石油综述第五章油气开采

1、第5章 石油钻井第一节 钻柱钻井是指经过勘探发现储油区块 ,利用专用设备和技术，在预先选定的地表位置处，向下或一侧钻出一定直径的圆柱孔眼，并钻达地下油气层的工作，使储集层中的油气能够达到地面的一个通道的施工。钻井工具主要有井口工具和井下钻具。 井口工具 为起下和上卸钻具的工具，如吊钳、吊卡、卡瓦等。吊钳用于上、卸各类下井钻具丝扣。吊卡用以悬挂、提升和下放钻柱。卡瓦用于卡住钻柱并悬挂在转盘上。井下动力工具是接在钻杆下端，随钻杆一起下入井底的动力机。主要有涡轮钻具、螺杆钻具等。其他工具包括稳定器 俗称扶正器，接在钻柱的下部钻具组合上，用以防止井斜或钻定向井，并有利于钻头平稳工作。 钻井工具减震器

2、用于吸收钻井中产生的冲击和震动负荷，以提高钻头及其他钻具使用寿命。关键构件是不同类型的减震元件。震击器 在钻柱受张力发生弹性伸长时能积存弹性能量以产生震击作用的工具，可用于处理卡钻事故，并有利于安全钻进。打捞工具 用以打捞井下落物和处理井下事故的专用工具。常用的打捞工具有公锥、母锥、打捞筒、打捞矛、打捞篮、磁铁打捞器、磨鞋、安全接头等。出现卡钻事故时，用测卡仪测准卡点，然后用爆炸方法松开被卡的钻具丝扣，此法处理卡钻事故很有效。钻柱是钻头以上，水龙头以下的钢管柱的总称。其主体包括方钻杆，钻杆，钻铤，各种连接接头及稳定器等井下工具。一、钻头三牙轮钻头是应用最广泛的钻井钻头之一，具有适应地层广，机械

3、钻速高的特点。三牙轮钻头由切削结构、轴承结构、锁紧元件、储油密封装置、喷嘴装置等二十多种零部件组成。三牙轮钻头的分类1、轴承类型：滚动轴承和滑动轴承 2、密封类型：橡胶密封和金属密封 3、按牙齿的固定方式分为：镶齿（硬质合金齿）三牙轮钻头和铣齿（钢齿） 三牙轮钻头三牙轮钻头的工作原理牙轮钻头在钻压和钻柱旋转的作用下，牙齿压碎并吃入岩石，同时产生一定的滑动而剪切岩石。当牙轮在井底滚动时，牙轮上的牙齿依次冲击、压入地层，这个作用可以将井底岩石压碎一部分，同时靠牙轮滑动带来的剪切作用削掉牙齿间残留的另一部分岩石，使井底岩石全面破碎，井眼得以延伸。1产品优势石油钻井和地质钻探中应用最多的还是牙轮钻头。

4、牙轮钻头在旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎地层岩石的作用，所以，牙轮钻头能够适应软、中、硬的各种地层。特别是在喷射式牙轮钻头和长喷嘴牙轮钻头出现后，牙轮钻头的钻井速度大大提高，是牙轮钻头发展史上的一次重大革命。牙轮钻头按牙齿类型可分为铣齿（钢齿）牙轮钻头、镶齿（牙轮上镶装硬质合金齿） 牙轮钻头；按牙轮数目可分为单牙轮、双牙轮、三牙轮和多牙轮钻头。目前，国内外使用最多、最普遍的是三牙轮钻头。在石油、勘探以及各种钻探行业中牙轮钻头是不可缺少的重要部分,但是牙轮钻头对一些钻探行业来说价格实在太高,这就促使一些钻探行业对二手牙轮钻头产生了很大兴趣,其价格低,质量可靠(在石油钻探中只使用了其寿命的1/3)

5、,为钻探行业降低了大量成本，所以二手牙轮钻头已经成为一些钻探行业中的一重要部分刮刀钻头是石油钻井在上部松软地层中常用的一种带有翼片的切削钻头。有双翼、三翼、四翼之分(也出现过多达十几翼的刮刀钻头，如LX10),最常用的是三翼刮刀钻头。翼片底部有阶梯形和无阶梯形的两种（分为内阶梯，外阶梯，平底三类）,其刃部镶焊有硬质合金或金刚石。根据要,刮刀钻头又分为取心和取心的两类。适用地层：极软、软、中硬。 刮刀钻头 取心钻头取心钻头是在石油钻井中,把用于钻取岩心的钻头,习惯称取心钻头(在一般的岩心钻探中,则称钻头或岩心钻头)。取心钻头的种类很多,在结构上差别也很大,一般有牙轮取心钻头,刮刀取心钻头和筒状取

6、心钻头，直接影响岩心采取率。最初，PDC钻头只能被用于软页岩地层中，原因是硬的夹层会损坏钻头。但由于新技术的出现以及结构的变化，目前PDC钻头已能够用于钻硬夹层和长段的硬岩地层了。PDC钻头正越来越多地为人们所选用，特别是随着PDC齿质量的不断提高，这种情况越发凸显。由于钻头设计和齿的改进，PDC钻头的可定向性也随之提高，这进一步削弱了过去在马达钻井中牙轮钻头的优势。目前，PDC钻头每天都在许多地层的钻井应用中排挤掉牙轮钻头的市场。PDC钻头主要由钻头体、切削齿、喷嘴、保径面和接头等组成，如图4.1所示。根据钻头体材料不同，钻头相应地分为胎体钻头和钢体钻头。胎体钻头的钻头体是采用不同粒度的铸造

7、碳化钨粉和碳化钨粉以及不同配比的浸渍金属装入设计好的模具中经无压浸渍高温烧结而成。钢体钻头的钻头体是采用合金钢毛坯经机械加工而成。钻头体烧结或者加工好后，在上面焊上切削齿，装入喷嘴，再与接头焊接在一起就成为钻头。分类地质勘探用复合片钻头主要用于地质勘察勘探的复合片钻头，适用于软到中硬岩层，现在有些厂家新研发的新型复合片可以应用到十级硬度的岩层。煤田钻采用复合片钻头主要是用于煤矿上煤层钻探采挖。一般来讲煤田的岩层相对较软，复合片钻头被大量应用，如锚杆钻头，三翼钻头等。石油勘探用复合片钻头主要是应用在油气田的钻采用钻头。目前来说，油田用复合片钻头是所有复合片钻头里面造价最高，要求最高的。可以说是复

8、合片钻头里面的贵族了。 PDC钻头 2、 钻杆 向钻头传递动力，随同钻头进入钻孔的杆状或管状零件。钻孔工具中连接钻头、用以传递动力的杆件。 钻柱通常的组成部分有：钻头、钻铤、钻杆、稳定器、专用接头及方钻杆。钻柱的基本作用是：(1)起下钻头；(2)施加钻压；(3)传递动力；(4)输送钻井液；(5)进行特殊作业：挤水泥、处理井下事故等。API标准的E75到S135钢级，外径从2 3/8到6 5/8的系列石油钻杆以及具有高抗扭性能的双台肩接头钻杆和用于含硫油井的特殊钢级的BNK C95S钻杆。主要适用于油气勘探开发过程中的深井、水平井和大位移井的施工中。钻杆是尾部带有缧纹的钢管，用于连接钻机地表设备

9、和位于钻井底端钻磨设备或底孔装置。钻杆的用途是将钻探泥浆运送到钻头，并与钻头一起提高、降低或旋转底孔装置。钻杆必须能够承受巨大的内外压、扭曲、弯曲和振动。在油气的开采和提炼过程中，钻杆可以多次使用。光管和原钢管材在经过多次加工步骤后被制成钻杆。首先，通过钢管加厚工序的处理， 光管外表面向内弯，钢管管壁加厚。下一步，进行螺纹加工并镀上能够增加强度的铜。然后进行非破坏性质量控制检验，随后进行钢管管体接头的焊接。而后，管体会经历焊接热处理和焊接最终处理，以消除焊接残余压力。在对成品钻杆进行渡漆和包装前要对钢管成品进行其他的一些检测，包括硬度测试，压力测试和非破坏性测试。钻杆的长度一般在九米左右。 钻

10、杆 三、钻铤钻铤是使用轧制或锻造的AISI4145H铬钼合结钢制造，对化学成分及微量元素的含量进行有效的控制。钻铤(drill collar)处在钻柱的最下部，是下部钻具组合的主要组成部分。其主要特点是壁厚大（一般为3853mm,相当于钻杆壁厚的46倍），具有较大的重力和刚度。钻铤的作用（1）给钻头施加钻压；（2）保证压缩条件下的必要强度；（3）减轻钻头的振动、摆动、和跳动等，使钻头工作平稳；（4）控制井斜。钻铤一般分为3种：螺旋钻铤，无磁钻铤，整体钻铤。（1）整体钻铤为光滑的厚壁圆管，两端加工连接螺纹。（2）螺旋钻铤在圆钻铤外圆柱面上加工3条右旋的螺旋槽，以减少与井壁的接触面积，能有效的防止

11、压差卡钻(3)无磁钻铤主要用于石油钻井过程中的监测，结构与整体钻铤相同。无磁钻铤是使用N1310低碳合金钢制造，该材料是经过严格的化学成分分析锻造而成。该材料经机械性能测试可以确保硬度、韧性、冲击值以及抗腐蚀性能符合标准，具有良好的低磁导率和良好的机械加工性能。为了方便起下钻工作，可以在钻铤的内螺纹的外表面加工吊卡槽和卡瓦槽。第二节 钻井常用工具 钻井常用工具按照使用过程不同可分为井口工具、井下工具、其他工具。1、 井口工具 井口工具是指在井口附近范围内多次使用的工具，包括大钳（一般使用液压式）、B型吊钳、吊卡、卡瓦、安全卡瓦、提升短节、钻头装卸器、旋节器、风动（电动）小绞车等。 液压大钳：石

12、油钻机上用液压驱动进行管类钻具紧扣、松扣作业的拧卸工具。液压大钳分为上钳、下钳两部分，下钳只卡紧下部管体或接头，上钳卡紧上部管体或接头后能够正转、反转，可代替普通大钳及旋绳器完成拧卸操作，安全、减轻体力劳动。液压大钳又称动力大钳，液气大钳，其动力是气动或电动。由于钻井工艺对大钳的特殊要求，动力大钳还不能完全取代普通大钳。 液压大钳B型吊钳：是石油钻井作业中上卸钻杆和套管接头或接箍螺纹的必备工具，可通过更换扣合钳，变换各扣合台肩来改变扣合尺寸。吊卡：钻井工程中，吊卡是一种用来吊起钻杆、油管和套管等管材的工具。它悬挂在提升系统大钩两侧的吊环里面，以便对井眼进行起出或下入钻具及油管、套管的作业。吊卡

13、对应所吊的钻柱 B型吊钳 有不同的规格。吊卡分类1、套管吊卡：套管吊卡是石油天然气钻井作业中用于起、下套管的必备工具。套管吊卡按API Spec 8C技术规范。2、油管吊卡：油管吊卡是石油钻采中起升或下降管柱的专用工具。本公司生产的油管吊卡适用于悬持1.9"4 1/2"管径的油管及对应的各种外加厚油管。油管吊卡品种繁多、结构坚固、选材精良、操作简便，集多项专利于一身精心制造。适合于各种管径的管柱提升作业。东达油管吊卡型号有BDY63、BDY76、BDY82、BDY92 、BDY102、BDY118等。油管吊卡特点-采用优质合金钢加工而成，使其重量轻、尺寸小、载荷大，大大减轻

14、了使用者的工作强度；闭锁环式油管吊卡主要有主体、闭锁环、安全销等部件组成，使用安全销可锁定在开闭两极限位置处，则在使用中，不会自行打开闭锁环，使油管脱落，造成安全事故；双保险式安全销；闭锁环和手柄之间进行了改造，使操作更安全，更合理并取得发明专利；侧开式油管吊卡主要用于拓宽油管吊卡的载荷范围；产品符合API Spec 8C技术规范。 3、钻杆吊卡：CD侧开式钻杆吊卡是石油钻采、地质钻探部门用于钻凿油井、气井、勘探井或修井作业悬持钻杆、套管、抽油杆、油管起升或下降的重要工具。型号有CD76 CD82 CD92 CD102 CD118 CD131 CD133 CD148集多项专利于一身精心制造，并

15、经过严格的强度试验与超声检测，具有优良的结构强度。东达钻杆吊卡规格齐全、结构坚固、用途广泛、选材精良，具有良好的结构强度。东达钻杆吊卡特点：采用优质合金钢加工而成，使钻杆吊卡重量轻、尺寸小、载荷大，大大减轻了使用者的工作强度；钻杆吊卡主要有主体、活门、锁销总成、手柄等部件组成，产品锁销总成经过了技术改造，可便于使用者确认或门的开与合，大大降低了安全事故的发生；主体与活门易磨面进行了特殊表面处理，增加了耐磨性，使吊卡的使用寿命大大增加。产品符合API Spec 8C技术规范CD型系列钻杆吊卡是石油天然气钻采作业中悬持钻杆之必备工具。按其所悬持的钻杆接头型式又分为直角台肩和锥度台肩。其中锥度台肩吊

16、卡型式为CD后加注Z即为CDZ型。 4、抽油杆吊卡：抽油杆吊卡，可满足石油修井作业中各种规格抽油杆作业的需要，产品按API Spec 8A<<钻井和采油提升设备规范>>设计、制造。产品型号:SRE30 品牌:宇洋 产地: 产品报价:0 主要用途:可满足石油修井作业中各种规格抽油杆作业的 提升。抽油杆吊卡为舌簧式吊卡，主要有卡体和提把等零件组成，是悬持抽油杆的重要工具，前后压舌装在卡体内，可围绕圆销转动，前舌内各装一扭簧，只要同时按紧两只后舌，前舌即可轻便地向卡体内转动，抽油杆通过开口可自由进入卡体内孔，此时松开后舌，前舌将复回原位，栓住抽油杆，可防止抽油杆脱出。2、 井

17、下钻井工具接在钻杆下端，随钻杆一起下入井底的动力机。主要有涡轮钻具、螺杆钻具等。 涡轮钻具 靠高压液流通过涡轮，把液体能转变为中心轴上的机械能，带动钻头破碎岩石。由成百对串联地装在外壳内的涡轮定子和转子以及轴承、中心轴等组成。涡轮定子和转子的叶片呈反向弯曲，高压泥浆沿定子叶片的偏斜方向流动,有力地冲击转子叶片,使转子带动中心轴旋转,涡轮钻具是苏联采用的主要钻井工具，他们发展了各种性能的新型涡轮钻具，被广泛用于各种深度和地层的钻井工作中（包括已钻成的万米井），其他国家也在发展中。 螺杆钻具 如图5 螺杆钻具靠高压泥浆通过定、转子通道，驱动转子在定子螺线形通道中旋转，产生扭矩，带动钻头破碎岩石。由

18、装在外壳内的螺线形转子及带螺线形通道的橡胶定子衬套以及转轴、轴承等组成。是一种容积式井下动力钻具，其转速与泵排量成正比，扭矩与泵压、钻压成正比，通过泵压可间接指示钻压。因转速较低，使用牙轮钻头钻进比较有利。3、 其他工具扶正器：属固井工具，它制造简单，结构美观，牢固耐用，扶正力大，克服了原焊接式扶正器易发生脱焊的不足，是一种能保证钻井固井质量的扶正器。扶正器种类繁多，按结构可分为滚轮式、滑块式、自动换向式等。不同结构和材质的扶正器，适用于不同类型偏磨的油井。使用扶正器防偏磨工艺关键技术是扶正器安装的位置、间距和数量。震击器：在钻柱受张力发生弹性伸长时能积存弹性能量以产生震击作用的工具，可用于处

19、理卡钻事故，并有利于安全钻进。 震击器的使用类型主要有随钻震击器、打捞震击器和地面震击器。随钻震击器，要设计在钻柱组合中，如果钻进或者起下钻过程中遇卡，可以随时震击解卡。打捞震击器，只是在需要解卡时才上井作业，不可以长时间随钻工作。地面震击器，只是在井口使用，其对卡点的震动效果是向下震击，现场使用比较方便。 震击器的结构类型主要有机械式、液压式、机液式3种。 1.机械式震击器，利用机械摩擦原理，锁紧机构采用了一组棱带式的卡瓦，卡瓦副的释放由弹性套在压力作用下的变形来控制，震击力不受井内温度影响。机械式震击器可设计成震击力可调与不可调两种。可调震击器其震击力在井口调节，不可调震击器其震击力在产品

20、组装时设定，现场不能调节，但整机长度短，工作安全可靠。机械式震击器对金属材料及其热处理、机械加工精度等要求较高。 2.液压式震击器，利用液压油在细小流道内流动时的阻尼作用作为锁紧机构，利用流道突然变化所引起的释放，在震击器内产生打击，从而在钻柱内形成震动。液压式震击器由于其锁紧机构工作原理的限制，只能在单一方向上产生震击，一般为向上震击。由于具有优越于机械式震击器的长延时功能，其震击力大小可以靠司钻的操作任意调节。但由于液压介质、密封材料和密封结构等容易受磨损、井温等因素影响，产品的寿命、适应性和可靠性均不稳定。显然，这种震击器对密封结构的设计和密封材料的选用以及对零件加工精度的要求都十分严格

21、。 3.机械液压组合的震击器，集中了上述两种震击器原理的优点，即使液压延时震击作用失效，机械震击仍可继续使用，技术性能得到很大提高，符合未来震击器产品发展方向。打捞工具：用以打捞井下落物和处理井下事故的专用工具。常用的打捞工具有公锥、母锥、打捞筒、打捞矛、打捞篮、磁铁打捞器、磨鞋、安全接头等。公锥是一种专门从油管、钻杆、套铣管、封隔器、配水器、配产器等有孔落物的内孔进行造扣打捞的工具。这种工具对于带接箍的管类落物，打捞成功率较高。公锥与正、反扣钻杆及其他工具配合使用，可实现不同的打捞工艺。 结构：公锥是长锥形整体结构，可分为接头和打捞螺纹两部分。接头上部有与钻杆相连接的螺纹，用以连接引鞋。公锥

22、从上至下有水眼。公锥最重要的部分是打捞螺纹，按牙尖角分类有两种不同的规范。 螺纹牙尖角为55，螺距为8扣/in。这种打捞螺纹目前使用较多，其优点是螺纹牙尖角较小， 公锥 易于吃入落鱼内壁，所需的造扣扭矩也较小。但由于牙尖角小，齿根断面也相应较小，螺纹强度较低，不适于打捞材质较硬、韧性较大的落物，如P110材质的落物，在造扣时可能造成螺纹崩塌挤毁，打捞部分螺纹损坏，导致打捞失败。 螺纹牙尖角为89030·，螺距为5扣/in。这种打捞螺纹的优点是增大了牙尖角，加大了螺距，也相对地增加了螺纹根部的截面面积，从而提高了打捞螺纹的强度，能承受较大的造扣扭矩及提拉负荷，但由于牙尖角的增大，在造扣

23、吃入深度与尖角为550牙尖角相同的情况下的造扣扭矩较大，因而增加了地面造扣扭矩。这种打捞螺纹，对于材质较硬，韧性较大的落物，打捞成功率较高。 工作原理：当公锥进入打捞落物内孔之后，加适当的钻压，并转动钻具，迫使打捞螺纹挤压吃入落鱼内壁进行造扣。当所造之扣能承受一定的拉力和扭矩时，可采取上提或倒扣的办法将落物全部或部分捞出。老式公锥多带有数条排屑槽，此槽原设计意图是排出造扣切削时所产生的铁屑，而实际造扣工况是挤压成型，并无铁屑生成。实践证明排屑槽不起作用，而且对某些造扣后需要憋压的作业又极为不利，因它只能承受10MPa以下的泵压，再高，则会由此槽串通。 母锥一种石油打捞工具。专门从油管、钻杆等管

24、状物外壁进行造扣打捞的工具，可用于对无内孔或者内孔堵死的圆柱体落物进行打捞。 结构：母锥是长筒形整体结构，由上接头和本体两部分组成。上接头有正反扣标志槽，本体内锥面上有打捞螺纹。 工作原理：当母锥套住管状落物一端之后，加适当的钻压，并转动钻具，迫使打捞螺纹挤压吃入落鱼外壁进行造扣。当所造之扣能承受一定的拉力和扭矩时，可采取上提或倒扣的办法将落物全部或部分捞出。 造扣原理为挤压吃入，不产生切削。第3节 钻具组合常用钻具组合是指将各种大小型号不同用途不同的钻具组合在一起，以达到能符合钻井设计钻进地层的效果，大致可分为三类：满眼钻具、塔式钻具、钟摆钻具。刚性满眼钻具刚性满眼钻具是一种安装在钻柱下部的

25、刚度较大而且井径与钻柱外径之间间隙较小的钻具组合。 1、 工作原理 刚性满眼钻具一般是由几个外径与钻头直径相近的扶正器与一定长度外径较大的钻铤所组成。它的防斜原理是在钻头以上的下部钻柱上安装一定数量的扶正器，以扶正合钻铤；提高下部钻柱的刚度，减少其弯曲程度，以消除钻头的严重倾斜，使其能减小和限制由于钻柱弯曲而产生的增斜力，同时扶正器能支撑在井壁上，抗衡地层自然造斜力，以达到控制井斜在最小范围内变化的目的。为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有三个稳定点，除在靠近钻头处有一个扶正器外，其上面应再安放两个扶正器才能保持有三点接触井壁。如果只有两点接触，钻柱就能循沿一条曲线，不能保证

26、井眼的直线性。如果有三点接触，就能保证井眼的直线性和限制钻头的横向移动。 1）在垂直或接近垂直的井眼中钻具的防斜作用：当钻具在垂直或接近垂直的井眼中工作时，它的作用是保持井眼沿直线方向加深。上扶正器能抵消由于上扶正器以上的钻柱弯曲所产生的横向力，使上扶正器以下的钻柱居中，同时也帮助下扶正器抵消地层横向力。下扶正器的作用抵消地层横向力，限制钻头的横向移动，当地层造斜力不大时，满眼钻具能保持刚直居中状态，使钻头沿铅直方向钻进。 2）增斜时钻具的防斜作用：当钻进时井斜较大的地层时，满眼钻具能有力地抵抗地层横向力，减小井斜的变化。在地层横向力的作用下，下扶正器和钻头靠向井壁高的一侧，抵抗地层横向力，限

27、制钻头横向移动。同时地层横向力势必要扭弯下扶正器上的短钻铤，由于钻铤刚度大，能有力地抵抗此地层的横向力。中扶正器也帮助中扶正器以下的钻柱抵抗地层横向力。因此，限制了钻头的横向移动和侧斜。在已斜井眼内，钻具还有一个纠斜作用，这是由于上扶正器以上的钻铤因自重的作用靠在井壁低侧，并以上扶正器为支点将力下传，作用于上扶正器下的一根钻铤上有一个弯矩，此弯矩使中扶正器靠井壁高的一侧，再以中扶正器为支点将力下传使钻头趋向于井壁低的一侧，产生一个纠斜力。所以满眼钻具在增斜地层中，能限制井斜角的增大速度，可防止狗腿、键槽等现象的发生。 3） 降斜时钻具的作用：如果井眼已发生了偏斜，而地层横向力又使其趋

28、向恢复垂直状态，满眼钻具的作用是防止井斜角过快地减小。下、中扶正器将抵抗地层横向力，限制钻头向井壁下侧移动。短钻铤也抵抗其弯曲趋势，保持下扶正器趋向壁高的一侧。同时中扶正器以上的钻铤所产生的弯矩也将使中扶正器趋向井眼高的一侧，迫使下扶正器抵抗地层横向力，以减小钻头倾角。所以钻具在降斜时能有力地抗衡地层降斜力，减少井眼的降斜率，使其不致于产生狗腿、键槽等不良现象。 2、满眼钻具组合设计 1）近钻头扶正器：近钻头扶正器应采用井底型扶正器并紧接钻头，其间不应加装配合接头或其它工具。 为了增强近钻头扶正器抗衡横向偏斜力及限制钻头横向切削的作用，在中等易斜地层应采用有效扶正长度较长的扶正器，也可以在有效

29、扶正长度较短的近钻头扶正器上直接接一只钻柱型扶正器，在严重易斜地层则应采用有效扶正长度更长的近钻头扶正器。 2）中扶正器与上扶正器的安放高度确定： 中扶正器和上扶正器的安放高度与满眼钻具组合的使用效果有重要的关系。确定中扶正器与上扶正器理想安放高度的原则使尽量减小下部钻柱弯曲变形，从而使钻头偏斜角和作用在钻头上的弯曲偏斜力为最小值。中扶正器的理想安放高度主要取决于钻铤尺寸，扶正器与井壁间隙值，井斜角及钻井液密度等因素。 上扶正器安放在中扶正器的上部，一般相距一根钻铤的长度约9米左右。 3、 提高钻柱的弯曲刚度为了提高钻柱组合的弯曲刚度，在上扶正器上适当位置根据需要可以再加扶正器。满眼

30、组合部分呢的钻铤，特别是短钻铤，应采用最大外径厚壁钻铤。 4、扶正器与井壁之间的间隙控制扶正器与径壁之间的间隙与满眼钻具组合的使用效果关系甚为重要，应当严重控制（特别是在井斜较严重的层段），一般这一间隙越小越好，尤其是近钻头扶正器和中扶正器，与井壁间的实际间隙过大往往导致满眼钻具组合失效。控制扶正器与井壁间的间隙的措施有两条：1）     证扶正器有足够大的直径。2）     保证井眼稳定，避免井径在钻进的短时间内明显扩大。一般情况下，近钻头扶正器和中扶正器直径与钻头直径的差值不大于3mm；上扶正器直径与钻头直径的

31、差值不大于6mm。塔式钻具 塔式钻具就是在钻头之上，使用几段直径自下而上逐渐减小，形如塔状的钻铤组合。钻铤应不少于12根；这种防斜钻具的特点就是底部钻铤重量大，刚度大，整个钻铤柱的重心低，稳定性好。能产生较大的钟摆减斜力。在松软地层，井径易扩大，对于扶正器满眼钻具或扶正器钟摆钻具，由于其井径与扶正器间隙值大，防斜效果差。使用塔式钻具则能得到满意的效果。此外，塔式钻具还有结构简单，使用方便，不需要进行扶正器位置计算的优点，也不存在扶正器、方钻铤的磨损及修复等问题，但塔式钻具也存在底部间隙小，易卡钻，钻铤尺寸多，操作部方便等不足。 塔式钻具防斜效果的好坏，取决于钻具的塔式组合。要求组合的重心低、底

32、部钻铤直径大、整个钻铤重量大、每一级钻铤尺寸差值小。如美国白湖油田，在胶结性差的松软地层中使用塔式钻具，成功地钻了一口3939米的井，该井无狗腿井段，最大井斜角2度，井径12-1/4英寸。该井使用的塔式钻具由18根不同尺寸麻花钻铤组成，每根9米左右。最下一根钻铤为10-1/2英寸，其上依次为10-1/4、10、6-1/4英寸，每根钻铤尺寸依次递减1/4英寸。所有钻铤的重量为420千牛，其重心低于全部钻铤长度的1/3，最大钻压为钻铤重量的75%。底部钻铤的尺寸，相当于欲下的9-5/8英寸套管的接箍尺寸，以保证套管的顺利下入。钟摆钻具 钟摆钻具是为了减少井斜角而设计的一种钻具组合，利用增大钟摆力的

33、原理。 1、工作原理利用斜井内切点以下钻铤重量的横向分力把钻头推向井壁低的一侧，以达到逐渐减小井斜的效果。这个横向分力如钟摆一样，所以称之为“钟摆力”，运用这个原理组合的钻具称为钟摆钻具。对于一定斜度的井眼来说，井斜角是一定的，因此增大降斜力的主要方法是增大切点以下的钻铤重量，其办法有二：一是使用大尺寸钻铤或加重钻铤。显然在同一钻压下，大尺寸钻铤不易被压弯，并且切点位置高，因而切点以下钻铤长度L大，有利于增大降斜力。二是在比切点略高的位置上，安装一个扶正器，以提高切点位置，增大其下部钻铤重量，使降斜力增大。除此之外，扶正器对其下部钻铤还起到扶正作用，因而可减少钻头倾斜角，限制增斜力的增大。当然

34、最理想的办法是采用大尺寸钻铤加扶正器，这样组成的钻具不仅钟摆的长度大，而且重量也大，其降斜效果更好。 2、扶正器的安放位置光钻铤钟摆钻具虽具有防斜作用，但其能力是有限的，主要原因是切点低，钟摆力较小。在井斜较严重的地区，如果要使井斜角保持较小值，只有采用较低的钻压。所以在现场多采用单扶正器钟摆钻具，这种钻具组合就是在适当的高度上安装一个扶正器作为支点，以增大有效的钟摆长度，提高钟摆力。由此可见，它的技术关键就是扶正器的安放位置要适当。如果安放位置偏低，则降斜力小，效果差。如果安放位置偏高，则扶正器以下钻铤可能与井壁形成新的切点，使钟摆钻具失效。扶正器的理想安装位置应是在保证扶正器以下的钻铤不与

35、井壁接触的条件下尽量提高些。井眼直径    mm(in)                         扶正器高度(m)339.72(13-3/8”)以上                         36(四根钻铤)244.47(9-5/8”) 311.

36、15(12-1/4”)               27(三根钻铤)193.67(7-5/8”) 244.47(9-5/8”)                18 (二根钻铤)152.40(6”)以下                       &#

37、160;      9(一根钻铤)注：每根钻铤单根长度按9米左右计。但根据实际钻铤单根长度确定的一定长度的钟摆钻具组合，只在一定的井斜角范围合钻压范围内使用才有效，即保证扶正器以下的钻铤发生弯曲变形后不与井壁接触。导向钻井技术的钻具组合选择 1、单弯螺杆角度的选择，根据井眼曲率，最大井斜参数确定单弯螺杆的度数，根据经验，一般在0.75°1.25°之间。单弯螺杆是在两种工况下使用，造斜段滑动钻进单弯螺杆不仅提供井下动力，同时其单弯部分相当于原造斜段使用的单弯接头，其单弯角度决定了造斜率的大小。复合钻进阶段单弯螺杆不仅提供井下动力和转盘一

38、起工作提高钻头的转速，同时，其单弯部分相当于直井使用的偏轴接头，具有一定的防斜作用。单弯角度过大，会使钻具承受较大的交变应力，而遭受疲劳破坏。 2、稳定器尺寸的选择：常规钻井中，216mm井眼稳定器外径一般要大于等于210mm；在导向钻井中单弯螺杆，上下两个稳定器如果同常规井一样大小，会使钻具承受过大的弯曲应力，通过室内分析与实践，使用范围为208210mm。3、 钻具结构的选择：常规定向井，在不同的工况段，是通过多次改变钻具而实现的，每改变一次钻具结构，就要起下一趟钻。而导向钻井是造斜、增斜、稳斜、降斜几个工序使用一套钻具组合，而不用起下钻改变钻具结构。因此，导向钻进的钻具结构要满足定向井不

39、同工序的要求，不仅提高钻井速度，减少起下钻次数，在控制井身质量方面，更要优于常规钻井的井身质量。“双稳定器稳斜型”：216mmPDC钻头+单弯螺杆（自带208210mm上下扶正器）+159mm无磁钻铤+159mm钻铤15根+127mm钻杆 4、钻头类型的选择：一般使用PDC钻头。不仅速度快，在复合钻进中，也不存在掉牙轮的风险。 5、泥浆参数的选择：在滑动钻进阶段，要求摩擦阻力系数小于0.15。防止粘钻具，造成钻压加不到钻头上，影响钻进速度。使用到向钻进技术后，钻井速度明显提高，整个节奏加快，要求泥浆性能的调整满足快速钻井的需求。泥浆密度度、粘度、失水要优适当的超前性，防止井下复杂，保证施工顺利

40、。 第四节 定向井及水平井技术一、目的意义定向井和水平井是在给定造斜井深的条件下，按照预先设计的方位和井斜钻达目的层的钻井方法。到达目的层的井段如为斜直段或降斜段则为定向井；如为水平段则为水平井。钻定向的目的是：1、 地面条件限制；如高山、大河、湖泊、海洋、城市、建筑等；2、 地下条件限制；如地下断层、盐丘、穹窿等复杂地层；3、 钻井工艺要求；如侧钻井、救援井、丛式井、分支井等；4、开发油气藏的需要。钻水平井的目的是：1、 开发低渗透、低孔隙度油气藏；2、 丛式钻井和海洋钻井的需要。主要内容有：1、定向井和水平井剖面设计；2、定向井和水平井井眼轨迹测量和计算；3、定向井和水平井井眼轨控制原理和

41、技术。 一般定向井发展状况：最早的定向井是用于井下落鱼而无法继续钻进的侧钻井；用专门的工具及技术钻定向井则始于1895年。真正钻定向井是1930年在美国的加里福尼亚开采海岸浅层石油。1934年用于井喷失控的救援井。广泛使用定定向井是在最近20年。在此基础上为了开发低渗透油气藏和海洋、从式井的需要又出现了水平井技术。目前，定向井水平井已发展到很高的水平，应用越来越广泛，在剖面设计，轨迹测量、控制技术已相当完善。井深超过8000米，水平位移达5000米。井斜角达800以上，即所谓大斜度井。二、定向井的基本要素1、 井斜角。井眼轴线的垂直投影平面上，任一点的切线与垂线的夹角，如图的a；2、 方位角。

42、井眼轴线的水平投影上任一点的切线与正北方向的夹角，如图的f；3、 水平位移。是井底的水平投影与井口的水平投影之间的距离；4、 井斜变化率。井眼单位长度井深井斜角的变化值； (1) 式中，； 相邻两测点的井斜角； -相邻两测点的测量深度。5、 方位变化率。单位长度井深方位角的变化值； (2) 式中， 相邻两测点的方位角。6、 全角变化率（井眼曲率或狗腿度），同时表示井斜和方位变化的程度； (3)式中，全角变变化率的另一种表示是： （4） 7、 测量深度（MD）。沿井眼轨迹的长度，一般指钻具的长度；8、 垂深（TD）。井眼轨迹的垂直投影长度，反映的是定向井和水平井的垂直深度。 定向井基本要素剖面图

43、三、 直井井斜控制 钻井过程中的井斜问题一直是国内外钻井专家、学者研究的重要课题。这是由于井斜直接影响到油气井的钻井成本和勘探开发的经济效益。迄今为止国内外已有大量的文献研究这个问题，如美国的Lubinski、Woods、Millhiem、原苏联的Sarkisof、中国的白家治等是这个课题研究的杰出代表。由于他们的研究成果，使防斜问题取得了很大的进步，形成了一整套井斜控制理论和原理。但是根本性的突破还未取得，也就是说还没有建立一套有效的防斜理论和技术来控制井斜问题。这是因为影响井斜的因素十分复杂，建立的数学模型无法反映所有因素的影响，特别是地层因素的影响很难确定。建立的数学模型只能在一定的条件

44、下使用，不能反映钻井过程的客观规律。尽管如此，目前的井斜控制理论在一定程度上也能减缓井斜，并控制井斜在一定范围之内。这是钻井工程和油气勘探开发所允许的。行之有效的防斜理论和技术有待进一步研究。控制井斜实质就是控制钻头造斜力，使其为降斜力。要达到这个目的，地层造斜力是不可改变的，唯一可控制的是下部钻柱组合和钻井参数，通过改变下部组合和调节钻井参数可使钻头侧向力为降斜力，抵抗地层造斜力的作用强度，使井斜控制在一定范围内。目前使用的钟摆钻具、塔式钻具、偏心钻铤等是以增大降斜力为目的的钻柱。他们可以起在直井中防斜，在斜井中纠斜的作用。刚性满眼钻柱、方钻铤、螺旋钻铤等是以强大的刚度反抗地层造斜的作用。在

45、直井中防斜，在斜井中稳斜，井斜了不能使用刚性满眼钻柱。但是通过调节扶正器安放间距和钻井参数，刚性满眼钻柱也可以是增斜或降斜钻柱。（1）钟摆钻具防斜这种钻具是在钻头的上方一定距离处，一般是1827米左右按装一个扶正器。当其发生井斜时，扶正起靠下井壁上，扶正器下面的钻柱重量在钻头上产生一个指向下井壁的力，这个力就是钟摆力，是降斜力，使井斜减少。钟摆钻具使用关键是扶正器的安放距离，太大在扶正器下面产生新切点，钟摆失效；太小钟摆力也小，效果也不好。钟摆钻具的特点是在直井中能防斜，在斜井中可纠斜。（2）刚性满眼钻具 所谓刚性满眼钻具是指组成下部钻具的刚度大，在钻井过程中不会发生弯曲变形。要实现这种钻井，

46、一是采用大尺寸钻铤，二是在下部钻柱上安放三个以上的扶正器，其中一个扶正器必须紧靠钻头，使钻柱扶正器填满井眼。其防斜原理是：* 在紧靠钻头处安装一个近钻头扶正器，在地层造斜力很大的情况下，近钻头扶正器支撑在井壁上，限制钻头横向移动，抵抗地层造斜力的作用，减少由于下部钻柱弯曲而产生的钻头倾斜角；* 使用大尺寸钻铤加扶正器使井眼填满，在较大的钻压下钻柱不会发生弯曲，保持钻柱在井眼内居中，减少钻头倾斜，限制了由于钻柱弯曲产生的造斜力。为了充分发挥刚性满眼钻具的作用，则至少要安装三个扶正器。用有限元法和连续梁法可以计算刚性满眼钻具的力学特性。（3）塔式钻具 下部钻具是由几种不同尺寸组成，并且是紧靠钻头处

47、的直径最大，随后逐渐递减，形如塔形。故叫塔式钻具。这种钻具组合下部钻具重量大、重心低、钻头工作平稳，并能产生较大的钟摆力。塔式钻具在井径易扩大地层中钻进防斜效果好，井斜变化率小。（4）偏心钻铤偏心钻具是将普通钻铤的一侧开孔或削掉一部分重量，这样就成了偏心钻铤。当钻柱旋转时就会产生偏心旋转，从而产生指向重边的离心力。这个离心力在由高边向低边运动时产生加速运动敲打并切削下井壁，从而在斜井中起纠斜作用，由于偏心旋转钻柱不会发生自转，在直井中可防斜，在斜井中可纠斜。 还有一些防斜方法，原苏联的双效防斜钻具、柔杆钻具、水力加压钻具等。四、定向井井眼轨迹控制定向井井眼轨迹控制包括造斜、稳斜、降斜和扭方位等

48、作业。使用造斜器、带弯接头或弯外壳的螺杆钻具、带弯接头或偏心扶正器的涡轮钻具、偏心喷射钻头、以及调整下部钻具组合等都能不同程度实现井眼轨迹的控制。 多分支井要使井眼轨迹按预先设计的方位和井斜钻进，首先必须选择满足设计造斜率的造斜工具沿预计的方位造斜。这需要通过造斜工具或利用地层自然造斜来完成。钻井方式不同，使用的造斜工具也不一样，常用的造斜方法分为转盘造斜和井下动力钻具造斜两种。下面是常用的改变井眼轨迹所使用的工具和方法。（1）转盘造斜 槽式变向器 最早使用的一种造斜工具，主要参数是导斜面与园柱母线的夹角g，称为导角。这种工具能达到的井斜角为： 这种工具的使用条件是小尺寸钻头及钻柱组合，轻压慢

49、转。 这种造斜工具的缺点是：施工烦琐、效率低、可靠性差、易损害钻具。 喷射式钻头造斜 利用不对称水眼或偏心水眼钻头，先冲出一个斜井眼。适用于较软的地层造斜，造斜时在钻头上方安放扶正器。 锚式钻头 利用钻头内外压力差的作用，将钻头推向井壁的一侧，使钻头产生横向切削作用。 偏心钻头 由偏心刀片和和水眼组成，适用于钻第二井眼造斜。（2）井下动力钻具造斜 弯接头加螺杆钻具或弯外壳螺杆钻具 这种造斜工具是将螺杆钻具接在钻头上，弯接头接在螺杆钻具上或直接将弯外壳螺杆钻具接在钻头上，再上面接无磁钻铤和钻柱。造斜时将弯曲方向指向设计方位，用转盘锁住钻柱。开泵后螺杆钻具心轴旋转带动钻头也旋转，但螺钻具的外壳及弯

50、接头和整个钻柱不旋转。这样钻进方向就沿弯接头或弯外壳指定的方向钻进。这种造斜工具是目前普遍使用造斜工具，最大特点是可以连续造斜，造斜效率高，操作方便。表征造斜工具造斜能的大小叫造斜率。 涡轮钻具加弯接头或弯外壳涡轮钻具 这种造斜工具的造斜原理和方法与螺杆钻具相同，不同之处是蜗轮钻具与螺杆钻具水力特性不同，蜗轮钻具比螺杆钻具的特性更为复杂，操作时必须使涡轮在最大功率的转速和扭矩下工作。（3）下部钻具组合 下部钻柱组合是指用于给钻头施加钻压的那一部分钻柱，这部分钻柱主要是钻铤、扶正器、钻头等组成。由于钻铤的尺寸、扶正器直径、扶正器的安放位置和数量都要影响下部钻柱的力学特性，即影响下部钻柱的增斜、降

51、斜和稳斜特性。但无论那一种钻具组合都将在钻头上产生一个侧向力，这个力可能是增斜力、降斜力或稳斜力。给定的钻具组合必然是其中的一种。所以通过改变下部钻具组合可达到早斜、稳斜和降斜的目的。下部钻柱组合力学特性可用经典的力学方法求解，如最小能量法、纵横弯曲连续梁法、有限元法。通过这些方法可以求借求解给定钻柱组合产生的钻头侧力是增斜、稳斜或降斜。目前已有这种计算软件，使用非常方便。（4）弯接头和弯外壳马达大多数中半径定向井和水平井钻井系统使用带弯接头（0-20）和稳定器的弯外壳马达（0-2.50）。弯外壳与挽接头相比有如下优点：钻头倾斜时受到的侧向载荷小，可改善钻头的性能；更容易进行工具的准确定向和起

52、下钻；下钻时可减少钻头碰撞井壁台肩；减少作用在马达径向轴承上的径向载荷；可以象正常转盘钻那样旋转弯外壳马达，实现稳斜钻进；弯外壳的角度能够产生很好的预测角度变化；弯外壳使弯曲部位更靠近钻头，可产生更高的造斜率或井眼曲率，最高可达300/30米。在大斜度井中广泛使用。（5）可变弯接头 法国石油研究院和法国SMF国际公司联合研究出了一种钻定向井时可在地面遥控井眼轨迹的可变弯接头。这种可变弯接头内装一个自由活塞，每当排量超过预定的临界值时，自由活塞就要向下运动。活塞在向下运动过程中转动与上短节倾斜一定的角度的下短节，从而改变弯曲角度。活塞向下运动后又向上运动，并借助机械部件将下短节锁紧在新的位置上。

53、这种弯接头所能产生的最大弯曲角为2-30，具体情况由外径而定。 这种可变弯接头与有线随钻测量仪和井下马达一起使用时，将其调后再下井，这样钻头就不会碰到井壁台肩。钻头下到井底后井下马达一旦启动，其反扭矩便转动可变弯接头的下短节，使可变弯接头的弯曲角度变到预定值。弯曲角度可在0-40范围变化。 茹塞尔1987年发明了一种可由地面启动的可变弯接头，这种可变弯接头利用泥浆压力来启动圆柱心轴并改变弯曲角度。 司可也非尔发明了一种通过投球来启动的弯接头。当球在这种可变弯接头内坐放好后，作用在活塞上的压力将心轴向下推，使传动轴偏斜。用钢丝取出这个球即可恢复稳斜钻进。 美国贝克休斯公司发明一种可变弯马达外壳的

54、专利。这种弯外壳无须将泥浆马达卸下来就能改变其弯曲角度。目前，这种弯外壳马达已广泛用于水平经钻井。贝克休斯公司发明的这种双角度可调弯接头完全可以在钻台上进行调节，能够在中曲率半径井中产生多个造斜率，在不装上弯接头的情况下，这种可调井下马达可以作为导向泥浆马达用来钻大曲率半径井和或钻中曲率半径井的水平井段。塞尔公司发明了一种叫“优先弯曲”型定向井泥浆马达。这种井下马达内的泥浆通道处在偏心位置，使它具有一个“优先曲面”。当井下马达受到钻压时，它就朝这个优先弯曲方向弯曲，因而不必使用弯接头或弯外壳。这种井下马达在起下钻时呈直线状态，与带弯接头或弯外壳的井下马达向比其优点是钻头与井壁之间不相互刚饶干饶

55、。（6）偏心稳定器 Neyrfor公司使用一种可导向涡轮钻具。这种钻具利用偏心稳定器给钻头施加侧向载荷，偏心稳定器常常与MWD一起用来连续控制井眼轨迹。偏心稳定器在钻头上产生一个侧向力，当钻柱不旋转时，这个侧向力使钻头沿某一弯曲轨迹钻进。当旋转钻柱时，这种涡轮钻具便进行直向钻进。但井径略大于标准直径。在阿拉斯加和北海，用可导向涡轮钻具已经钻了10多万米的定向井，工作性能良好，成本大大降低，钻速大大提高，并减少了为更换下部钻柱组合而消耗的起下钻时间，可导向涡轮钻具是钻大斜度井和大位移井的极佳工具。（7）可变径稳定器 Andergauge有限公司研制出了一种可变径稳定器，在不起钻的情况下就能改变其

56、直径的大小。这种可变径稳定器位于钻头上方大约4.5米处，为改变下部钻具组合的增斜趋势和方位漂移趋势，其直径可从调到。当这种稳定器处在最小直径时，它是欠尺寸的，而当它处在最大直径时，它又是足尺寸的。这种对钻压敏感的双尺寸稳定器是通过增加钻压使之超过一预定值的办法来启动的。当这种稳定器处于足尺寸位置时，只要不把它提离井底，它可在各种钻压下都能处于足尺寸位置上。而当把它提离井底时，他会自动处于欠尺寸位置。该工具的启动和解除启动的情况均可在地面有所显示。用这种可变径稳定器能够很好地作定向控制。 一种叫做VARISTAB的可变径稳定器利用钻井液排量来改变稳定器直径。这种可变径稳定器装有三个镶有碳化钨齿的

57、螺旋扶正片，一个心轴和回位弹簧。扶正片可产生三个不同的直径，即（足尺寸）、和（欠尺寸）。通过把排量增大到一预定值就能使心轴向下运动，使扶正片伸开。回位弹簧使心轴锁在下一个位置，以便恢复钻进或重新启动心轴。扶正片直径可按需要进行调节。根据钻井泵的压力就可以知道心轴的启动情况。（8）同心稳定器 贝克工具公司发明了一种将偏心稳定器用于井下泥浆马达的技术，泥浆马达的轴线是偏心的，因而相对于马达体转动稳定器就可以改变偏心度，从而改变稳定器的位置。（9） 造斜垫块 造斜垫块是一种钢制垫块，它通常放在靠近钻头的马达轴承总成上，造斜垫块给钻头施加一个钻头侧向力，使之沿设计的井眼轨迹钻进。这种垫块通常位于弯外壳的下侧。俄罗斯只在井斜超过40