【正文】 壁厚、名義重量、材質(zhì)、扭力屈服強度、按最小屈服強度計算的最小抗 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 統(tǒng)計資料說明 ， 絕大多數(shù)鉆柱的損壞有下述幾種情況： （ 1） 疲勞破壞有 三種形式：純疲勞 、 傷痕疲勞和腐蝕疲勞 。 （ 2） 鉆桿的氫脆破壞 2）鉆柱的破壞 拉力、最小抗擠壓力、抗內(nèi)壓力等；鉆鋌規(guī)范數(shù)據(jù)主要包括外徑、內(nèi)徑、長度、質(zhì)量、緊扣扭矩等。具體數(shù)據(jù)請查閱有關冊或 API公報。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 鉆柱組合設計 設計內(nèi)容 鉆鋌的確定 內(nèi)、外徑，內(nèi)小、外大，受井徑限制、鉆井 液流動限制，長度滿足鉆壓要求。 強度足夠，鉆進不斷，盡量保證鉆井液正常循環(huán)減少能量損耗。 鉆桿的確定 鉆鋌的安放位置 井斜?。禾峁┿@壓的鉆鋌安放在鉆具下部，鉆具上部采用鐘擺、塔式、滿眼結構。鉆井斜大或水平井：鉆鋌放在井斜較小的井段，大斜度井段或水平井段則在承壓鉆桿與下部鉆具連接。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 下部鉆具組合設計方法 1） 設計原則 下部鉆具組合設計的 原則 是 : a. 、 馬達和測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高 ， 能加較大鉆壓 ， ； 。 鉆井中常用的鉆具組合中包括 穩(wěn)斜鉆具 、 降斜鉆具 、防斜鉆具 、 造斜鉆具 、 增斜鉆具 、 幾何導向鉆井系統(tǒng)和地質(zhì)導向鉆井系統(tǒng) 等 。 下部鉆具結構如圖 36所示 。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 2） 穩(wěn)斜鉆具 保持井斜角和方位角不變 。 穩(wěn)斜鉆具是采用剛性滿眼鉆具結構 ， 通過增大下部鉆具組合的剛性 ， 控制下部鉆具組合在外力作用下的變形達到穩(wěn)定井斜和方位的效果 。 常用組合： 鉆頭 +近鉆頭穩(wěn)定器 +短鉆鋌 =穩(wěn)定器 +單根鉆鋌 +穩(wěn)定器 +鉆鋌 +鉆桿 3） 降斜鉆具和防斜鉆具 降斜鉆具用于定向井中降低井眼軌道的井斜角 。防斜鉆具用于直井中抑制和防止井斜的產(chǎn)生 。 降斜鉆具一般采用 鐘擺鉆具組合 ， 利用鉆具自身的重力產(chǎn)生的鐘擺力實現(xiàn)降斜 。 根據(jù)設計井眼軌道要求的井斜角大小 ， 設計鉆頭與穩(wěn)定器之間的距離 ， 便可以改變鐘擺力的大小 。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 4） 造斜鉆具和增斜鉆具 造斜鉆具用于從直井段沿一定方位鉆出斜井段 。 增斜鉆具用于增加井段待鉆部分的井斜角 。 常用的造斜鉆具組合為： 彎接頭 +井下動力鉆具 、各種彎外殼井下動力鉆具 （ 包括導向鉆井系統(tǒng) ） 。 所有的造斜鉆具都可作為增斜鉆具使用 。 普通的增斜鉆具指轉(zhuǎn)盤鉆增斜鉆具 。 它是利用杠桿原理設計的 ， 一般采用雙穩(wěn)定器或三穩(wěn)定器鉆具組合 。它有一個近鉆頭足尺寸穩(wěn)定器為支點 ， 第二個穩(wěn)定器與鉆頭之間的距離應根據(jù)兩穩(wěn)定器之間鉆鋌的剛性和要求的增斜率大小而定 ， 一般距離較長 。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 5） 幾何導向鉆井系統(tǒng) 幾何導向鉆井系統(tǒng)由鉆頭 、 導向馬達 、 無線隨鉆測斜儀和地面計算機系統(tǒng)組成 。 它的 主要特點 為不需要起下鉆就可以連續(xù)地完成造斜 、 增斜 、 降斜 、 扭方位 、 穩(wěn)斜鉆進 ， 有利于提高鉆進速度和控制井眼軌道沿設計軌道鉆進 。 6） 地質(zhì)導向鉆井系統(tǒng) 地質(zhì)導向鉆井系統(tǒng)由鉆頭 、 導向馬達 、 無線隨鉆測井儀 、 無線隨鉆測斜儀和地面計算機系統(tǒng)組成 。 它的 主要特點 為為不需要起下鉆就可以連續(xù)地完成造斜 、 增斜 、降斜 、 扭方位 、 穩(wěn)斜鉆進 ， 有利于提高鉆進速度和控制井眼軌道 ， 并且可以隨時測得地層參數(shù) ， 以便及時休修改地質(zhì)設計和井眼軌道 。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術 井眼軌道控制是鉆井工作中的一項重要工作 。 在石油開發(fā)的早期 ， 對井眼軌道控制并不嚴格 。 本世紀 20年代末期 ， 人們發(fā)現(xiàn)了鉆井過程中井眼彎曲問題并認識到要鉆絕對直的井是不可能的 ， 并逐漸認識到了井斜的危害 。 40年代末至 50年代初期 ， 防斜成為鉆井技術領域所關注的問題 。 后來 ， 利用井斜鉆成了定向井 、 水平井和叢式井解決了許多油田開發(fā)中的難題并取得了良好的經(jīng)濟效益 。 從防斜打直 、 造斜 、 增斜 、 穩(wěn)斜到降斜 ， 井眼軌道控制研究取得了一系列重要成果 。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 操作原因： 下部鉆具的工作狀態(tài)對井斜影響很大，當下部鉆具受壓產(chǎn)生彎曲就會使鉆頭偏斜導致井斜。 井斜原因 地質(zhì)條件： 技術原因： 由于所鉆地層的傾角和非均質(zhì)性使鉆頭受力不平衡 。 即使有性能良好的防斜鉆具，也會因操作不當而造成井斜。 一、直井井斜及控制 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 地質(zhì)條件 地層傾角、層狀地層、各向異性、巖性軟 —硬交錯、斷層 最主要的作用是地層傾角 ， 其它諸因素對井斜的作用都與地層傾角緊密相關 。 當?shù)貙觾A角小于 45176。 時 ,井眼一般沿上傾方向偏斜； 當?shù)貙觾A角大于 60176。 時 ， 井眼將順著地層面下滑發(fā)生偏斜； 在 45176。 ~60176。 之間不穩(wěn)定 。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 鉆頭在傾斜的層狀地層中鉆進時 ，當鉆至每個層面交界處時 ， 此處巖層不能長時間支持所加鉆壓而趨向沿垂直層面發(fā)生破碎 。 在井眼上傾一側的小斜臺很容易鉆掉 。 相反 ， 在井眼下傾一側卻留有一個小斜臺；它就像小變向器作用一樣 ， 對鉆頭施加一個橫向力 ， 把鉆頭推向上傾一側 ， 從而引起井斜 。 逐層鉆進時 ， 斜臺大 ， 井斜增長快 。 所以： 地層傾角大 ， 成層性越強 ， 鉆壓越大 ， 井斜越大 。 1) 層狀地層對井斜的影響 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 2）地層各向異性對井斜的影響 由于巖層的成層狀況 、 層理 、 節(jié)理 、 紋理以及巖石的成分 、 結構 、 膠結物 、 顆粒大小等因素造成巖層在不同方向上的強度不同 ， 一般來說垂直地層層面的強度較小 ， 鉆進時鉆頭將沿著這個破碎阻力最小的方向傾斜 。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute A B 軟 硬 3）巖性交錯變化對井斜的影響 （ 1）鉆頭從軟地層進入硬地層時 鉆頭在上傾側先接觸到硬巖石，在下傾側仍為軟巖石。這樣在鉆壓作用下，由于上傾側巖石的硬度大，可鉆性差，鉆頭吃入地層少，鉆速慢，而在下傾側，可鉆性好，吃入地層多，鉆速快，因此，井眼向上傾側偏斜。 此外，鉆頭兩側受力不均勻，上傾側井底反力的合力比下傾側大。將產(chǎn)生彎矩扭轉(zhuǎn)鉆鉆頭，使其向上傾方向傾斜。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute A B 軟 硬 （ 2）鉆頭由硬地層進入軟地層時 開始時由于鉆頭在軟地層一側吃入多，鉆速卡，而在硬地層一側吃入少，鉆速慢，井眼有向地層下傾方向傾斜的趨勢。但當鉆頭快鉆出硬地層時，此處巖石不能再支撐鉆頭的中負荷，巖石將沿著垂直于層面方向發(fā)生破碎，在硬地層一側留下一個臺肩，迫使鉆頭回到上傾方向。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 上述分析說明，地質(zhì)條件對井斜角的影響，主要是通過地層作用于鉆頭一個橫向造斜力，使鉆頭偏離原井眼軸線，且一般情況下是使井眼向上傾方向發(fā)生偏斜。 可以推出該 地層造斜力 ： 討論： 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 下部鉆柱彎曲對井斜的影響 由于鉆柱時穩(wěn)而發(fā)生彎曲，鉆頭及相鄰連接部分鉆柱的中心軸線偏離井眼軸線，從而使鉆頭偏離一角度 β （稱為鉆頭傾角）。鉆頭槍械后對井底形成了不對稱切削，這是產(chǎn)生井斜的重要因素。 β 顯然： β越大，井斜越大。 討論： 1） 鉆壓下于發(fā)生彎曲的臨界鉆壓時，鉆柱是直的，鉆鋌無傾斜現(xiàn)象；當鉆壓達到彎曲臨界鉆壓時，鉆柱發(fā)生彎曲，產(chǎn)生鉆頭傾角。如果鉆壓繼續(xù)增大、則切點下降，鉆頭傾角也越大。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 2） 鉆頭直徑一定，井徑越大，鉆柱越細、則鉆鋌與井眼的間隙越大，因而鉆頭的傾角越大、井越容易鉆斜。所以從防斜角度，應選用直徑大、剛性大的鉆鋌，并盡量減小下部鉆柱與井眼的間隙，以減少鉆頭傾角。 二、斜井內(nèi)鉆柱的受力分析 斜井井眼的斜度是增大還是減小或是保持某個平衡角度，取決于鉆頭的受力情況。 假設： （ 1） 鉆頭可以象球窩一樣自由轉(zhuǎn)動，但其橫向運動受到約束。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute （ 2） 鉆鋌穩(wěn)定地靠在井的低邊。 （ 3） 鉆頭由于受力情況不同，可自由地向任一方向切割。 β W α T Ff Fi Wp Fd 鉆壓 鐘擺力 地層造斜力 作用在鉆頭上的力 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 鉆壓 由于鉆柱彎曲 ， 鉆壓不是沿著井眼軸線方向施加給鉆頭 ， 而是偏離一個角度 β 。 因此鉆壓可分解為與井眼軸線相平行的力 Wo和與井眼相垂直的力 Fi 使鉆頭偏離井眼，造成井斜，為增斜力 沿井眼軸向繼續(xù)鉆進，對井斜無影響 鐘擺力 井內(nèi)切點以下的重量 Wp勢必在垂直于井壁方向產(chǎn)生一個分力 。 此力與鐘擺作用相似 ， 將驅(qū)使鉆頭破碎井眼低側巖石 ， 使井眼恢復垂直狀態(tài) ， 所以 ， 為一減斜力 。 第三章 2022 版權所有 CopyrightDQPI 夏慧芬 Daqing Petroleum Institute 地層造斜力 Ff取決于地層傾角和各向異性等因素，多數(shù)情況下增