钻井-井斜控制

1、钻井-井斜及其控制,概述 第一节 井斜的原因 第二节 钟摆钻具控制井斜技术 第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术 小结,概述,一、井斜概念 井斜指实钻井眼对设计铅垂井眼的偏离,概述,二、井斜的危害 勘探： 开发： 钻井工程,概述,二、井斜的危害 勘探,地质资料失真； 错过油气层； 测井困难,概述,二、井斜的危害 开发,打乱布井影响开发方案； 下封隔器、及其座封困难； 影响分层开采、注水开采等作业； 加剧抽油杆与油管间磨损； 下电潜泵困难,概述,二、井斜的危害 钻井工程,键槽卡钻、起下钻遇阻、井壁坍塌； 钻柱磨损套管； 钻柱疲劳破坏 钻杆接头产生热龟裂损坏； 下套管困难、套管不居中、影响固井（顶替）

2、质量,概述,三、井斜的度量指标 井斜角 井底水平位移 井斜变化率 方位角 方位变化率 井斜平面 方位平面,N,O,O,概述,三、井斜的度量指标 井斜角 井底水平位移 井斜变化率 方位角 方位变化率 井斜平面 方位平面,N,O,O,定义： 井眼轴线的切线与铅垂直线之间的夹角,概述,三、井斜的度量指标 井斜角 井底水平位移 井斜变化率 方位角 方位变化率 井斜平面 方位平面,N,O,O,定义： 井底在水平面上偏离原井口的大小OB,B,A,概述,三、井斜的度量指标 井斜角 井底水平位移 井斜变化率 方位角 方位变化率 井斜平面 方位平面,N,O,O,定义： 单位长度内井斜角的变化值, /L,B,A,

3、概述,三、井斜的度量指标 井斜角 井底水平位移 井斜变化率 方位角 方位变化率 井斜平面 方位平面,N,O,O,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,B,A,概述,三、井斜的度量指标 井斜角 井底水平位移 井斜变化率 方位角 方位变化率 井斜平面 方位平面,N,O,O,定义： 单位长度内方位角的变化值, /L,B,A,概述,三、井斜的度量指标 井斜角 井底水平位移 井斜变化率 方位角 方位变化率 井斜平面 方位平面,N,O,O,定义：OAB平面,B,A,概述,三、井斜的度量指标 井斜角 井底水平位移 井斜变化率 方位角 方位变化率 井斜平面 方位平面,N,O,O,定义：

4、水平平面,B,A,第一节 井斜的原因,井斜原因,1. 地质因素 2. 下部钻具组合及其工作状态 3. 钻头类型 4. 操作因素,1. 地质因素,1.1 层状地层 1.2 地层各向异性 1.3 岩性交替变化 1.4 断层 1.5 地应力 1.6 裂缝发育带,1. 地质因素,1.1 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. 地质因素,1.2 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

5、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 Vt3,1,2,3,1,2,3,1. 地质因素,1.3 岩性交替变化 井斜方向：上倾 影响机理： 由软地层硬地层 硬地层支撑，软地层吃入钻进快，偏转力矩造成井斜。 由硬地层软地层 产生台阶力,软地层,软地层,硬地层,硬地层,Fa,Fb,Fa,Fb,1. 地质因素,以上三因素均与地层倾角有关，可见，地层倾角是影响井斜的一个关键因素,Fa,Fb,1. 地质因素,1.4 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 地应力 1.6 裂缝发育带,以上

6、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,2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响,基本原理,P,问题： 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,2. 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： 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,P,T,2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响,P,T,危害： 切点处钻柱与井

7、壁相磨刮可能产生坍塌； 弯曲钻柱旋转产生交变应力以至疲劳破坏； 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,研究内容： A.弯曲条件： 钻压过大！ 什么是产生弯曲的钻压临界值？P.99式6-6,2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响,B. 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,一次弯曲，二次弯曲,2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响,C. 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？

8、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,问题的分析与推导 基本依据：弯曲微分方程,x,y,2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响,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,2.2 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。 造成井斜的原因是由于钻头受到一附加的造斜力的作用，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

9、部钻柱弯曲对井斜的影响,斜直井内钻柱的受力分析 基本假定：（略） 钻柱受力图： 重力W(分解为F与W2), 钻头处侧向力Fb,T,2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响,造斜力,降斜力,B,当： F1Fd时，平衡 F1Fd时，井斜角增大 F1达到新的平衡,2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响,钻头上受的力： 在井眼方向： 钻压分量：Pcos,由钻柱重量产生 在垂直于井眼方向： 造斜力：F1=钻压分量地层造斜力 =Fi+Ff=Psin+Ff 钟摆力： Fd=F/2,B,2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响,分析： 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,2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响,讨论: 钻压愈

10、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,愈大,愈大,愈大,愈大,愈大,2. 下部钻柱弯曲对井斜的影响,由前面分析可以看出, 防止井斜可从两方面入手,T,Ff,Fi,F1,Fd,B,1、提高钻头上的防斜力 2、降低钻头上产生的增斜力,第二节 钟摆钻具控制井斜技术,1、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,T,F1,Fd,B,增加降斜力的途径： 增大钻柱(切点以下)刚度 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

11、定器,第二节 钟摆钻具控制井斜技术,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： 过低：纠斜力偏小，效果差。 过高：稳定器以下可能形成新的切点、 使钟摆钻具失效。 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。 影响因素：钻铤尺寸、钻压、井眼斜度 计算方法：图表法。P.103图6-13，6-14,T,F1,Fd,B,第二节 钟摆钻具控制井斜技术,三、钟摆钻具的适用条件 不易井斜地区 用于纠斜 四、钟摆钻具的特点： 在直井无防斜作用,第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术,一、刚性满眼钻具组成 组成： 三个以上稳定器外径较大的钻铤 特点： 刚性大，填满井眼,

12、第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术,二、刚性满眼钻具的工作原理 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。 地层横向力使稳定器顶住井壁而能承受了部分造斜力。 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，从而防止和减小了钻头出现的偏斜,第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术,1）在垂直井眼内 作用：保持井眼沿垂直方向钻进 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 刚性满眼钻具控制井斜技术,2）在增斜井眼内 作用：减缓增斜速度 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

13、矩抗拒弯曲,第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术,3）在降斜井眼内 作用：限制降斜速度 原理： 钻头稳定器限制钻头横向位移和偏转；短钻铤的弹性恢复力使降斜减缓,第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术,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 刚性满眼钻具控制井斜技术,影响满眼钻具的因素： 间隙：间隙小，不易弯曲，承受造斜力的能力大。 长度：总长度大，单段长度小，不易弯；长度与间隙有关。 刚度：刚度大，不易弯,第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术,三、满眼钻具的设计和计算 1.设计内容 选择钻铤，确定稳

14、定器的安放位置。后者是关键,第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术,2、设计要求 （1）小间隙(满眼)，254mm-.79mm,254-381-1.58mm,381-2.38 （2）大刚度(刚性)，通过增大尺寸获得。 （3）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：1827m （5）近钻头稳定器： （6）短钻铤,第三节 刚性满眼钻具控制井斜技术,3、稳定器位置计算 基本原则： 近钻头稳定器：直接装在钻头上 上稳定器：一般距中稳定器一根钻铤 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 刚性