因受力而弯曲（如图1）2） 井底钻具的挠度方程集中载荷的挠度方程（见图2）BC^Yhc =图3均匀载荷下的弯曲梁均匀载荷下的挠度方程（见图3）由弹性变形能理论，得出更简便的挠度方程梁的挠度曲线以三角级数表示：Yq —宀”+"2几〒“$_ 兀 X 2 71X在集中载荷FC,与轴向压力W联合作用下，梁的挠度方式得出AB梁的挠度方程:2Fch3 占n7TX ———S」兀aS in —— wh h兀2 EJ AB染在均布载荷qsinQ与轴向压力W联合作用下的挠度方程：_ 4 力 4 g sin Q 寸 1 n 7rx厂―7l5 EJ 苔 3 / 2 W/7 2 M h〃（旷 一 -TT^-）兀EJ下扶下器 z W下扶下器 一 EJY：挠度，（m）Q：井斜度，（）H：上扶下扶高度，（m）Q：每公尺钻廷在泥浆中重量，kg/mE：钢的弹性系数，J：钻铤的惯性矩，m4W：钻压3.1.2钻具在井底的基本工作状态与侧向力（1）钻具在井底的工作状态图4钻具在井底的工作状态钻具的曲率小于井身的曲率，钻具的中心线在井身中心线的上方，下稳定器紧靠上井壁，有得减小井身的狗腿角。

因而叫稳斜工作状态钻具的挠度与井身的弯曲度相等，上稳定器以下钻具不与井壁相接角，利用钻具的自重分力减斜，称为钟摆作用钻具的挠度大于井身的弯曲度，钻具中心线在井眼中心线的下方钻具中心线在井眼中心线的下方，下扶正器紧靠下井壁，由于以下稳定器为支撑点的杠杆力矩的作用，产牛造斜（图（2）钻头侧向力作用于钻头上的侧向力有三个（见图1）下部钻具自重的侧向分力Fq：Fq = |^Asin（2钻具的弹性反力：FC钻头端面扭转而产生的钻压的侧向分力FW因此钻头的侧向力：Fb=Fq + Fc+%规定造斜的Fb为正值，减斜时Fb为负值3.1.3各种井底钻具结构的设计（1）钟摆钻具的受力与挠度方程:q sin QWp~2-钻头侧向力公式:cos（卑——PX ）COSph~2Fb = -”q sin Q（b）钻压增加，钻具弯曲,正侧向力增加，减斜力逐步减小，当钻压等于某一定值，正负侧向力相等，Fb二0ph=2.3311 （P2=〔J）钟摆钻具上稳定器临界高度（m）4qsin 0x11460r r I c稳斜钻具的挠度与侧向力兀氷Q3A(-)EJ(l-t7) 3x10~3AJ(1-6z) (l + a-a2)qhsinQ qhsinQ由变形能的公式可求得钻头侧向力的公式：第一项为减小狗腿角的弹性反力，在稳斜中控制井身的变化。

第二项是由于下扶正器间隙而产生的弹性反力的减小第三项随扶止器的高低而定第四项是自重的侧向分力式中：Fb钻头侧向力（kg）A （-）狗腿角（1 /100m）A d稳定器与井壁间隙（mm）q每米钻铤重量（kg/m）（-）井斜角（）h上稳定器高度（m）下稳定器高度 上稳定器咼度W钻压（kg）(2)造斜钻具：造斜钻具的下扶正器紧靠下井壁作业、为支撑点，利用杠力矩产生造斜力 造斜钻具总侧斜力为：造斜钻具上扶下器最低极限位置:下扶正器位置，由下列议程式决定下扶正器最高位置：0 11460/10△” 4h2qsinQ . 、八cr 一 (—— 一—— sin nd) = 0A(-) h2 兀、EJ(\-a)3.2转盘钻井井眼轨迹控制模式用纵横弯曲边续梁法计算降、稳、增斜钻具组合的力学特性，根据测斜情况调整稳定器间距 根据对底部钻具组合力学特性的分析，我们分析优选了几种转盘钻井井眼轨迹控制的模式， 转盘增斜、稳斜钻具组合采用多稳定器钻具结合，增斜采用三稳定器或二稳定器钻具组合： 稳斜采用三稳定器钻具组合：降斜采用一稳定器或二稳定器钻具组合321转盘降斜钻具组合(钟摆钻具)A：①311.2mm钻头+ 0228.6mm减震器+①228mm钻铤3根+①311.2mm稳定器+① 197mm无磁钻铤+ 0203mm钻铤6根+①178.8mm钻铤9根+O 178.8mm随钻震击器+① 178.8mm钻铤3根+①127mm加重钻杆15根+①127mm钻杆+①133mm方钻杆B：①215.9mm钻头+①158mm无磁钻铤1根+①158mm钻铤1根+①214mm稳定器+①158mm 钻铤1根+①214mm稳定器+①158mm钻铤18根+①127mm加重钻杆15根+①127mm钻杆+ ①108mm方钻杆322转盘稳斜钻具组合。

A：①311.2m钻头+630X730接头+①311mm稳定器+ 0203mm短钻铤3-4m+0311m稳定器+ 0 203mm无磁钻铤+①311稳定器+①203mm钻铤10根+①197mm随钻下击器+①197mm随钻上击器+6 117.8mm钻铤6根+①127mm加重钻杆15根+①127mm钻杆B： 6215.9mm钻头+430X410接头+①214mm稳定器+①158mm短钻铤2・3m+①214mm稳定 器+6 158.8mm无磁钻铤1根+214mm稳定器+①158.8mm钻铤18根+①158.8mm随钻下击 器+①158.8随钻下击器+◎ 127mm加重钻杆+①127mm钻杆323转盘增斜钻具高陡构造上的定向井，特别在逆地层自然造斜方位时，转盘增斜为克服较大的地层自然造斜 力而采用钻头侧向力大一些的三稳定器钻具组合增斜钻具组合一般有下面几种：A： 0311.2mm钻头+630X730接头+0311稳定器+①203mm无磁钻铤1根+ 0203mm短 钻（3・4m） +031 Imm稳定器+ 0203mm钻铤1根+①311mm稳定器+ 0203mm钻铤11根+ ①197mm随钻下击器+①197mm随钻上击器+①177.8mm钻铤6根+①127mm加重钻杆15根 +①127mm钻铤。

B： 0 215.9mm钻头+①430X4A10+①214mm稳定器+①15&8mm无磁钻铤1根+① 158.8mm钻铤1 0214mm稳定器+①158.8mm钻铤1根+0214mm稳定器+①15&8mm钻 铤9根+①158.8mm随钻下击器+①158.8mm随钻上击器+①158.8钻铤9根+①127mm加重钻 杆15根+①127mm钻杆3.3高陡构造深井定向工艺技术鄂西渝东地区高陡构造众多，地腹构造形态复杂，断层多，钻探难度很大有的因地面 条件限制，用常规的直井钻井技术无法钻达油气藏，有的井因钻遇断层落入陡带不能实现地 质目的，这就需要定向钻井技术和侧钻技术来实现地质目的渝东地区高陡构造具有如下自然造斜规律：地层造斜力（泛指增斜力和降斜力）随钻压、地层各向异性指数及地层与井眼的夹角 （0-Q）（或称和对井斜角）的增大而增大.因此，地层自然造斜规律（通常用综合造斜指数K表示）表现为：地层倾角越陡越易井斜，地层层理越强越易井斜，和对井斜角越接近45越 易井斜地层造斜的特性参数可用地层各异性指数h描述依照地层造斜力Ff计算式，相对井斜角0 <0-d<90 ,则Ff为增斜力，使井眼朝 地层法向方向（即上倾方位）井斜；0-。

90或=0 , Ff=0,地层具有稳定“打直”的趋 势；0-qV0 , Ff为负值，地层具有降斜趋势；且|0-四=45时Ff最大，地层造斜占主 导地位；但由于钻具力的共同作用，一般来说，0-左右即可能沿地层层面下滑，从 而使井斜方位反转至地层倾向方位井眼轨迹的方向取决于地层造斜力与钻具力之合力；地层造斜力为造斜力时，要限制井 斜角增大，钻具组合就必须有足够大的降斜力（钟摆力）对于普通塔式钻具（或光钻铤钻具） 组合及定长钟摆钻具组合来说，降低钻压可减小地层造斜力，从而控制井斜角增大，但是不 经济因此，还有必要从增大钻铤刚度、增大钟摆长度及放开井斜角的限制等方面来寻求控 制井斜的有效方法地层越平缓，井斜角越大，钻具组合对井斜方位的影响越大，钻具组合对井斜方位的影 响是：钟摆钻具右漂、增斜钻具左漂，多稳定器稳斜钻具组合相对稳定高陡构造除轴部较小的地层平缓外，绝大部分地层倾角大于15 ,陡翼还有倒转现象面井 斜方位一般可直接取各层位的地层上倾方位，可不考虑钻具组合类型影响据资料统计回归 有：丫二 0.8015303X+37.4232式中，X：地层上倾方位，（ ）Y：实测井斜方位，（ ）3.3.1地面井位的优选鄂西渝东地区地质情况复杂，高陡构造众多，倾角较大，极易井斜，主产层石炭系埋藏 很深，另外井下断层多，地质范围狭窄，地面井位限制较多，这些都加大了钻井中靶的进度。

井眼轨迹的控制好坏，直接影响到全井机械钻速随着油田勘探开发的不断深入，井身质量要求和当严格为了满足地质中靶，在钻过程 中采用防斜打直技术，尽可能减小井斜角，减少水平位移，然而由于地层条件的限制，特别 是高陡倾角的地层自然造斜趋势强，若被动地控制井斜往往延长钻井周期束缚钻井速度，增 加钻井成木为解决上述矛盾，利用地层自然造斜规律，优选地面井口位置，在小位移井钻 进中越来越显示出极大潜力由三维地层造斜力分析可知道，在定向钻井或肓井口，普遍的情况是钻进方位和地层上 倾方位存在夹角，即不同的钻进方位对应着不同井眼方位和地层上倾方位角的差值，变方位 力的变化导致方位漂移当井斜方位垂直于地层走向时，变方位力为零，地层的方位漂移率 很小，当井眼方位与地层倾向形成某一夹角时，地层方位漂移比较严重，这是利用地层造斜 规律选定定向井或肓进地面井位的理论依据地面井位优选必须通过对预定区块地层资料进行分析和总结，找出井斜和方位的总变化 趋势，然后在地面做一定方向和距离的移动，以达到快速钻进和安全中靶的目的地面井位 的合理确定，有仅能不效地控制好井眼轨迹，减少定向造斜和扭方位的工作量，而且可以大 大提高钻井速度，起到事半功倍的效果。

地面理论井位确定是先根据理论井位移量设计井身剖面，然后从地质靶心沿设计井眼轨 迹移动至地面，此点即地面理论井位然而，理论井位不一事实上就是实际的理想井位确 定地面井位的原则是保证整个钻井工的快速低耗和钻井工程全过程的经济性设计井位移动量有两个原则：技术上可行，经济上合理井斜控制过程中只有钻井参数 与钻具组合是可以人为改变的，因此，我们计算井位移动量的基本参数是采用塔式或满眼钻 具组合，足（经济）钻压钻时因为塔式和满眼钻具组合不仅有利于安全钻进，而且可通过 更换钻具组合实现增斜或降斜，便于现场施工中应付地质条件的变化，而不需大幅度改变钻 压，影响钻井速度和钻井中靶率具体有下列儿种方法来计算理论地面井位移动量： 公式计算法：S = Li sin 仏cos（0厂气）式中，asi：某层位的井斜角（ ）Psi :某层位的地层倾角（ ）算出各层位的如，即可由下列关系求出对应地层厚度Li下的合理水平位移Si,及全井总 水平位移So要满足在上述两个基条件下的井斜控制精度，必须准确统计相似条件下的足钻压下地层 各向异性指数h值，因为足钻压下的h值一般比“吊打”时的h值略小，应注意。