钻井工程3-井眼轨道设计与控制演示教学

钻井工程3-井眼轨道 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与控制第一节井眼轨道设计的原则和方法一、基本概念二、各参数之间的数学关系三、井眼轨道设计的原则和方法§1WellPathDesign井眼轨道：是指在一口井钻进之前人们预想的该井的井眼轴线形状。井眼轨迹：是指一口已钻成的井的实际井眼轴线形状，也就是井眼轴线（井眼中心线）。一、基本概念（一）井眼轨道的基本要素B点垂直井深AＡ点测量井深：Ｌ＝ＯＡＡ点井斜角ＯHB垂直井深(TVD)H:转盘面至井底的垂直距离测量井深(MD)L:井口至井眼某点的轨迹长度垂深、测深、井斜角的概念井斜角:井身轨迹某点切线与铅垂线的夹角B井深（wellDepth）:转盘面至井底的井眼轨迹长度井深：Ｌ＝ＯBＯAＢ井斜变化率的概念和计算井斜变化率Ｋ：单位井段的井斜变化ＯＡＢＮＥ方位角、方位变化率的概念和计算方位变化率Ｋ：单位井段的方位变化方位角：从正北方向顺时针转至井眼轴线上某一点的切线（钻进方向）在水平面上的投影线的夹角水平位移：井身轨迹某点与井口位置的水平距离ＯＡＮＡ点水平位移：ＳA＝OAE(完井井底)闭合距：SE＝OE闭合方位角闭合距SE:完井井底水平位移闭合方位角:从正北方向顺时针转至闭合距之间的夹角水平位移、闭合距、闭合方位角的概念井眼曲率K：在单位井段内井眼前进的方向在三维空间内的角度变化，它既包含了井斜角的变化又包含了方位角的变化。ABKc狗腿严重度（狗腿度）全角变化率狗腿角：井眼曲率：井眼曲率的概念和计算磁偏角的概念及其校正方法定义：地球正北方位线实测：地球磁北方位线方位角两线不重合形成夹角－磁偏角磁偏角示意图若磁北方位线在正北方位线以东－东磁偏角（C）我国西部地区若磁北方位线在正北方位线以西－西磁偏角（A）我国东部地区磁偏角的确定实测由等偏地磁图查得用该地区的经纬度计算由当地地质部门提供磁偏角的校正方法：若为东磁偏角，与磁方位角相加；反之相减，即为井斜方位角。oN(i)E(j)D(k)rotnbAαDmSh假设井眼轨迹是一条空间曲线，则可以用空间直角坐标系来描述。选取笛卡尔坐标系ＯＮＥＤ。原点Ｏ选在井口处；Ｎ轴指向正北,单位矢量为ｉ；Ｅ轴指向正东，单位矢量为ｊ；Ｄ轴垂直向下，单位矢量为ｋ。北坐标（Ｎ）：从井口至井眼轴线上某一点在北坐标轴上的投影的距离。东坐标（Ｅ）：从井口至井眼轴线上某一点在东坐标轴上的投影的距离。井眼挠率（Ｒｎ）：单位长度井段井眼轴线的主法线绕井眼轴线所转过的角度.井身剖面由直井段、造斜段、稳斜段、增斜段、降斜段和水平段组合而成。直井段:设计井斜角为零度的井段。造斜点（Ｄｋｏｐ）:开始定向造斜的位置称为造斜点。以该点的井深来表示。造斜率（Ｒｂ）:造斜工具的造斜能力,即该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。造(增)斜段:井斜角随井深增加的井段稳斜段:井斜角保持不变的井段。降斜段:井斜角随着井深的增加而减小的井段。水平段：井斜角大于86°的井段。（二）井身剖面与精度控制直井段造斜点增斜段增斜段水平段直井段降斜段稳斜段amax水平位移精度控制目标点：即设计规定的、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。靶区及靶区半径（ｒｔ）:包含目标点在内的一个区域称为靶区。在一般油气井中，靶区半径为允许实钻井眼轨迹偏离设计目标点的水平距离,靶区为在目标点所在的水平面上,以目标点为圆心,以靶区半径为半径的一个圆面积。安全控制圆锥（柱）:以设计井眼轴线为中心,所限定的圆锥（柱）空间。靶心距（ｓｔ）:在靶区平面上,实钻井眼轴线与目标点之间的距离。误差椭球: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。目标点和误差椭球o设计井眼实钻井眼目标点误差椭球油气层靶心距直井和定向井的靶区和控制圆锥靶区靶区半径控制圆锥井口油气层水平井的靶区井眼轨道水平范围垂直范围水平段长度草古100-平5井水平位移736.5米完钻井深1427m水平位移736.5米水平位移736.5m高难度三靶点（三）井眼轨道水平投影1）工具弯角:在造斜钻具组合中，拐弯处上下两段的轴线间的夹角。2）工具面：在造斜钻具组合中，由弯曲工具的两个轴线所决定的平面。3）反扭角（βr）：在使用井下动力钻具进行定向造斜或扭方位时，动力钻具启动前的工具面与启动后且加压钻进时的工具面之间的夹角。4）高边：定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平面，称为井底圆；井底圆上的最高点称为高边；从井底圆心至高边之间的连线所指的方向称为高边方向；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为高边方位角。ON－正北方向线OE－正东方位线OA－井底井斜方位线－高边方位线OB－造斜工具定向方位线OC－造斜工具的安置方位线5）工具面角（βt）：造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。它有两种表示方法：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平面的交线在水平面上的投影线所转过的角度。ON－正北方向线OE－正东方位线OA－井底井斜方位线－高边方位线OB－造斜工具定向方位线OC－造斜工具的安置方位线6）装置角（β）：在启动钻具后且加压钻进时，工具面所处的角度，与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也可用磁工具面表示。7)安置角（βs）：在启动钻具前，工具面所处的角度。与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也可用磁工具面表示。ON－正北方向线OE－正东方位线OA－井底井斜方位线－高边方位线OB－造斜工具定向方位线OC－造斜工具的安置方位线二、各参数之间的数学关系(一)基本参数石油工程中，井眼轨道参数是通过下入井眼内的测斜仪器测出的，它测出的是一系列离散井深点所对应的井斜角和方位角，通过它们可以确定出其它参数，所以将它们称为基本参数。(二)坐标参数用于描述井眼轨道的空间位置。主要有北坐标，东坐标，垂直深度。(三)挠曲参数描述井眼轨道的弯曲和扭转程度。主要有曲率和挠率。(四)坐标参数与基本参数的关系井斜角方位角-----为井口到计算点的曲线长度（测深）(五)挠曲参数与基本参数的关系t,n,b分别为切线、主法线和副法线方向的单位矢量κb,κn为r0点的曲率和挠率r0=Ni+Ej+Dk（一）井眼轨道的类型按设计井眼轨道在空间直角坐标系中的形状,可分为二维井眼轨道和三维井眼轨道。二维井眼轨道是指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。三维井眼轨道是指在设计的井眼轴线上,既有井斜角变化,又有方位角变化的井眼轨道。1.二维井眼轨道二维井眼轨道组成：垂直井段增斜井段稳斜井段降斜井段三、井眼轨道设计的原则和方法2.三维井眼轨道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。若在地面井口位置与设计目标点之间的铅垂平面内,存在着井眼难于直接通过的障碍物(如已钻的井眼、岩丘、气顶等），则设计的井眼轨道需要绕过障碍物到达目标点。在钻进过程中，井眼轨道总是要偏离设计井眼轨道，为了保证钻达目标点，必须时刻修正钻进参数；此时由于井底的方位角与设计的方位角不一致，必须进行三维轨道设计。设计师井（二）、设计井眼轨道的原则（1）根据油气田勘探开发要求,保证实现钻井目的。（2）根据油气田的构造特征、油气产状，有利于提高油气产量和采收率，改善投资效益。（3）在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等参数时，有利于钻井、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剖面类型，力求使设计的测深最短，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，降低钻井成本。（三）井眼轨道设计中关键因素的选择1.造斜点(1)造斜点应选择在较稳定的地层,应避开岩石破碎带、漏失地层、流砂层或容易坍塌等复杂地层；(2)地层可钻性均匀，不应有硬夹层；(3)要满足采油工艺要求；(4)垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以便简化井身结构、加快钻速；(5)垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，以减少定向施工的工作量；(6)在井眼方位漂移地区，应使斜井段避开方位漂移大的地层或利用井眼方位漂移规律钻达目标点。2.最大井斜角实践证明，井斜角＜15°，方位不稳定，容易漂移；井斜角＞45°，测井和完井难度大，扭方位困难，扭矩大，易发生井壁坍塌等问题。因此，常规定向井的最大井斜角应尽可能控制在15°～45°范围内。3.井眼曲率－－是一个很重要的参数井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难。因此，定向钻井的井眼曲率一般取5°～12°/100m，最大不超过16°/100m。1.造斜点2.最大井斜角3.井眼曲率设计井眼轨道时，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、降斜井段组合而成，最常用的有四种类型。（四）井眼轨道类型的选择三段制五段制S型直井直井段造斜段水平段侧钻水平井直井段造斜段稳斜段造斜段水平段常规水平井水平井眼轨道类型的选择侧钻水平井技术是指使用专门井下工具，从老井套管内侧钻而成的水平井。它是在侧钻井技术、水平井技术和小井眼技术的基础上发展起来的代表九十年代钻井水平的新技术，不仅能使老井复活，而且可以大幅度提高单井产量和采收率。（五）二维定向井井眼轨道设计方法定向井和水平井井眼轨道设计一定要认真执行井眼轨道设计原则，选择合理的井眼轨道类型，结合本井情况，设计出良好的井眼轨道。(1)掌握原始资料主要是该地区的地质剖面，地表对井位的限制条件，目的层位的垂直井深和总水平位移，自然造斜规律，工具造斜能力，钻井技术水平和故障提示等等。(2)根据井眼轨道确定原则，选定一个井眼轨道类型。(3)根据原始资料选定造斜点的位置，并确定造斜率大小。(4)确定最大井斜角。(5)计算剖面上各井段的井斜角，方位角，垂直井深，水平位移。(6)核算井眼曲率，使其满足对它的各种限制条件，并作出井身的控制圆柱，即误差范围。(7)绘制井眼轨道图，标出安全圆柱。井眼轨道设计方法－－图版法作图法解析法（六）井眼轨道随钻修正设计实际钻进过程中，要使实钻轨道与设计轨道完全吻合是不可能的，二者之间总会有一定的偏差。很小的偏差是允许的，只要对钻进参数或钻具组合作些适当调整，便可继续钻进。若偏差较大，则必须对待钻井眼做出新的设计；若因地质勘探等原因，需要中途改变靶区的位置时，也需要重新设计井眼轨道。将上述情况统称为井眼轨道的随钻修正设计。无论原设计是二维还是三维井眼轨道，修正设计往往都是三维的。现有的几种随钻修正设计方法大多数是把三维设计问题转化成二维设计。（七）井眼轨道绕障和防碰设计在地面井位和目标点所在的铅垂平面内,如果存在着不可逾越的障碍物（如已钻井眼、复杂地层）要绕过障碍物钻达目标点的定向井称为绕障井。在密集丛式井和油田开发后期，常遇到绕障问题。从理论上讲，如果不受井眼曲率、最大井斜角、井口位置、目标点位置、经济因素和施工水平的限制，就不必进行三维设计。但在实际工作中，进行三维轨道设计更经济、更容易实现。（八）丛式井总体设计的原则就丛式钻井中每一单井而言，就是一口定向井；井数不多的丛式井与一般定向井的设计基本相同；但就丛式井簇而言，尤其是多井密集的丛式钻井，还应该考虑以下几个关键技术。1.丛式井位置、数量和井数的确定无论是海上或是陆地，丛式钻井首先遇到的就是丛式井场(或海上平台)的数量和位置以及各井场的井数分配问题。解决这些问题，必须：一是要满足油田开发的要求，这是丛式井网布置的依据；二是要从地面实际条件出发，井场必须设在指定的位置。但无论哪种情况，所设置的丛式井场数量和所钻井数的总成本都必须最低。当然，在丛式井场布井时，还需满足地质、采油和钻井工程方面提出的限制条件，如井眼轨道的最大井斜角、“狗腿”严重度等。2.防止井眼相碰－－是丛式井设计和施工的关键(1)井网类型－－辐射型锥散型开发整个油区，地面又没有限制，可以在地面均匀设置井场，井网布置采用辐射型，即以丛式井场为中心，各井象轮辐一样向四周钻进。这种布井方式井眼相互干扰较小，不易相碰。若地面限制严，各井只能从井场向同侧成锥形钻向目的层位，即锥散型井网(或叫普通型井网)。这类井网井眼间干扰较大，必须在造斜点、最大井斜角、井眼轨道、钻井顺序等各方面进行综合考虑，防止井眼相碰。(2)井眼轨道设计辐射型井网多用二维平面井眼轨道，而锥散型井网或老油田打调整井，有时必须用三维井眼轨道或多造斜率的二维井眼轨道,以保证井眼互不干扰。三维井眼轨道设计多数是将空间井眼轨道利用矩阵或坐标转换转化成空间平面上的井眼轨道，或者从水平投影图开始，设计一些特殊的空间井眼轴线。(3)井口布置丛式钻井的井口布置方法很多，如正方形布井，成排布井等等。丛式井场范围有限(尤其是海上平台)，井口距离一般不超过2.5m。如果造斜点较浅(100～300m)，井口距离可以缩小到1～2m；反之，井口距离应稍大一些，以防止由于测斜累积误差而致实际井眼相碰。高压地区井口布置要考虑安全设施，防止井喷失火株连整个丛式井场。在目前的油田开发条件下，井口布置还须为油田后期的抽油、修井、增产等处理措施留下适当的位置。(4)造斜点位置－－是防止井眼相碰较好的措施之一邻井间方位角相差大，造斜点可以相距不大；反之，则要求造斜点相距较远。但是造斜点的选择还取决于地层条件、油层深度、水平位移以及对最大井斜角和井眼曲率的限制，必须综合考虑。(5)造斜率与最大井斜角距丛式井场或平台中心越远的井，造斜率越高，最大井斜角越大。但最大井斜角不能任意选取，受地质、测井、钻井工艺、采油等多方面的限制。(6)钻井次序丛式井网常将造斜点深、水平位移小的井安排在中心区，优先钻进。然后依次向外扩展，最后钻造斜率高和井斜角大的边缘井，以便在实际井眼轨道出现误差时，有修正后续井眼轨道的余地。(7)控制安全圆柱为了保证井眼准确钻达靶心。人们习惯于以设计井眼轴线为中心规定一定半径值作为安全范围，所以称为安全圆柱。随着生产技术水平的发展，安全圆柱的半径将日益减小。(8)提高测斜仪器的精度(9)使用电子计算机绘制井眼防碰图§2Designofdrillstringandbottomholeassembly第二节钻柱及下部钻具组合设计图3-5典型的钻柱组合钻柱是自方钻杆至钻头以上的钻具管串的总称。钻柱由方钻杆、钻杆、钻挺、接头和稳定器等钻具组成。钻井过程中，通过钻柱把钻头和地面连接起来。钻井中常用的钻柱下部钻具组合中包括稳斜钻具、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地质导向钻井系统等。一、钻柱下部钻具组合设计方法下部钻具组合设计的原则：l）能有效地钻出设计的井眼轨道.2）钻头、马达和测量系统工作稳定性好，能施加较大的钻压，有利于提高钻速.3）具有较高的强度和寿命.4）便于安装和起下。钻铤稳定器动力段弯外壳轴承外壳垫块变接头旁通阀柔性连接弯接头稳斜钻具的作用是使井眼轨道沿当前井底切线方向，保持井斜角和方位角不变钻进。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。常用的稳斜钻具组合是：钻头+近钻头稳定器+短钻挺+稳定器+单根钻挺+稳定器+钻挺+钻杆。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。降斜和防斜钻具一般采用钟摆钻具组合，利用钻具自身重力产生的钟摆力实现降斜。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，便可改变钟摆力的大小。造斜钻具用于从直井段沿一定的方位钻出斜井段。增斜钻具用于增加斜井段待钻部分的井斜角。所有的造斜钻具都可作为增斜钻具使用。常用的造斜钻具组合为弯接头+井下动力钻具、各种弯外壳井下动力钻具（包括导向钻井系统）。（几何）地质导向钻井系统由钻头、导向马达、无线随钻测井仪、无线随钻测斜仪和地面计算机系统组成。特点：不需要起下钻就可连续完成造斜、增斜、降斜、扭方位、稳斜钻进，有利于提高钻进速度和控制井眼轨道，且可随时测得地层参数，以便及时修改地质设计和井眼轨道。（1）钻柱的材质钻柱的各个组成部分均由优质合金钢或优质铝合金制造。API标准中，规定钻杆的钢级有D级、E级、95（X）级、105（G）级和135（S）级共五种。其中X级、G级和S级钻杆为高强度钻杆；钻铤和方钻杆的钢级为AISI4145和AISI4150。（2）钻柱的物理机械性能钻杆的强度数据主要包括钻杆外径、壁厚、名义质量、材质、扭力屈服强度、按最小屈服强度计算的最小抗拉力、最小抗挤压力、抗内压力等；钻挺 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 数据主要包括外径、内径、长度、质量、紧扣扭矩等。具体数据可查阅有关手册或API公报。1.钻柱的物理机械性能二、钻柱的物理机械性能及强度校核（3）钻柱的破坏统计资料说明，绝大多数钻柱的损坏有：1）钻柱的疲劳破坏。疲劳破坏是构件在交变应力的长期作用下所发生的破坏。主要有三种形式：纯疲劳、伤痕疲劳和腐蚀疲劳。纯疲劳破坏没有任何可见的先天起因。从受力分析中可知道，钻杆承受拉伸、压缩、扭转和弯曲循环应力，但其中拉压的交替作用是最危险的应力。钻杆在弯曲井眼中旋转时，弯曲循环应力是造成疲劳破坏的主要因素。靠近钻铤部分的钻杆易发生疲劳破坏是因钻杆的刚度远小于钻铤，即使是较小的压力也易发生弯曲。钻杆的最大应力常发生在加厚部位的末端，这是因为接头与加厚部位的刚度大于本体部分，在截面变化的部位形成了交变应力作用的薄弱环节。这就是多数钻杆的破坏发生在距接头1.2m范围以内的原因。钻柱表面造成伤痕疲劳破坏的表面损伤有：卡瓦的咬痕和擦伤、大钳的咬痕、旋扣链钩的咬痕和擦伤、印模记号、橡胶保护器所造成的沟槽、电弧的灼伤、地层岩石和井下金属碎屑造成的刻痕。在井深时，整个钻柱的重量很大，卡瓦在钻杆上的沟槽特别具有危险性，即使很小心地使用卡瓦，也很难避免。因此在井深时不使用卡瓦而用吊卡代替。腐蚀疲劳是金属在腐蚀环境中的疲劳，这是钻柱失效的常见原因。腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是指金属表面与腐蚀介质产生化学作用而引起的腐蚀；电化学腐蚀是金属与电解质溶液接触，产生电化学作用引起的腐蚀，特点是在整个腐蚀反应中有电流产生。2）钻杆的氢脆破坏现场实践中发现，金属管材在硫化氢介质中工作一段时间后突然出现裂缝，发生严重的破坏。这是由于硫化氢的腐蚀和脆化的结果，这种破坏称为氢脆。防止氢脆可采用防止硫化氢侵入钻井液与控制腐蚀速度两种措施。为了防止硫化氢侵入钻井液，应保持一定的钻井液密度，防止地层流体的侵入。根据井下可能遇到的温度，不采用在此高温下可能分解的钻井液处理剂，或避免使用含硫原油或含硫化物的钻井液处理剂。为了控制腐蚀速度，应保证钻井液有较高的PH值，使硫化物处于非活性状态，以减弱腐蚀作用。常用的方法是在钻具内壁涂以塑料保护膜、在钻井液中加入缓蚀剂、用化学剂处理钻井液使硫化物以惰性状态沉淀、用油基钻井液钻井。2.钻柱所受载荷种类钻柱的运动状态很复杂，它在井眼内的旋转运动形式可能有四种：★自转－钻柱象一根柔性轴绕自身轴线旋转★公转（涡动）－钻柱象一个刚体绕井眼轴线旋转并沿井壁滑动★公转与自转的结合★整个钻柱或部分钻柱作无规则的旋转摆动（l）轴向力起下钻过程中，由于自重的作用，整个钻柱受拉力，井口处的拉力最大，愈向下拉力愈小。钻柱在钻井液中，还受到钻井液的浮力，浮力的方向正好同拉力的方向相反，减小了钻柱上部的拉力。在起下钻时，钻柱与井壁间有摩擦力，此摩擦力在起钻时增加上部钻柱的拉伸载荷；在下钻时，摩擦力减轻了上部钻往所受拉力。（2）弯曲应力当钻柱处于弯曲井眼中或受压弯曲时，钻柱受到弯曲力矩的作用。当钻往自转时，则产生交变弯曲应力。（3）离心力钻柱绕井眼轴线公转时，产生离心力，促使钻柱发生弯曲。（4）扭矩当用转盘旋转钻进时，由于转盘带动钻柱、钻头旋转，并克服钻柱与井壁的摩擦，使钻头破碎岩石，因此钻柱内有扭矩存在，并且钻柱承受的扭矩在井口处最大，钻头处最小；当用井下动力钻具钻进时，由于钻头旋转给钻柱施加反扭矩，所以钻柱内仍然有扭矩存在，并且钻柱承受的扭矩在钻头处最大，越往上越小。（5）纵向振动钻进时钻头的转动（特别是牙轮钻头），引起钻柱的纵向振动。纵向振动与钻头结构、岩石性质、钻压、转速等因素有关。当钻头的转速和钻柱固有振动周期相同或者成倍数时，就产生共振现象，称为跳钻。严重的挑钻，会使钻柱弯曲、磨损增快，以致迅速疲劳破坏和严重影响钻头使用寿命。（6）扭转振动由于钻头破碎岩石时井底反扭矩的变化，引起钻柱的周向振动，如憋钻。它和钻头的结构、岩石性质、钻压和转速等因素有关。（7）横向振动当用转盘旋转钻进时，由于钻柱偏心或钻柱绕并眼轴线公转诱发钻柱的横向振动。它和下部钻具组合、钻头的结构、岩石性质、钻压和转速等因素有关。（8）动载在起下钻中，由于钻柱运动速度的变化，会引起纵向动载，在钻柱中产生纵向瞬时交变应力，动载的大小与操作因素有关。（9）钻往与井壁的正压力和摩擦力由于有井斜和曲率的存在，承受重力和拉力作用的钻柱与井壁之间就有正压力存在。钻柱运动时，存在摩擦力。总之，作用在钻柱上的载荷，沿钻柱的全长变化，受力严重的部位是：下部钻柱受压情况严重，同时有扭矩和弯曲力的作用；起钻时，井口处受到最大轴向拉力。N下入过程中！井下阻力/扭矩太大，使管柱无法大位移延伸！WV1NNdV2WaN井下摩阻/扭矩预测与控制（1）钻柱组合设计l）钻挺的确定（外径、内径、钻压）从提供钻压的角度，钻铤的外径越大内径越小越好，但钻铤的外径受井径的限制，还须留有一定的环形空间以便钻井液返出，而钻铤的内径还须保证钻井液顺利通过。钻铤的长度须充分满足钻压的需要。2）钻杆的确定钻杆既要有足够的强度，保证钻进时不致发生断裂，又要尽量细轻，保证钻井液的正常循环和减少能量消耗.3）钻挺的安放位置钻井斜较小的井段时，提供钻压的钻挺直接安放在下部钻具上部，采用钟摆、满眼或塔式结构；钻井斜较大的井段或水平井段时，钻挺放在井斜较小的井段，大斜度井段或水平井段则用承压钻杆与下部钻具连接。3.钻柱受力分析与强度校核（2）钻柱受力分析与强度校核为了使钻柱在不同的工作条件下能安全地工作，需计算钻往内部的各种载荷和应力，作为合理设计和校核强度的依据。钻柱主要承受轴向拉压载荷、扭矩、弯矩、内外压力等四种载荷。当钻柱所受的轴向压力小于一定值时，钻柱躺在井壁下侧，呈直线状态；当轴向力大于一定值时，钻柱就发生正弦屈曲；当轴向力继续增大时，钻柱就会发生螺旋屈曲。钻柱屈曲后，钻柱与井壁的压力、摩擦力急剧增加，钻柱内的应力增加。4.钻柱的稳定性校核杆管柱处于未失稳状态杆管柱处于正弦屈曲状态杆管柱处于螺旋屈曲状态第三节井限轨道控制理论与技术§3Theoryandtechnologyofwelltrajectorycontrol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。上世纪20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对直的井是不可能的，并逐渐认识到了井斜的危害。上世纪40年代末至50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一系列重要成果。一、井眼轨道控制理论钻井实践表明，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，主要有两个方面：第一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生弯曲。第二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生弯曲。(一)下部钻具力学分析影响下部钻具组合力学特性的因素很多，主要包括：下部钻具结构参数（各段钻挺的长度、刚度、单位长度重量、弯角、装置角、稳定器个数、安放位置、稳定器的偏心度）井眼几何参数（井眼曲率半径、主法线方向、井斜角）操作参数（钻压、钻井液密度）（1）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，而且是一个可以人为控制的钻井参数，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，增井斜力随钻压增加微增。（2）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。当下部钻具组合选定后，横向分布载荷大小取决于井斜角的大小，同时轴向载荷密度也随井斜角而变化。因此，钻头与地层的作用力必然与井斜角有密切的关系。降斜钻具的降斜力随井斜角的增大而增大；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，其中以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。（3）井眼曲率的影响各种钻具组合均具有抗弯刚度，当它们受到井眼弯曲作用时，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，增斜力随井眼造斜率的增加迅速线性下降，其中稳斜、增斜和导向钻具斜率最大，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；某一曲率下的增方位钻具在另一曲率下，可能产生降方位力。（4）主法线方向的影响井眼的主法线方向即井眼的弯曲方向（类似于装置角，增斜井眼主法线方向角为零，顺时针方向为正）对增井斜力和增方位力有很大影响。（5）井径扩大或稳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3－7中（b），（c），（d），（e）具有近钻头稳定器的钻具影响很大，而对图3－7中（a）稳定器距钻头很远的钻具影响很小。规律：井径扩大或稳定器偏心（偏心稳定器窄边向下）导致增井斜力减小、降斜力增加；井径扩大或稳定器偏心使方位力有所增加，但数值很小。对于多稳定器钻具组合，近钻头稳定器与井壁的间隙对钻头侧向力影响最大，离钻头越远的稳定器的间隙对钻头侧向力的影响越小。（6）钻井液密度的影响下部钻具组合在充满钻井液的井眼里工作，必然受到浮力的作用，但钻井液密度对钻头侧向力的影响较小。（7）稳定器安放位置的影响稳定器安放位置对钻具的力学特性影响是很大的。“钟摆作用”、“杠杆作用”和“满眼稳斜作用”等主要取决于稳定器安放位置。当第一个稳定器距钻头足够远时，上述钻具都具有降斜作用；当第一个稳定器距钻头较近时，在同一条件下，不同钻具产生不同的钻头侧向力，即使同一钻具，在不同条件下钻头侧向力也不同。（8）导向钻具弯角位置的影响导向钻具弯角的位置是导向钻具重要的结构参数之一。随着第一弯角到近钻头稳定器距离的增加，两种导向钻具的增井斜力都迅速直线下降；随着弯角间距的增加，钻具的增井斜力直线增加。（9）导向钻具弯角大小的影响导向钻具弯角大小是导向钻具重要的结构参数之一。导向钻具的增井斜力随第一弯角的增加而迅速线性增加，随第二弯角的增加而迅速线性减小。（10）导向钻具弯角装置角的影响弯角的装置角是导向钻具的重要结构参数之一。钻具的增井斜力与装置角的关系为Fb＝B＋Abcosß增方位力与装置角的关系则为Fw＝Awsinß(二)钻头与地层相互作用（1）地层各向异性一般的地层为正交各向异性地层，其物理和力学性质沿地层倾向、走向和法向互异。地层各向异性，可用岩石各向异性指数来表征。岩石各向异性指数可根据岩石可钻性概念来定义。钻进效率可钻性异性指数2007.04井眼轨道控制技术地层可钻异性导致井斜垂直层面方向的可钻性高；平行层面方向的可钻性低钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势地层可钻性的各向异性2007.04井眼轨道控制技术（2）地层软硬交互a)从硬岩到软岩钻头将沿偏离层面沿法线方向上前进b)从软岩进入硬岩钻孔遇层角大于临界角时，钻头将沿层面下滑，反之将沿层面法线上前进。C)硬-软-硬钻头沿层面法线上沿伸2007.04井眼轨道控制技术地质因素软硬交互（3）钻头各向异性钻头各向异性是指钻头本身结构在不同方向上钻进能力的差异。无论是牙轮钻头、刮刀钻头、金刚石钻头还是PDC钻头，其结构都是利于向前（即沿轴线）钻进的，因此，钻头沿轴线的钻进效率优于沿侧向的钻进效率，即存在钻进效率的各向异性。钻头各向异性用钻头各向异性指数来表示。实际上，Ib是钻头类型及尺寸、岩性等钻进参数的综合函数。（4）地层与钻头相互作用模型按地层各向异性和钻头各向异性的定义，通过严格的力学和数学处理，可导出各向异性钻头与正交各向异性地层相互作用的三维钻速方程，应用该方程可计算出钻头的瞬时钻进方向。(三)井眼轨道预测与控制（1）井眼轨道预测从井眼形成过程来看，除个别点外，井眼都是光滑的，按坐标系取法、横向钻速为零。为此，在井眼轨道预测中预测点的井深、井斜角和方位角应满足钻头的横向钻速为零。为了减小误差，两预测点间的距离不能取得过长。（2）井眼轨道控制井眼轨道控制技术是钻井施工中的技术关键。它是一项使实钻井眼沿着预先设计的轨道钻达目标靶区的综合性技术。井眼轨道控制贯穿钻井的全过程，主要内容有：优化钻具组合、优选钻井参数、采用先进的工具仪器、应用计算机进行井眼轨道的检测预测、利用地层影响轨道的自然规律等。因此，井眼轨道控制技术对指导定向钻井施工、减少井下复杂情况、安全优质钻达目标、实现钻井目的有着重要的意义。盘2-斜172井三靶点五段制一趟导向钻具钻进812m钻井周期27天比设计提前21天完钻井深3259.43m水平位移1090.16m二、井眼轨道测量仪器简介为了满足在不同情况下进行井眼轨道控制的要求，出现了多种使用方便、测量精确、性能可靠的井眼测量仪器。按照仪器的结构、性能、工作方式，可分为两大类：磁多点测斜仪器陀螺仪器结构示意图陀螺多点测斜仪水平井(Horizontalwell)－－在一个井场内仅有一口最大井斜角≥86°,并保持此角度钻完一定长度的水平段的定向井.水平井分为：长曲率半径水平井(造斜率小于6°/30ｍ)中曲率半径水平井(造斜率为1°／ｍ～6°／30m)短曲率半径水平井(造斜率为1°～10°／ｍ)径向水平井(造斜率为无穷大)第四节短曲率半径水平井、径向水平井钻井系统简介§4Introductionofshortradiusandradialwells一、短曲率半径水平井－－造斜率为(l～10°)／m特点：曲率半径小、曲线段短、水平段短。优点：l）井身剖面简单，不需要稳斜段；2）垂深误差小，易于中小目标，易于侧钻；3）造斜点低，可避开事故段；4）可在较小的范围内最大限度地穿过油层，且不受地表环境影响；5）抽油泵可设置在造斜点以上的直井段内进行开采。应用于：1)薄油层、小区块、死油区、气/水锥、低压油藏等复杂油气藏，增加油气产量；2)目的层上方地层较复杂易出事故的区域，降低钻井成本；3)老井侧钻水平井泄油井眼，使老井、老油田复活，提高采收率；4)侧钻分支水平井和多底井，形成多个泄油通道，提高油气产量；5)既可钻新井，也可在老井内侧钻，既可在直井内侧钻，也可在斜井内侧钻。老井侧钻的重要意义：1）节约成本，挖掘老油田的潜力，对老油田的再开发有重要意义；2）已成为枯竭油田进行三次采油的一种重要手段，也成为一种提高普通油气层产量，增加二次与三次采油效率的一种有效的技术，它比传统的酸化、压裂、注水等增产措施具有更大的优势。1.短曲率半径水平井钻井系统（Eastman－Christen）一类是地面驱动式柔性钻具组合；一类是井下马达驱动式的铰接钻具组合2．短曲率半径水平井施工过程（1）短半径水平井钻具组合 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 地面动力驱动旋转系统方案为：造斜井段钻具组合：钻头+挠性钻具（导向管）+测量工具接头+柔性钻杆（铤）稳斜水平井段钻具组合：钻头+柔性双稳定器+柔性钻杆（钻挺）+测量工具接头驱动方式：转盘、动力水龙头或顶部驱动装置。所有钻具都应旋转（造斜挠性钻具外壳不转），钻具承受交变应力，因钻杆强度所限，水平井段距离钻不长。铰接式井下动力钻具组合方案为：钻头+驱动轴及轴承总成（可带弯角）+稳定器+螺杆钻具（二节或多节且可铰接）+旁通阀+测试接头+柔性钻杆或钻挺（铰接钻杆或钻挺）。这套组合，基本上可用于造斜井段和水平稳斜井段。驱动方式是地下驱动，螺杆钻具以上钻具均不旋转，只承受拉、压、扭变载荷，不承受交变载荷，钻具寿命长，且水平段长度可钻长，制造简单、成本低、强度高于柔性钻具，钻井工艺也较简单，钻井效率高。（2）侧钻工艺侧钻时可用可回收式斜向器，也可用打水泥塞的方法。侧钻既可在探眼井内侧钻，也可在套管井内侧钻。基本程序是在套管内打悬空水泥塞、磨铣套管开窗、扩眼、扩眼段注高质量的水泥、钻水泥塞、下斜向器、侧钻造斜。3.短曲率半径水平井完井方法a.概述短曲率半径水平井由于其曲率半径小，所以限制了完井方法。目前短曲率半径水平井完井方法有：(1)裸眼完井，约占60-80%;(2)割缝尾管;(3)缠丝筛管,极少使用。b.短曲率半径水平井的筛孔/割缝衬管完井方法简介短曲率半径水平井通常在垂直井的套管上磨铣出一个窗口，再钻水平井段。目前短曲率半径水平井的衬管都不固井，而采用筛孔／割缝衬管完井法，生产封隔器是安放在直井段中。二、径向水平井造斜率极大或直接拐弯的水平井,称为超短曲率半径水平井。既可在新钻的井中实施，也可在老井中侧向钻进。超短曲率半径钻井最早始于19世纪中叶的石油采矿。在这种方法中，先挖地下空腔或坑道，然后再从地下坑道中安装钻井工具和设备钻水平井眼。在常规井眼钻超短曲率半径水平并需用一种特殊的径向钻井系统，如图。超短半径水平钻完井一体化技术（1）射流喷嘴（2）生产管（3）斜向器（4）测量装置（5）速度控制系统（6）井斜控制装置（7）完井管柱（8）地面设备1.径向钻井系统的工作原理1）系统构成径向水平井系统主要由如下几部分组成:（1）射流喷嘴。该系统采用高压水射流破岩。为了用直径较小的射流钻成较大的井眼，在喷嘴内放置了旋流叶片，使液流在喷嘴内呈螺旋流动状态；当从喷口喷出时，在离心力的作用下，形成锥壳状射流。（2）生产管。生产管是外径11/4″、内径1″、A-606碳钢、电阻焊柔性管。作用是:①将高压流体由油管柱输送给钻头(喷嘴);②将钻头(喷嘴)实时推到井眼底部;③射孔后作为生产管。（3）斜向器。第一代径向水平井系统采用了Ⅰ型斜向器,第二代径向水平井系统采用了Ⅲ型斜向器。功能是在预定的方位上把生产管在井眼内作90°转弯使其垂直于井壁。（4）测量装置。第一代径向水平系统采用了Ⅰ型井斜仪，第二代径向水平井系统采用了Ⅴ型曲率半径仪。功能是测量井眼轨道的井斜和方位。（5）速度控制系统。第一代径向水平井系统采用了缆绳车绳索控制系统，第二代径向水平井系统采用了液力尾端节流控制系统。功能是控制钻速，以便清除岩屑和控制井斜。（6）井斜控制装置。第一代径向水平井系统是通过控制钻速来控制井斜的。第二代径向水平井系统是通过井斜控制装置来控制井斜的。（7）完井管柱。完井管柱有生产管和柔性管。（8）地面设备。高压泵为压裂泵-1177Kw/69MPa。钻机为普通修井机.2）工作原理径向钻井系统主要原理是利用高压水系。高压水系的主要作用有：①产生高压水射流切削地层；②产生对径向管尾端的轴向推力，使径向管沿斜向器的曲率导管垂直于井壁进入地层;③高压水在径向管前端产生一个张力，使径向管受到轴向拉力作用朝前运动。工作管串为114mm,径向管为32mm,横截内面积为7935mm2,水压为69MPa时，总的推进力为55kN。3）径向水平钻井系统的优点2.径向水平井的施工过程当今世界，体现一个国家或一个油田或一个企业钻井水平的高低主要有两个方面：★深或超深探井的钻井技术水平★特殊工艺井的钻井技术水平此 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