[井眼轨道设计与控制]海洋钻井工程

1,海洋钻井工程,李玮博士、副教授Tel-mail:liwei,目录,海上钻井发展状况及环境特点海上钻井装置海上钻井主要系统海底岩石与钻头破岩井眼轨道设计与控制优选参数钻井海洋钻井压力预测与控制海上钻井工艺技术,本章主要内容,一、井眼轨道分类及基本类型二、井眼轨道设计的原则和方法三、钻柱及下部钻具组合设计四、井眼轨道控制理论与技术,3,一、井眼轨道分类及基本类型,定向钻进泥浆马达MWD(measurewithdrilling),钻井井型,钻井目的,预探井详探井评价井生产井调整井,井眼剖面,直井定向井大位移井水平井分支井,井眼轨道,直井：设计井眼轴线为一铅垂线，其井斜角、井底水平位移和全角变化率均在限定范围。,定向井：沿着预先设计的井眼轨道，按既定方向偏离井口垂线一定距离，钻达一定目标的井。,井眼轨道的类型,大位移水平井,多目标水平井,分支水平井,侧钻水平井,阶梯水平井,直井,普通定向井,水平井,长曲率半径,中曲率半径,短曲率半径,时间,井眼轨道的发展过程,石油工业中,定向井起源于19世纪初期的美国,当时引入旋转钻井代替顿钻钻井,并没有考虑控制井眼轨道的问题。井眼测量表明早期的直井实际上是不垂直的。中国的定向井技术开始于1956年。60年代后处于停顿状态。1881年，美国加利福尼亚，在油苗露头处凿入一口直井，然后在油层下面横向掘进一些坑道，再侧向朝油层内钻井眼，最早的分支井雏形。1919年，美国申请了从直井筒侧钻出分支水平井眼的第一个专利。,定向井的发展,1934年，美国用转盘打成一场两井的丛式定向钻井。,定向井的发展,1935年，苏联在马尔丹尼亚油田，用涡轮带弯钻杆打定向井，未成功；1941年，在巴库油田，涡轮钻具钻成第一口定向井。,定向井的发展,1965，1966年，我国分别钻成磨3水平井、巴24水平井，水平位移分别为444.21米和537.26米。由于受当时的技术条件限制，60年代末至70年代末，水平井技术发展迟缓，经济因素受技术约束，低成本的压裂技术。80年代以来，加速发展：多种类型油气藏钻水平井开发试验取得显著成效；现代水平井钻井技术、测试技术，提高了成功率，降低了成本。1988年，钻水平井近200口。,定向井的发展,上个世纪20年代美国开始运用大位移井，20世纪90年代该技术得到迅速发展。1997年6月在中国南海东部钻成的西江24-3-A14井水平位移是8060.7m。1998年1月BP公司在英国WytchFarm油田钻的M11井，测深10658m，垂深1605m，水平位移达10114m，首次突破10000m水平位移大关。1999年，BP公司又在英国WytchFarm油田钻的M16井创出新的世界纪录，测深11278m，垂深1637m，位移10728m。,定向井的发展,定向井,普通定向井：一个井场内仅有1口最大井斜角小于60的定向井。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井段的定向井。大斜度井：最大井斜角在6080范围内的定向井。水平井：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段的井。,定向井的类型,定向井,长曲率半径：6/30m中曲率半径：620/30m水平井中短曲率半径：120/30m短曲率半径：110/m径向水平井：k=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，其中可含1口直井。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。,定向井的类型,本章主要内容,一、基本简介二、井眼轨道设计的原则和方法三、钻柱及下部钻具组合设计四、井眼轨道控制理论与技术,15,井眼轨道的基本要素井眼轨道：表示井眼轴线形状的图形。井底水平位移：井口与井底两点在水平投影面上的直线距离。井眼曲率：单位长度井段井眼轴线的切线所转过的角度。井斜变化率：单位长度井段井斜角变化值。方位变化率：单位长度井段方位角变化值。其它基本要素如下图所示：,基本概念,其它基本要素,三种图示法,柱面图表示法,三维坐标图示法,投影图表示法,井眼轨道的图示法,三维坐标图示法,这种图示法相当于工程制图中的轴侧图。,这种图示法包括两张图，一张是水平投影图，一张是垂直投影图。,投影图表示法,它包括两张图:一张是水平投影图，一张是垂直柱面图。,柱面图表示法,1)直井段:设计井斜角为零度的井段。2)造斜点（）:开始定向造斜的位置称为造斜点。通常以该点的井深来表示。3)造斜率（）: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。4)造(增)斜段:井斜角随井深增加的井段。,井身剖面,5)稳斜段:井斜角保持不变的井段。6)降斜段:井斜角随着井深的增加而减小的井段。7)目标点: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。,井身剖面,8)靶区及靶区半径（sr）: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轨道的一个柱状体。9)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。,井身剖面,1)工具弯角（b）: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（r）: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。反扭角总是使工具面逆时针转动。,井眼轨道水平投影,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。,井眼轨道水平投影,5)工具面角（t）：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。,井眼轨道水平投影,6)装置角（）: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（s）：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。,井眼轨道水平投影,8)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。9)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。,井眼轨道水平投影,井眼轨道的类型,二维井眼轨道,三维井眼轨道,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。,二维井眼轨道由垂直井段、增斜井段、稳斜井段和降斜井段组合而成。,在设计井眼轴线上，既有井斜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和现场待钻修正井眼轨道设计。,井眼轨道的类型,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、降低钻井成本。,设计井眼轨道的原则,(1)造斜点的选择原则1)造斜点的选择在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带、漏失地层2）地层可钻性均匀，不应有硬夹层；3）要满足采油工艺要求；,井眼轨道设计中有关因素的选择,4)垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结构、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。,井眼轨道设计中有关因素的选择,(3)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，因此，应根据具体情况，适当选择井眼曲率。,(2)最大井斜角直井在规定井斜角内；常规井和水平井井斜角小于15时，方位不稳定，因此，最大井斜角应大于15。,井眼轨道设计中有关因素的选择,井眼轨道类型的选择,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。,轨道类型,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、钻井技术水平以及故障提示等；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，并确定造斜率和降斜率的大小；,二维定向井井眼轨道设计方法,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，并做出井身的控制圆柱，即误差范围；7)绘制井眼轨道图，标出安全圆柱。目前常用的设计方法：查图法、作图法、解析法。,二维定向井井眼轨道设计方法,例l:已知总垂深，总平移,造斜点井深和增斜段的增斜率。试设计一三段式剖面。、的单垃均为米，的单位为度/100米。,根据，知增斜段的曲率半径,作图方法和步骤如下：,用作图法设计常规剖面：,解：,(1)作垂直剖面图的坐标O-HA，并截H、A和Hz，找到造斜点a和目标点C。(2)过a点作H轴的垂线aO1截aO1=R1，并以R1为半径、O1为圆心画弧，得圆O1。(3)连接O1C，并以O1C为直径画圆，交圆O1于b点。,用作图法设计常规剖面的步骤,(4)连接bc，则Obc即为设计的三段式井身剖面形状。(5)连接O1b用量角器量度,即得最大井斜角。(6)用直尺量的长度，即为稳斜段长度，b点和c点的垂深和平移也可以用直尺直接量得。(7)增斜段的长度bc。可用一简单公式计算，全井井深。,用作图法设计常规剖面的步骤,例2:欲设计一S形井身剖面。已知条件为，总垂深，总平移造斜点井深，降斜后的稳斜段垂增,降斜后的稳斜段井斜角，增斜段的增斜率和降斜段的降斜率。,根据，知增斜段的曲率半径,根据，知降斜段的曲率半径,用作图法设计常规剖面：,作图方法和步骤如下：,解：,用作图法设计常规剖面的步骤,(1)丛式井位置、数量和井数的确定(2)防止井眼相碰,丛式井总体设计的原则,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。1)井网类型。2)井眼轨道设计。3)井口布置4)造斜点位置5)造斜率与最大井斜角6)钻井次序7)控制安全圆柱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,丛式井总体设计的原则,本章主要内容,一、基本简介二、井眼轨道设计的原则和方法三、钻柱及下部钻具组合设计四、井眼轨道控制理论与技术,46,钻井设备组成,游车,大钩,水龙头,顶部驱动装置,钻铤和扶正器的作用,转盘和方钻杆,顶驱,钻铤,钻杆和起钻,钻柱：是指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、钻铤、接头和稳定器等钻具组成。在钻井过程中，通过钻柱把钻头和地面连接起来。,1)提供钻机到钻头的钻井液通道,即输送钻井液；2)把地面动力传递给钻头并给钻头加压,使钻头破碎岩石；3)起下钻头；4)通过钻柱可以了解钻头工作情况、井眼状况及地层情况等；5)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。,钻柱的主要作用,(一)常用钻井工具,钻具是钻井工具的简称,常用钻具包括钻头、钻铤、稳定器、减振器、震击器、加重钻杆、钻杆、方钻杆、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,1、钻柱的工作状态起下钻：钻柱不接触井底，钻柱处于悬持状态，在自重作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。正常钻进：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。,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，发生弯曲，并在某一点与井壁接触，称为钻柱的第一次弯曲；如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，这是钻柱的第二次弯曲。如果继续增大钻压，则会出现第三次弯曲。正常钻进过程中，钻柱处于不停的旋转状态，钻柱旋转运动的可能形式：自转、公转、公转+自转、不规则运动。,2、钻柱的受力分析及计算,不同的工作条件、不同部位，钻柱受载荷不同：,拉、压扭矩弯矩内外压力,钻柱的受力分析及计算,钻柱轴向载荷,钻柱重量钻井液浮力钻压与井壁摩擦,1）轴向载荷包括稳态载荷和动态载荷，一般除振动严重外，忽略动态。,钻柱的受力分析及计算,（A）,中和点：轴向应力线与静液柱压力的交点。此点的静液柱压力等于钻柱中压缩应力。,中和点位置可以由钻压W除以单位长度浮重来确定。,钻柱的受力分析及计算,钻进过程中钻柱轴向载荷：,Wpt为任意截面处轴向载荷；Wp为该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L，则,对于井口处：,钻柱的平均应力：,钻柱的受力分析及计算,转盘钻进时，钻柱扭矩在井口处最大，钻头处最小。采用井下动力钻具时，钻头施加给钻柱反扭矩，扭矩在钻头处最大，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，钻柱所受的扭矩取决于转盘传给钻柱的功率：,2）扭矩,钻柱的受力分析及计算,正常钻进时，N的大小与钻头类型及直径、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素有关，可以用经验公式确定。,刮刀钻头钻进：,式中：N空转钻柱空转功率，kW；钻井液密度，N/m3；de钻柱外径，cm；L钻柱长度，m；n转速，r/min。W钻压，N；Db钻头直径，cm。,钻柱的受力分析及计算,牙轮钻头钻进：,C为经验系数，与岩性、钻井液性质、井眼清洁程度、钻头磨损等有关。一般取：0.350.6。,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旋转动能,钻柱的受力分析及计算,变形位能：,最大扭矩：,被卡时：,直井中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，一般下部弯曲应力大。,3）钻柱弯矩,钻柱的受力分析及计算,在弯曲井眼中，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。,内外压力作用下产生径向应力和周向应力,4)内外压力,钻柱的受力分析及计算,5）其它力的作用,离心力纵向振动横向振动动载钻柱与井壁的正压力和摩擦力,钻柱的受力分析及计算,3.钻柱强度及稳定性校核,1）强度校核,钻柱所受的四种主要载荷,最大应力应满足：,2)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于一定值时，钻柱为直线稳定状态；当轴向压力大于一定值时，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，钻柱应力增大。钻柱失稳及形式可用下列式子计算分析。,1）强度校核,钻柱强度及稳定性校核,未失稳,正弦屈曲,螺旋屈曲,2)稳定性校核,钻柱强度及稳定性校核,1）钻柱的物理机械性能(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。在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，其机械物理性能见有关手册或API公报。,4、钻柱的破坏,(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、名义重量、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。具体数据请查阅有关册或API公报。2）钻柱的破坏统计资料说明，绝大多数钻柱的损坏有下述几种情况：(1)钻柱的疲劳破坏疲劳破坏有三种形式：纯疲劳、伤痕疲劳和腐蚀疲劳。(2)钻杆的氢脆破坏,钻柱的破坏,设计内容,钻铤的确定,内、外径，内小、外大，受井径限制、钻井液流动限制，长度满足钻压要求。,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。,钻杆的确定,钻铤的安放位置,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、满眼结构。钻井斜大或水平井：钻铤放在井斜较小的井段，大斜度井段或水平井段则在承压钻杆与下部钻具连接。,5、钻柱组合设计,钻井中常用的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。,6、下部钻具组合设计方法,1）设计原则下部钻具组合设计的原则是:a.有效地钻出设计的井眼轨道；b.钻头、马达和测量系统工作稳定性高，能加较大钻压，有利于提高钻速；c.具有较高的强度和寿命；d.便于安装和起下。,下部钻具组合设计方法,2）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。常用组合：钻头+近钻头稳定器+短钻铤=稳定器+单根钻铤+稳定器+钻铤+钻杆,下部钻具组合设计方法,3）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。降斜钻具一般采用钟摆钻具组合，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角大小，设计钻头与稳定器之间的距离，便可以改变钟摆力的大小。,下部钻具组合设计方法,4）造斜钻具和增斜钻具造斜钻具用于从直井段沿一定方位钻出斜井段。增斜钻具用于增加井段待钻部分的井斜角。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）。所有的造斜钻具都可作为增斜钻具使用。,下部钻具组合设计方法,普通的增斜钻具指转盘钻增斜钻具。它是利用杠杆原理设计的，一般采用双稳定器或三稳定器钻具组合。它有一个近钻头足尺寸稳定器为支点，第二个稳定器与钻头之间的距离应根据两稳定器之间钻铤的刚性和要求的增斜率大小而定，一般距离较长。5）几何导向钻井系统几何导向钻井系统由钻头、导向马达、无线随钻测斜仪和地面计算机系统组成。它的主要特点为不需要起下钻就可以连续地完成造斜、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沿设计轨道钻进。,下部钻具组合设计方法,6）地质导向钻井系统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。它的主要特点为为不需要起下钻就可以连续地完成造斜、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，并且可以随时测得地层参数，以便及时休修改地质设计和井眼轨道。,下部钻具组合设计方法,本章主要内容,一、基本简介二、井眼轨道设计的原则和方法三、钻柱及下部钻具组合设计四、井眼轨道控制理论与技术,81,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。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。,四、井眼轨道控制理论与技术,操作原因：,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使钻头偏斜导致井斜。,井斜原因,地质条件：,技术原因：,由于所钻地层的倾角和非均质性使钻头受力不平衡。,即使有性能良好的防斜钻具，也会因操作不当而造成井斜。,(一)、直井井斜及控制,地层倾角、层状地层、各向异性、岩性软硬交错、断层。最主要的作用是地层倾角，其它诸因素对井斜的作用都与地层倾角紧密相关。当地层倾角小于45时,井眼一般沿上倾方向偏斜；当地层倾角大于60时，井眼将顺着地层面下滑发生偏斜；在4560之间不稳定。,1、地质条件,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。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。所以：地层倾角大，成层性越强，钻压越大，井斜越大。,1)层状地层对井斜的影响,1、地质条件,2）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，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。,1、地质条件,3）岩性交错变化对井斜的影响（1）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，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，井眼向上倾侧偏斜。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。将产生弯矩扭转钻钻头，使其向上倾方向倾斜。,1、地质条件,（2）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，在硬地层一侧留下一个台肩，迫使钻头回到上倾方向。,1、地质条件,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线，且一般情况下是使井眼向上倾方向发生偏斜。,1、地质条件,式中：,可以推出该地层造斜力：,由于钻柱失稳而发生弯曲，钻头及相邻连接部分钻柱的中心轴线偏离井眼轴线，从而使钻头偏离一角度（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。,显然：越大，井斜越大。,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,讨论：1）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，钻头倾角也越大。2）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。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。,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。假设：（1）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。（3）钻头由于受力情况不同，可自由地向任一方向切割。,(二)斜井内钻柱的受力分析,(二)斜井内钻柱的受力分析,钻压钟摆力地层造斜力,作用在钻头上的力：,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。因此钻压可分解为与井眼轴线相平行的力Wo和与井眼相垂直的力Fi。,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,1、钻压,2、钟摆力,井内切点以下的重量Wp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侧岩石，使井眼恢复垂直状态，所以，为一减斜力。,Ff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）。钻头上作用的力：,造斜力降斜力,3、地层造斜力,（1）当F1=Fd时，平衡，保持原井斜角；（2）当F1Fd时，增大，此时，Fd也增大，达到一个新的大于平衡井斜角；（3）当F1Fd时，减小，达到一个小于的新平衡角。,在直井防斜方面提出了：,钟摆钻具,偏重钻铤,刚性满眼钻具,各向异性地层中的平衡角数值主要取决于三个因素：钻压、钻铤尺寸和井眼尺寸。,讨论：,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，主要有两方面原因：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生弯曲。,(三)井斜原因分析,(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。,下部钻具力学分析,下部钻具力学分析,(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