钻井工程-11-防斜VIP

直井防斜技术井斜的危害：1、在地质勘探方面：造成地质资料失真，打乱合理的地下井网和开发方案。2、在钻井施工方面：恶化钻柱工作条件，易造成井壁坍塌和卡钻，易造成固井下套管困难和注水泥窜槽，纠斜侧钻增加成本。3、在开发采油方面：影响分层开采，影响修井工作，影响采收率（死油区）。,一、井斜的原因地质因素、钻具因素、井眼扩大、钻压等。1、地质因素地层倾斜和地层可钻性不均匀两个方面（1）地层可钻性各向异性因素沉积岩特性：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。地层倾角小于45度时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层倾角超过60度时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地层倾角在4560度之间时，井斜方向属不稳定状态。,图512地层可钻性的各向异性导致井斜,（2）地层可钻性的纵向变化地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向,2、钻具因素主要原因是钻具的倾斜和弯曲：引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削；使钻头受侧向力作用，产生侧向切削。“底部钻具组合”（BottomHoleAssembly）,简称BHA导致钻具倾斜和弯曲的原因：钻具和井眼有一定的空隙钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲钻具本身的弯曲，转盘安装不平、井加安装不正等。3、井眼扩大钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。,（3）地层可钻性的横向变化垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另一侧则钻遇较致密的地层。,钻柱的弯曲位置示意图,1、钻压（BitWeight）：由于钻铤弯曲，钻压不沿井眼轴线方向施加给钻头，而是偏离一个角度（钻头倾角）。在这种情况下，钻压可一分解成两个力：即：一个沿原来井眼轴线方向的钻压分力W0。一个垂直于井眼轴线的分力（增井斜力）Fi。大小为W0=WCos；Fi=WSin（3-1）式中：Fi钻头偏离原井眼轴线造成井斜的增井斜力。,6,2、钟摆力（pendulumForce）:井斜后，斜井内钻柱与下井壁形成切点，以下的钻柱的重量W势必在垂直于井壁的方向上产生一个横向分力FH。该横向力与钟摆作用相似，它使钻头破碎井眼低侧岩石，,7,3、地层造斜力（DeflectingForceoftheFormation）：地层造斜力取决于地层倾角、地层的各向异性。在大多数情况下它起增斜作用。也有可能起降斜作用（当钻水平地层时）。综合上述各力的作用，在钻头上作用有一对相互矛盾的力，即：增井斜力和降井斜力，Fi=WSin+Ff；FdWSin/2。,使井眼恢复垂直状态。按几何重心概念，重心应落在切点以下钻铤长度的1/3处。为简便计算，Fd的大小为FdWSin/2（3-2）,4、平衡井斜角概念（在上述两种力的作用下）1）、当Fi=Fd时，保持原井斜角方向钻进；2）、当FiFd时，井斜角增大，同时，钟摆力也增大。所以井眼将达到一个大于原井斜角（）的新的平衡角。3）、当FiFd时，井斜角减小，井眼将达到一个小于原井斜角（）的新的平衡角。,5、影响井斜平衡角的因素在各向同性地层中，井斜平衡角的数值主要取决于钻压、钻铤尺寸和井眼尺寸。因为钻压增加，钻铤弯曲程度加大（即钻头倾角加大），切点下移；结果增井斜力变大，切点以下钻铤重量减小，减井斜力变小。因此为增大减斜力，往往在切点位置以上适当位置加稳定器，需用钻头侧向力理论模型进行计算分析,以实现防斜作用。（例如：1962、霍奇公式；四川管局杨勋尧的满眼钻具），,8,式中：C井眼和稳定器（外径）之差，（mm）；qm单位钻铤长度重量，（kg/m）；a钻头到中稳定器的距离与至下稳定器距离的比；,二、满眼钻具组合控制井斜由钻具引起井斜的原因可归结为：钻头对井底的不对称切削。钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜钻头上侧力导致对井底的侧向切削。解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即：满眼钻具组合基本原理：增大下部钻具的尺寸和刚度，近似“填满井眼”，防止钻柱弯曲和倾斜。方法：在下部钻具适当位置上安34个扶正器。扶正器尺寸：,1、YXY组合的结构近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器等。作用：近扶正器：抵抗侧向力、防止侧向切削和不对称切削中扶正器：保证中扶正器和钻头之间的钻具不发生弯曲，其安放位置需要格计算。上扶正器：保证钻具上至少有三个稳定点与井壁接触，从而保证井眼的直线性，距中扶1钻铤单根。第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。,稳定器的位置如：四川管杨勋尧的受纵横弯曲等截面梁、60年代Hoch的能量法（即用弹性变形、纵横弯曲梁应力-应变理论）法等。下面以杨勋尧法为例说明确定稳定器的方法，如图（3-4、5）所示。,22,23,1、杨勋尧法基本观点或思路：杨勋尧总工程师指出：造成井斜的原因是：一是由于下部钻柱弯曲和倾斜、使钻头中心线偏离了井眼中心线，所钻出的井眼轴线偏离原井眼轴线。图（3-4b）中的钻头倾角以角表示的。二是由于钻柱上部受到横向造斜力（来自地层的造斜力、钻具的弹性力、钻压的分量、钻具的自重和钟摆力），,因此钻头的综合倾角z=+。由此可知：当z0时,井眼增斜；z0时，井眼降斜；z=0时，钻头倾角与附加偏斜角互相抵消，井眼稳斜。从防斜角度来看，采用这种方法的知道思想是：通过分别控制钻头倾倾角，附加偏斜角；使和达到最小。,23,2、稳定器位置的确定方法1）、近钻头稳定器的安放位置：在杨勋尧的满眼钻具组合,第一个稳定器成为近钻头稳定器（NearbitStabilizer），直接安装在钻头接头上；它即可以抵抗钻头上所承受的（地层）造斜力（或横向力），又可限制钻头对井壁的横向切削作用（横向移动），见图（3-4a），也就是限制了钻头的附加偏斜角。,24,2）、中稳定器理想位置的确定：为了分析中稳定器的理想高度，必须研究钻头与中稳定器之间一段钻铤的变形，当不考虑近钻头稳定器的影响，仅将其看成是一等截面梁时，可建立如图（3-4b）所示的力学模型。按一般处理方法，可把钻头（A）点模拟成绞支。考虑到在中稳定器以上还要安装一个到两个稳定器，以防止和减轻中稳定器以上钻铤的弯曲及其对钻头偏斜的影响，有时也考虑稳定器的刚度以及它在满眼钻井条件下的工作状态。,基本物理模型：一端固定，一端铰支的纵横弯曲梁。钻头方向与井眼轴线的偏移角：增大，减小，增大，减小，增大，减小存在一个最优的可使最小。,（1）、钻头处（A点）的偏斜角z=+。q=L3cqmcSin()/（48EI(1-)（3-10a）,25,把中稳定器（B）点模拟成固定端。实际上是把该力学模型看承是一个一端固定、一端绞支的、简单的纵横弯曲梁模型。由材料力学知识，可有：,其中：=Wb/Pk=WbL3c/（2EI）（3-10b）式中：井斜角；EI钻铤的抗弯刚度；支坐系数，此模型取2/3；Wb与Lc段钻铤临界钻压（轴载Pk）的比值。,将式（3-10b）代入（3-10a），得钻头处q的表达式,q,（2）、因稳定器井眼存在间隙C，C使钻头处产生的偏转角c大小为：cC/Lc（3-10d）式中：C稳定器外径井径差的一半，C=（Dhdc）/2。,26,显然，将起叠加后，得钻头处的总偏斜角z,（3）、只要对（3-10e）式进行微分，：dz/dLc=0，可得确定中稳定器理想位置的代数方程。,（4）、如果令：x=L2上式可简化为：Ax3+Bx2+Cx+D=0（3-11b）解（3-11b）式得满足钻头总偏斜角最小的理想高度Lop。,27,3、计算结果简单分析实际计算结果表明：钻铤尺寸、稳定器与井眼之间的间隙以及井斜角对以及井斜角对中稳定器的理想位置（高度）的影响较大，而钻压的变化对中稳定器的理想位置影响却很小。原因在于：,1）、实际钻压Wb要比L段钻铤的临界钻压Pk小的多（要小好多倍）。2）、钻铤的抗弯刚度越大，中稳定器以下钻铤长度越短，Pk也越大；3）、钻压影响也越小（即Wb/Pk比值很小）。所以钻压,对钻头偏斜角的影响就很小了。,28,为计算方便，一般不考虑Wb的影响。令Wb=0或Wb/Pk=0时，由（3-11a）式可导出计算Lop（理论最优高度：Lop=16CEI/(qmcSin)1/4（3-11c）,表（3-1）给出了常用两种尺寸钻铤（当C=0.5mm）时中稳定器理想高度的计算值。,中扶距钻头的最优长度，m;扶正器与井眼的半间隙，m;井眼直井，m；扶正器外径，m;钻铤钢材的杨式模量，钻铤的截面的轴惯性矩，钻铤在钻井液中的线重，KN/m;允许的最大井斜角，（）,例题：已知钻头直径216mm,扶正器直径215mm，钻铤钢材杨式模量，钻铤外径178mm,内径71.4mm,钻井液密度，钻铤线重1.6KN/m，允许的最大井斜角3度，求中扶距钻头的最优长度。解：根据给定条件，可求得：,二、满眼钻具组合控制井斜3、满眼钻具组合的使用（1）只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。不能纠斜。（2）“以快保满，以满保直”。间隙对满眼钻具组合性能够影响显著。设计间隙一般为当间隙达到或超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正器。在井径扩大井段不适用。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。（3）不宜在井眼曲率大的井段使用，防止卡钻。（4）在钻进软硬交错时，或倾角较大的地层时，要注意适当减小钻压，勤划眼，以便消除可能出现的“狗腿”。（5）为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有3个稳定点，即：至少要按3个稳定器。,三、钟摆组合控制井斜1、钟摆钻具组合的原理在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当发生井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该扶正器以下的钻柱就好像一个钟摆，产生一个钟摆力，钻头在此钟摆力的作用下切削井壁。从而使新钻的井眼不断降斜。,三、钟摆组合控制井斜2、YXY钟摆钻具组合设计钻头上的钟摆力：可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算：钻压，KN；井径，m;钻铤直径，m;,考虑到扶正器磨损和井径扩大，使用距离比计算距离适当小。,三、钟摆组合控制井斜2、钟摆钻具组合使用（1）多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用。（2）其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大，钟摆力减小。使用时必须严格控制钻压。（3）只能使用小钻压“吊打”。如果使用大钻压，可能形成新的支点。（4）不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿”。（5）间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。,四、其它直井防斜技术1、塔式钻具（钟摆钻具）2、偏心钻铤（形成公转和钟摆力）3、方钻铤（满眼钻具组合）4、钻铤偏心短节（形成钻铤公转）5、微机控制自动垂直钻井系统（VDS）,PowerV整体实效图,BiasUnit机械偏置单元,ControlUnit电子控制单元,PowerV整体组合示意图,上/下转子、上/下扭矩仪、陀螺、传感器模块组、通讯控制模块组、存储器控制引鞋、发射天线等,三个推力扳及活塞、控制阀、控制轴、泥浆分流器、泥浆导向器、,PowerV机械偏置单元BU,PowerV入井前实际照片,PowerV推力扳伸/缩示意图,Pad开,Pad关,PowerV降斜原理,推力扳Pad伸出，推顶上井壁,从而使钻头产生一个指向下井壁的侧向力,扶正器支点,PowerV的导向控制阀,PowerV的电子控制单元CU,PowerV的电子控制单元CU,PowerV导向控制图,81个命令可编辑存储在CU内通过排量可改变设置,Po