钻井井斜控制

钻井钻井-井斜及其控制井斜及其控制概述概述第一节第一节 井斜的原因井斜的原因第二节第二节 钟摆钻具控制井斜技术钟摆钻具控制井斜技术第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术小结小结概述概述一、井斜概念一、井斜概念 井斜指实钻井眼对井斜指实钻井眼对设计铅垂井眼的偏离设计铅垂井眼的偏离概述概述二、井斜的危害二、井斜的危害l勘探：勘探：l开发：开发：l钻井工程：钻井工程：概述概述二、井斜的危害二、井斜的危害l勘探勘探：地质资料失真；错过油气层；测井困难。概述概述二、井斜的危害二、井斜的危害概述概述概述概述三、井斜的度量指标三、井斜的度量指标l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜变化率井斜变化率l方位角方位角l方位变化率方位变化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO概述概述三、井斜的度量指标三、井斜的度量指标l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜变化率井斜变化率l方位角方位角l方位变化率方位变化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定义定义：井眼轴线的切线与铅垂直线之间的夹角 概述概述三、井斜的度量指标三、井斜的度量指标l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜变化率井斜变化率l方位角方位角l方位变化率方位变化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定义定义：井底在水平面上偏离原井口的大小OBBA概述概述三、井斜的度量指标三、井斜的度量指标l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜变化率井斜变化率l方位角方位角l方位变化率方位变化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定义定义：单位长度内井斜角的变化值, /LBA概述概述三、井斜的度量指标三、井斜的度量指标l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜变化率井斜变化率l方位角方位角l方位变化率方位变化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定义定义：井眼轴线的切线在水平面投影的方向与正北方向之间的夹角。BA概述概述三、井斜的度量指标三、井斜的度量指标l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜变化率井斜变化率l方位角方位角l方位变化率方位变化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定义定义：单位长度内方位角的变化值, /LBA概述概述三、井斜的度量指标三、井斜的度量指标l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜变化率井斜变化率l方位角方位角l方位变化率方位变化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定义定义：OAB平面BA概述概述三、井斜的度量指标三、井斜的度量指标l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜变化率井斜变化率l方位角方位角l方位变化率方位变化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定义定义：水平平面BA第一节第一节 井斜的原因井斜的原因井斜原因井斜原因：1. 1. 地质因素地质因素1.1 1.1 层状地层层状地层1.2 1.2 地层各向异性地层各向异性1.3 1.3 岩性交替变化岩性交替变化1.4 1.4 断层断层1.5 1.5 地应力地应力1.6 1.6 裂缝发育带裂缝发育带1.1. 地质因素地质因素1.1 1.1 层状地层层状地层机理：重压崩掉遗留小台阶直至井眼与斜面垂直为止。 (小造斜器理论)方向：60，下倾影响：倾角越大、成层性越强、钻压越大，则井斜越大。有效井径小斜台1. 1. 地质因素地质因素1.2 1.2 地层各向异性地层各向异性机理：钻头将沿岩石可钻性最好的方向钻进。 钻进往往沿着强度最低，可钻性最好的方向进行。但预定的钻进方向往往和可钻性最好的方向不重合，故井眼发生偏斜。一般说来由于成层状况、胶结、层理等造成垂直于层面的方向强度低、可钻性好。 如图63所示：Vt1 Vt2 Vt3 。1231231. 1. 地质因素地质因素1.3 岩性交替变化岩性交替变化井斜方向：上倾影响机理：由软地层由软地层 硬地层硬地层硬地层支撑，软地层吃入钻进快，偏转力矩造成井斜。由硬地层由硬地层 软地层软地层产生台阶力软地层软地层软地层软地层硬地层硬地层硬地层硬地层FaFbFaFb1. 1. 地质因素地质因素以上三因素均与地层倾角有关，可见，以上三因素均与地层倾角有关，可见，是影响井斜的一个关键因素！是影响井斜的一个关键因素！FaFb 1. 地质因素地质因素1.4 1.4 断层断层破碎带疏松不稳定，钻头受力不均、工作不稳造成井斜。1.5 1.5 地应力地应力1.6 1.6 裂缝发育带裂缝发育带 以上因素是影响井斜的客观因素，是不可避免以上因素是影响井斜的客观因素，是不可避免的。除了这类因素外，钻井过程中主观的操作因素的。除了这类因素外，钻井过程中主观的操作因素也是造成井斜的主要原因，而这因素一般可规为钻也是造成井斜的主要原因，而这因素一般可规为钻柱弯曲这一原因柱弯曲这一原因。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基本原理基本原理：P问题问题：下部钻柱何时引起井斜，必须分析下部钻柱何时引起井斜，必须分析：弯曲条件，弯曲情况，防止弯曲的方法钻柱弯曲钻柱弯曲钻头与井眼轴线有一倾角钻头与井眼轴线有一倾角井斜井斜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2.1 垂直井内下部钻柱弯曲对井斜的影响垂直井内下部钻柱弯曲对井斜的影响： 现象现象：钻压为零或在合适的小钻压下：钻柱是直的钻压增至钻压临界值：钻柱发生弯曲。弯曲钻柱与井壁的接触点称为切点，弯曲钻柱使钻头偏离井眼轴线一个角度、称为钻头倾斜角(钻头转角)。PT2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响下部钻柱弯曲对井斜的影响PT：切点处钻柱与井壁相磨刮可能产生切点处钻柱与井壁相磨刮可能产生坍塌坍塌；弯曲钻柱旋转产生交变应力以至弯曲钻柱旋转产生交变应力以至疲劳破坏疲劳破坏；钻头转角使钻头不再垂直向下，可能造成钻头转角使钻头不再垂直向下，可能造成井眼倾斜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 研究内容研究内容：A.A.弯曲条件弯曲条件：钻压过大！什么是产生弯曲的钻压临界值？P.99式6-62. 下部钻柱弯曲对井斜的影响下部钻柱弯曲对井斜的影响B. B. 弯曲情况弯曲情况：弯曲钻柱是什么形状？ 一次弯曲，二次弯曲切点和最大疲劳应力的位置各在何处？P.99式6-5在什么条件下弯曲钻柱中的应力会过载？弯曲钻柱与井壁相互作用力有多大？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一次弯曲，二次弯曲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C. C. 防止方法防止方法：什么条件钻头的倾角有成为最小的可能？如何避免钻柱弯曲？钻柱已发生弯曲时，如何尽量减小坏的影响？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 问题的分析与推导问题的分析与推导基本依据：弯曲微分方程xy2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响下部钻柱弯曲对井斜的影响 研究的结论研究的结论： 钻压低于弯曲临界钻压可钻出直井（不幸的是该钻压太低），如现场采用的吊打措施。 增大钻柱外径、增大钻柱刚度EI可减小钻头倾角，有利于防斜。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2.2 斜井内下部钻柱弯曲对井斜的影响斜井内下部钻柱弯曲对井斜的影响实际钻井实践中，垂直井几乎不存在，一口井或多或少都有一些偏斜，分析斜井内钻柱力学对井斜的影响具有普遍意义。，因此分析钻头上的受力情况可帮助我们了解影响井斜的主要因素。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 斜直井内钻柱的受力斜直井内钻柱的受力分析分析基本假定基本假定：（略）钻柱受力图钻柱受力图：重力W(分解为F与W2),钻头处侧向力FbFfFiPFFdWF2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响下部钻柱弯曲对井斜的影响造斜力造斜力:FfFiPF1FdWF降斜力：降斜力：B当：当：F1F1FdFd时，时，平衡平衡F1FdF1Fd时，时，井斜角增大井斜角增大F1FdF1-达到新的平衡。达到新的平衡。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 钻头上受的力钻头上受的力：在井眼方向在井眼方向：钻压分量钻压分量：Pcos, 由钻柱重量产生在垂直于井眼方向在垂直于井眼方向：造斜力造斜力：F1= 钻压分量地层造斜力 =Fi+Ff=Psin+Ff钟摆力钟摆力： Fd=F/2FfFiPF1FdWFB 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 分析分析：l井斜平衡角主要取决于三个因素井斜平衡角主要取决于三个因素：钻压、钻铤尺寸和井眼尺寸。钻压、钻铤尺寸和井眼尺寸。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l讨论讨论:钻压愈大，钻具的造斜力愈大;井眼与钻具的间隙愈大，可能的弯曲角大，钻具的造斜力愈大;井斜角愈小，钻具的造斜力愈大;钻柱愈轻，钻具的造斜力愈大;切点愈低，钻具的造斜力愈大。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由前面分析可以看出由前面分析可以看出, ,防止井斜可从两方面入手：防止井斜可从两方面入手：FfFiF1FdB 第二节第二节 钟摆钻具控制井斜技术钟摆钻具控制井斜技术1 1、钟摆钻具的工作原理、钟摆钻具的工作原理 利用提高钻铤钟摆力的方法增大钻头上的降斜力。F1FdB 增加降斜力的途径：增大钻柱增大钻柱( (切点以下切点以下) )刚度刚度增大切点高度增加钻铤重量增大切点高度增加钻铤重量增大切点高度的方法：在比切点略高处安装一个稳定器在比切点略高处安装一个稳定器第二节第二节 钟摆钻具控制井斜技术钟摆钻具控制井斜技术二、钟摆钻具稳定器安放位置计算二、钟摆钻具稳定器安放位置计算稳定器位置的正确安放是钟摆钻具技术的关键：l过低：纠斜力偏小，效果差。l过高：稳定器以下可能形成新的切点、使钟摆钻具失效。l理想位置：在保证稳定器以下钻柱不与井壁接触条件下尽可能高。l影响因素：钻铤尺寸、钻压、井眼斜度l计算方法：图表法。P.103图6-13，6-14F1FdB 第二节第二节 钟摆钻具控制井斜技术钟摆钻具控制井斜技术三、钟摆钻具的适用条件三、钟摆钻具的适用条件l不易井斜地区l用于纠斜四、钟摆钻具的特点四、钟摆钻具的特点：在直井无防斜作用在直井无防斜作用第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术一、刚性满眼钻具组成一、刚性满眼钻具组成组成：组成：三个以上稳定器外径较大的钻铤特点：特点：刚性大，填满井眼第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术二、刚性满眼钻具的工作原理二、刚性满眼钻具的工作原理l刚度大，间隙小，稳定器与井壁多点支撑，在大钻压下不易弯曲所造成的井斜，使钻压对井斜影响小。l地层横向力使稳定器顶住井壁而能承受了部分造斜力。l短钻铤的弹性弯曲在钻头上产生抗斜力关键：保证钻铤不发生弯曲，从而防关键：保证钻铤不发生弯曲，从而防止和减小了钻头出现的偏斜止和减小了钻头出现的偏斜第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术1 1）在垂直井眼内）在垂直井眼内作用作用：保持井眼沿垂直方向钻进原理原理：稳定的居中钻柱减少钻柱 弯曲； 近钻头稳定器限制钻头 横向位移和钻头偏转。第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术2 2）在增斜井眼内）在增斜井眼内l作用作用：减缓增斜速度l原理原理：钻头稳定器限制钻头横向位移和偏转；钻头横向位移使短钻铤产生弯矩抗拒弯曲产生弯矩抗拒弯曲。M第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术3 3）在降斜井眼内）在降斜井眼内l作用作用：限制降斜速度l原理原理：钻头稳定器限制钻头横向位移和偏转；短钻铤的弹弹性恢复力性恢复力使降斜减缓。第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术结论结论： 在直井内当地层造斜力不大时可保持直线钻进；在弯曲井(增斜、降斜井)减缓井斜的变化速度，使井眼趋于小曲率的平滑曲线。可施加较大钻压钻进。第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术影响满眼钻具的因素：影响满眼钻具的因素：l间隙间隙：间隙小，不易弯曲，承受造斜力的能力大。l长度长度：总长度大，单段长度小，不易弯；长度与间隙有关。l刚度刚度：刚度大，不易弯。第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术三、满眼钻具的设计和计算三、满眼钻具的设计和计算1.1.设计内容设计内容选择钻铤，确定稳定器的安放位置选择钻铤，确定稳定器的安放位置。后者是关键。第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术2 2、设计要求设计要求（1）小间隙小间隙(满眼)，254mm-.79mm,254-381-1.58mm,381-2.38（2）大刚度大刚度(刚性)，通过增大尺寸获得。（3）足够的支撑足够的支撑（针对不同地层造用不同的扶正条、长度和稳定器类型），防止填埋入地层，增加稳定器数量和长度。（4）适当的钻具长度适当的钻具长度：181827m27m（5）近钻头稳定器近钻头稳定器：（6）短钻铤短钻铤：第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术3 3、稳定器位置计算、稳定器位置计算：l近钻头稳定器近钻头稳定器：直接装在钻头上l上稳定器上稳定器：一般距中稳定器一根钻铤l中稳定器中稳定器：最优位置计算(两种观点)（1）使钻头转角最小（2）使钻头纠钭力最大第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术： 通过分析钻头与中稳定器间钻铤的变形，导出钻头偏角计算方程，再用求极再用求极值方法求使偏角最小时的长度值方法求使偏角最小时的长度。第三节第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术刚性满眼钻具控制井斜技术3 3、稳定器位置计算、稳定器位置计算ABqsinaRARBMPPL建立函数：=f(L)， 求 最小的L值。小结小结1.了解造成井斜的原因2.掌握钟摆钻具控制井斜的工作原理及设计原则3.掌握刚性满眼钻具控制井斜的工作原理及设计原则重点：刚性满眼钻具控制井斜的工作原理及设计原则