定向钻井理论与技术

.PAGE....《定向钻井理论与技术》讲稿授课教师：史玉才授课对象：船舶与海洋工程200３级１～２班授课时间：２００６～２００７学年第一学期２００６年９月定向钻井理论与技术授课对象：船舶与海洋工程2003级01～02班学习目的：〔1在必修课中定向钻井内容的基础上,进一步拓宽和加深,使学生掌握定向井设计和计算的基本理论和方法,初步具备分析和解决定向钻井过程中的具体问题的能力,同时对当前大量出现的定向井新技术有最基本的了解,为以后从事定向井工作打下较好的基础。〔2通过本课程的学习,要求学生掌握定向井井眼轨迹计算、井身剖面设计、井眼轨迹预测等方法；能初步进行钻柱摩阻扭矩计算、动力钻具反扭角计算和无磁钻铤使用长度计算。总学时：32教材：韩志勇,《定向井设计与计算》,石油工业出版社,1989主要参考资料：有关定向井的科技论文。..第1章定向井钻井技术概述定向井：目标点和井口不在一条铅垂线上的井。按照事先设计的具有井斜和方位变化的轨道钻进的井。一口直井打斜了,也具有井斜角和井斜方位角的变化,但那不是定向井。井眼轨道：指在一口井钻进之前人们预想的该井井眼轴线形状。井眼轨迹：指一口井实际钻出来后的井眼轴线形状。§1-1定向井的用途20世纪30年代初,在海边向海里打定向井开采海上油田的尝试成功之后,定向井得到了广泛的应用,其应用领域大体有以下三种情况。1．地面环境条件的限制地面上是高山,湖泊,沼泽,河流,沟塑,海洋,农田或重要的建筑物等,难以安装钻机进行钻井作业时,或者安装钻机和钻井作业费用很高时,为了勘探和开发它们下面的油田,最好是钻定向井。2．地下地质条件的要求对于断层遮挡油藏,定向井比直井可发现和钻穿更多的油层；对于薄油层,定向井和水平井比直井的油层裸露面积要大得多。对于垂直裂缝的构造带,打直井很难钻遇裂缝,若钻定向井或水平井,则钻遇裂缝的机会就大得多；另外,侧钻井,多底井,分支井,大位移井,侧钻水平井,径向水平井,等等定向井的新种类,显著地扩大了勘探效果,增加了原油产量,提高了油藏的采收率。新提法：用钻井方法提高油藏采收率3．处理井下事故的要求当井下落物或断钻事故最终无法捞出时,可从上部井段侧钻打定向井；特别是遇到井喷着火常规方法难以处理时,在事故井附近打定向井<称作救援井>,与事故井贯通,进行引流或压并,从而可处理井喷着火事故。随着定向井钻井技术的发展,定向井建井周期和总成本已接近钻直径的水平,定向钻井已成为油田勘探开发的极为重要的手段。§1-2井眼轨迹的基本概念1、井眼轨迹的基本参数井眼轨迹为空间曲线。为了进行井眼轨迹控制,就要了解这条空间曲线的形状,就要进行轨迹测量,也即"测斜"。目前常用的测斜方法并不是连续测斜,而是每隔一定长度的井段测一个点,这些井段被称为"测段",这些点被称为"测点"。轨迹基本参数：井深、井斜角、井斜方位角。〔1井深〔L指井口〔通常以转盘面为基准至测点的井眼长度,也有人称之为斜深,国外称为测量井深<MeasureDepth,MD>。井深是以钻柱或电缆的长度来量测。井深既是测点的基本参数之一,又是表明测点位置的标志。一个测段的两个测点中,井深小的称为上测点,井深大的称为下测点。井深的增量〔总是下测点井深减去上测点井深。〔2井斜角〔α在井眼轴线上某测点作井眼轴线的切线,该切线向井眼前进方向延伸的方向为井眼方向线。井眼方向线与重力线之间的夹角就是井斜角。图1-2-1井斜角与井斜方位角〔3井斜方位角〔φ某测点处的井眼方向线投影到水平面上,称为井眼方位线,或井斜方位线。以正北方位线为始边,顺时针方向旋转到井眼方位线上所转过的角度,即井斜方位角,简称方位角。一个测段内的井斜角增量总是下测点井斜角减去上测点井斜角。一个测段内的方位角增量总是下测点方位角减去上测点方位角。如图1-2-1〔a所示,A点的井斜角为、方位角为,B点的井斜角为、方位角为,AB井段的井斜角增量、方位角增量分别为：2、井眼轨迹的计算参数轨迹计算参数可用于描述轨迹的形状和位置,可用于轨迹绘图。计算参数包括：〔1垂直深度〔D简称垂深,是指轨迹上某点至井口所在水平面的距离。垂深的增量〔称为垂增。如图1-2-1所示,A、B两点的垂深分别为、,AB井段的垂增〔2N坐标〔N和E坐标〔EN坐标和E坐标是指井眼轨迹上某点在以井口为原点的水平面坐标系里的坐标值。南北坐标轴,以正北方向为正方向；东西坐标轴,以正东方向为正方向。如图1-2-2所示,A、B两点的坐标值分别为、和、,坐标增量以、表示。〔3水平长度〔Lp简称平长,是指井眼轨迹上某点至井口的长度在水平面上的投影,即井深在水平面上的投影长度。水平长度的增量称为平增<>表示。平长和平增是指曲线长度。图1-2-2平移及平移方位角〔4水平位移〔S水平位移简称平移,指井眼轨迹某点至井口所在铅垂线的距离,或指轨迹上某点至井口的距离在水平面上的投影。此投影线称为平移方位线。如图1-2-2所示。A、B两点的水平位移分别为、。在国外,将水平位移称作闭合距。而我国油田现场常特指完钻位置的水平位移为闭合距。〔5平移方位角〔θ指平移方位线所在的方位角,即以正北方位为始边顺时针至平移线上所转过的角度。如图1-2-2所示,A、B两点的平移方位角为θA、θB。在国外将平移方位角称作闭合方位角。而我国油田现场常特指完钻位置的平移方位角为闭合方位角。〔6视平移〔V视平移也称投影位移,是水平位移在设计方位线上的投影长度。视平移用字母V表示。如图1-2-2所示,A、B两点的视平移分别为VA、VB。〔7井眼曲率〔K是指井眼轨迹曲线的曲率。由于实钻井眼轨迹是任意的空间曲线,其曲率是不断变化的。井眼曲率也有人称作"狗腿严重度","全角变化率"。对一个测段<或井段>来说,上、下二测点处的井眼方向线是不同的,两条方向线之间的夹角<注意是在空间的夹角>称为"狗腿角",也有人称为"全角变化"。3、井眼轨迹的图示法一种是垂直投影图与水平投影图相配合,如图1-2-3<a>所示；一种是垂直剖面图与水平投影图相配合,如图1-2-3<b>所示。HHH图1-2-3〔a垂直投影图与水平投影图图1-2-3〔b垂直剖面图与水平投影图〔1水平投影图水平投影图相当于机械制图中的俯视图,就是将井眼轨迹这条空间曲线投影到井口所在的水平面上。图中的坐标为N坐标和E坐标,以井口为坐标原点。在水平投影图上,方位角是真实的。〔2垂直投影图垂直投影图相当于机械制图中的侧视图,即将井眼轨迹这条空间曲线投影到设计方位线所在的那个铅垂平面上。图中的坐标为垂深D和视平移V,也是以井口为坐标原点。优点：垂直投影图与设计的垂直投影图进行比较,可以看出实钻井眼轨迹与设计井眼轨迹的差别,便于指导施工中轨迹控制。〔3垂直剖面图垂直剖面图可以这样来理解：设想经过井眼轨迹上每一个点作一条铅垂线,所有这些铅垂线就构成了一个曲面。这种曲面在数学上称作柱面。当此柱面展平时就形成了垂直剖面图。垂直剖面图的两个坐标是垂深D和水平长度Lp。在垂直剖面图上,井斜角是真实的。4、测点的井眼方向〔1-1作业：下面说法哪些是正确的？某点的井眼方向线就是该点的切线方向。井斜角就是井眼方向线与重力线之间的夹角。井眼轴线上某点处的井眼方向线投影到水平面上,即为该点的井斜方位线。方位角就是井斜方位线与正北方向的夹角。井斜方位角就是方位角。井眼轴线投影到水平面上以后,过其上某一点作投影线的切线,该切线向井眼前进方向延伸部分,即为该点的井斜方位线。..第2章定向井井眼轨迹计算定向井井眼轨道：在一口井钻进之前人们预想的该井井眼轴线形状。定向井井眼轨迹：一口已钻成的井的实际井眼轴线形状。§2-1井眼曲率的计算一、井眼曲率的概念从一点到另一点,井眼前进方向变化的角度〔两点处井眼前进方向线之间的夹角,既反映了井斜角的变化,又反映了井斜方位角的变化,称为全角变化值,或称为狗腿角,通常以γ表示。由于实钻井眼轨迹是任意的空间曲线,其曲率是不断变化的,所以在工程上常常计算井段的平均曲率。所取测〔井段越短,平均曲率就越接近实际曲率。二、井眼曲率的计算公式1、第一套计算公式根据空间微分几何原理推导而来。〔2-1据空间微分几何原理可得：对于一个测段来说,以井斜角变化率和方位角变化率代入,并以测段平均井斜角代替公式中的α,得到式〔2-1。第一套计算公式的证明过程：如右图所示。取微段dL。根据微分几何原理,微段的曲率为：〔2-2根据几何关系对上式求导,令：则得：将上式代入式〔1-2并化简,即得式〔2-1。2、第二套计算公式：Lubinsky根据空间平面圆弧曲线推导而来。〔2-3第二套计算公式的证明<1>：如右图所示,假定测段是斜面圆弧曲线。由△CDE和△C’DE得：联立可得：由几何关系可得：代入上式可得式〔2-3。第二套计算公式的证明<2>：1点的井眼方向单位矢量为：2点的井眼方向单位矢量为：两矢量夹角的余弦为：3、第三套计算公式〔2-4该方法源于沙尼金图解法,是第一套计算公式在井斜角较小且两点的井斜、方位均相差不大情况下的近似。由于上式是任意三角形余弦定理的表达式,因此可以用图解法求γ。第三套计算公式的证明：第一套计算公式为：上式两边同时乘以ΔL,展开后则有：在井斜角较小,两点的井斜、方位均相差不大时有：代入后则有：4、计算方法的选择第一套公式：数学推导严密,适用于各种形状的井眼,具有普遍性。第二套公式：假设井段是平面圆弧曲线,适用于平面曲线的井眼,例如,用弯曲动力钻具定向钻进钻出的井眼。第三套公式：只能是用于井斜角较小,且两点的井斜、方位均相差不大的情况下。我国定向井标准化委员会制定的标准规定：使用第一套计算公式。[例2-1]：某测段长∆L=30m,上测点井斜角=35⁰,下测点井斜角=39⁰,方位角增量=8⁰,试用三种曲率计算方法计算该测段的曲率。方法一：方法二：方法三：[作业2-1]：用不同方法计算狗腿角序号测点参数计算方法和结果α1〔°α2〔°Δφ〔°第一套公式〔°第二套公式〔°第三套公式〔°135398325310460601051015806606080§2-2测斜计算方法一、测斜计算概述1、测斜计算的意义指导施工：将计算结果绘图,及时掌握井眼轨迹发展的趋势,及时采取有效措施；资料保存：井眼轨迹数据,是一口井的最重要数据之一,对钻井、采油、修井、开发等,都有重要意义。2、测斜计算的基本依据测斜数据〔L,α,φ3、测斜计算方法的多样性4、对测斜计算数据的规定测点编号：自上而下,第一个井斜角不为零的测点为第1测点,i=1,2,3,至n。测段编号：自上而下编号,第i-1个测点与第i个测点之间所夹的测段为第i个测段。第1测段,应该是第0测点和第1测点之间的测段。第0测点：有连接点时以连接点作为第0测点；没有连接点时,要规定第0测点：α0=0；L0=L1-25m；φ0=φ1；N0=0；E0=0；S0=0。用于计算全井轨迹的计算数据必须是多点测斜仪测得的数据。磁性测斜仪测得的方位角数据,须根据当地当年的磁偏角进行校正。测点中若有一测点井斜角为零,则该点方位角等于相邻测点的方位角。方位角变化在一个测段内不超过180°。若方位角增量大于180°,应按反转方向计算。[例1-2]：计算以下两测段的方位角增量和平均井斜方位角：〔1上测点井斜方位角350,下测点井斜方位角2550；〔〔2上测点井斜方位角3350,下测点井斜方位角250；〔5、测斜计算的一般过程假设测段形状；计算测段的坐标增量〔,,、水平长度增量〔和井眼曲率〔K；根据测段增量计算测点坐标参数和其他参数,包括：H,N,E,Lp,S,θ,V,共计七项。二、测斜计算方法1、正切法：又称下切点法假设：测段为一直线,方向与下测点井眼方向一致。所有方法中最简单的,计算误差最大的。2、平均角法：又称角平均法假设：测段为一直线,其方向的井斜角和方位角分别为上、下两测点的平均井斜角和平均方位角。3、平衡正切法假设：一个测段由两段组成,每段等于测段长度的一半,方向分别为上、下测点的井眼方向。这种方法在国外用的比较多。4、圆柱螺线法〔曲率半径法1968年,美国人提出了曲率半径法。其假设条件为：测段为一圆滑曲线,该曲线与上、下二测点处的井眼方向相切,而且该曲线在垂直剖面图和水平投影图上都是圆弧。1975年,我国郑基英教授提出了圆柱螺线法。他的假设条件是：两测点间的测段是一条等变螺旋角的圆柱螺线,螺线在两端点处与上、下二测点处的井眼方向相切。可以证明,曲率半径法和圆柱螺线法的假设是一致的。或可以证明,曲率半径法和圆柱螺线法的计算公式是一样的。圆柱螺线法〔曲率半径法特殊情况处理：第一种情况：α1=α2；φ2≠φ1；即Δα=0；Δφ≠0。第二种情况：α1≠α2；φ2=φ1；即Δα≠0；Δφ=0。第三种情况：α1=α2；φ2=φ1；即Δα=0；Δφ=0。5、校正平均角法三角函数sinx可以展开成马克劳林无穷级数的形式：当x小于1时,此级数收敛很快,可近似取前两项,即：当x为〔Δα/2或〔Δφ/2时,则有：将此二式代入到圆柱螺线法公式中,可得：这就是校正平均角法的计算公式。两个系数fA和fH可以看作是平均角法的校正系数。校正平均角法的优点：校正平均角法是从圆柱螺线法公式经过简化而推导出来的。因此,校正平均角法的计算精度,几乎与圆柱螺线法完全相同。最大优点：方法简单,不存在特殊情况处理问题。当式中的括弧等于1时,公式变为平均角法。我国定向井标准化委员会规定,当使用电算进行测斜计算时,要使用校正平均角法。6、最小曲率法〔斜面圆弧法1975年,美国人提出了最小曲率法。其假设条件为：测段为一圆弧线,该圆弧与上、下二测点处的井眼方向相切。可以证明圆弧线是两测点间曲率最小的曲线,最小曲率法因此得名,最小曲率法在国外的测斜计算中得到广泛的应用。石油大学〔华东韩志勇教授在最小曲率法的基础上系统地推导了圆弧法公式,虽然没有在测斜计算中广泛应用,但在定向井的其他方面,得到深入地应用。一般来说,斜平面上是圆弧在垂直剖面图和水平投影图上都不再是圆弧。7、弦步法弦步法是我国刘福齐同志首先提出来的,并且给出了准确实用的计算公式。弦步法亦假设相邻两测点之间的井眼轴线为空间一平面上的圆弧曲线。弦步法认为,我们在测井时并不能测出这个圆弧的长度,而实际测出的是这段圆弧的弦的长度。如图所示,在实际测斜时,由于钻柱或电缆被尽可能拉直,所以钻柱或电缆的轴线并不完全与井眼轴线重合,而是近似地与圆弧形井眼轴线的"弦"相重合。这就使得用钻柱或电缆测得的"测段长度",并不代表"井段长度",而是"弦长"。按照这个假设来计算井眼轨迹的方法就是弦步法。将最小曲率法〔斜面圆弧法计算公式中的ΔL乘以系数,就得到弦步法的公式。三、测斜计算方法的对比选择上述七种计算方法可分为三类：由于曲线法优于直线法和折线法。因此,手算采用平均角法,电算采用曲线法。动力钻具钻出的井眼用最小曲率法；转盘钻钻出的井眼用圆柱螺线法。我国标准化委员会规定：手算用平均角法,电算用校正平均角法。正切法,公认是不准确的,目前已经废弃。将六种计算方法的公式进行数学变换,将其平增和垂增的公式都变化为平衡正切法的公式形式乘一个系数K。圆柱螺线法系数校正平均角法系数最小曲率法〔斜面圆弧法的系数弦步法的系数例2-3：测段的参数为α1=330°；α2=370°；φ1=1960°；φ2=2160°；ΔL=30m。按照六种方法的Ｋ值的大小排出顺序：弦步法>最小曲率法>平均角法>圆柱螺线法>校正平均角法>平衡正切法。校正平均角法与圆柱螺线法的计算值相差非常小,所以,在实际工作中,完全可以用校正平均角法代替圆柱螺线法,而且也有必要作此代替。平衡正切法的计算值总是小于曲线法的计算值。平均角法的计算值介于圆柱螺线法和最小曲率法两种曲线法的计算结果之间,是最接近曲法的计算结果。所以,手算〔包括使用计算器应该选用平均角法。从弦步法和平衡正切法比较来看,在30m长的一个测段内,ΔＨ和ΔLp的计算值相差约10cm。如果是一口3000m的井,将有100个测段,两种方法差别将近10m之多。可见选择计算方法的必要性。提高井眼轨迹测斜计算的准确性,除了选择合适的计算方法外,更加重要的是要采取以下有效措施：提高测斜资料的精度。使用精度较高的测斜仪器,并尽可能使仪器的轴线与井眼轴线相平行。适当加密测点,缩短测段长度。课后作业2-2：完成下列测斜计算：测点号L〔m〔°〔°N〔mE〔mH〔mS〔mK〔°/30m连接点1524.2416.111.0625.464.591521.3826.3211532.2417.340.8921542.8919.00358.231551.9420.120.99〔1用平均角法计算；〔2用校正平均角法计算。四、定向井轨迹常规绘图利用测斜计算结果可以绘出垂直剖面图〔H,Lp、水平投影图〔N,E、垂直投影图〔H,V。垂直剖面图上井斜是真实的,水平投影图上方位是真实的。§2-3定向井轨迹质量评价1.中靶计算已知条件：目标点坐标〔Dt,Nt,Et和实钻井眼轨迹数据。〔1计算中靶点p点的水平坐标：〔2靶心矩的计算：〔3中靶精度计算当DJ<0时,为脱靶；当DJ=0～0.6时,为合格井；当DJ=0.6～0.85时,为良好井；当DJ≥0.85时,为优质井。2.轨迹符合率计算已知条件：设计轨道数据和实钻井眼轨迹数据。〔1计算每个测点到设计轨道水平距离：测点井深〔LiL1L2L3……Ln水平距〔JiJ1J2J3……Jn〔2计算水平距离的加权平均值JJ：〔3轨迹符合率的计算：轨迹质量评价是否合理？对水平井的中靶精度和轨迹符合率问题没法进行正确地评价对狗腿和井眼曲率超标的危害没有考虑..第3章定向井井身剖面设计§3-1轨道设计概述一、设计条件：一般要给定的有：目标点垂深、水平位移、设计方位角等；给定进入目标的要求<例如：目标点或目标段的井斜角>。二、设计内容：根据设计条件,设计出合适的轨道。三、轨道设计的关键：造斜点选择,增斜率和降斜率的选择〔需要经验；轨道关键参数的求得〔需要先进的计算公式。四、轨道自由度及轨道约束方程1、自由度〔DOF的概念将起点位置及方向均给定的轨道或曲线段形状完全固定需要确定的独立自由变量个数称为轨道或曲线段的自由度。2、起点给定时各种曲线段的自由度直线段的自由度为1；二维圆弧段的自由度为2；三维圆弧段的自由度为3。3、轨道自由度为组成轨道的所有曲线段自由度之和,如：三段式轨道的自由度为4；五段式轨道的自由度为7；双增式轨道的自由度为7。4、目标点的约束条件称为轨道约束方程,如：三段式轨道的约束方程数为2；五段式轨道的约束方程数为3；双增式轨道的约束方程数为3。5、轨道设计时需要补充确定的参数个数为轨道自由度和轨道约束方程数之差,如：三段式轨道需要补充确定的参数个数为4-2=2；五段式轨道需要补充确定的参数个数为7-3=4；双增式轨道需要补充确定的参数个数为7-3=4。五、轨道设计的一般步骤根据轨道约束方程数和需要指定的参数之和等于轨道自由度的原则选择轨道形状；确定需要指定的参数大小〔如造斜点、增斜率、降斜率等；建立轨道约束方程组,推导关键参数计算公式；井身参数计算及轨迹绘图。§3-2二维常规轨道设计一、一般会给定的条件目标点的垂深Ht、水平长度St〔井口可移动时相当于没给定、井斜角αt〔单靶时无要求及设计方位角θ0；造斜点井深Ha及造斜点处的井斜角αa；造斜半径R1和R2；一般情况下,造斜点以上设计成垂直井段,αa=0；如果使用斜井钻机,则αa≠0,可根据给定的Ha和αa计算出Sa。二、轨道形状选择凡无特殊要求的单靶定向井,均选择三段式轨道；井口可以移动的多靶定向井,可选多靶三段式轨道；井口不可移动的多靶定向井,需按如下计算结果进行判断选择：若,则选五段式轨道；若,则选双增式轨道；若,则选多靶三段式轨道三段式轨道三段式轨道多靶三段式轨道五段式轨道双增式轨道五段式轨道双增式轨道三、多靶三段式轨道设计1、已知条件目标点的垂深Ht、井斜角αt及设计方位角θ0；造斜点井深Ha及造斜点处的井斜角αa；造斜半径R1；2、建立约束方程3、求出关键参数Lw4、各节点参数计算〔将节点以上各段增量累加即可得到各节点参数直线段增量公式二维圆弧段增量公式〔增斜段取正,降斜段为负5、分点参数计算二维圆弧段〔增斜R取正,降斜R为负二维直线段abab四、双增式轨道设计1、已知条件Ht、St、αt及θ0；Ha、αa及R1和R2；Ldt2、建立约束方程组OOSO1O2αaHtR1HaStR2αbαtHabtdcf3、求关键参数αb和Lw以上公式同样适用于三段式和五段式轨道：对于三段式轨道：R2=0；Ldt=0；对于五段式轨道：R2为负值〔因为第二段为降斜段。课后作业：3-1某定向井设计条件：Ht=1418m,St=930m,Ha=190m,αa=0,K1=3°/30m,试设计该井轨道。3-2给定条件：Ht=3230m,St=1970m,αt=17.50,Ha=270m,αa=0,R1=810m,R2=1580m,靶前稳斜段长482m,试设计该井轨道。要求：先根据轨道自由度和约束条件选择轨道形式,然后根据有关公式进行设计,设计结果按下表形式给出。井段项目第1段…第n段井深<m>

井斜角<°>

垂深<m>

水平长度<m>

§3-3微曲稳斜轨道设计一、用途：常规轨道在增斜到稳斜角之后,有一段稳斜井段。如果稳斜井段较短,则不会有太大问题。如果稳斜井段很长,在钻进过程中,往往出现"稳不住"的情况。解决"稳不住"的问题,有两种方法：使用常规稳斜钻具组合,往往出现降斜。这时可以将轨道设计成"微降稳斜轨道"；设计成"微增稳斜轨道",在钻进时采用微增钻具组合。微增组合的刚度比稳斜组合的刚度要小,有利于钻柱起下,有利于防止卡钻事故。"微降稳斜轨道"和"微增稳斜轨道",都属于"微曲稳斜轨道"。二、一般会给定的条件目标点的垂深Ht、水平长度St〔井口可移动时相当于没给定、井斜角αt〔单靶时无要求及设计方位角θ0；造斜点井深Ha及造斜点处的井斜角αa；造斜半径R1、R2和微曲段半径Rw；一般情况下,造斜点以上设计成垂直井段,αa=0；如果使用斜井钻机,则αa≠0,可根据给定的Ha和αa计算出Sa。三、轨道形状选择凡无特殊要求的单靶定向井,均选择三段式微曲稳斜轨道；井口可以移动的多靶定向井,可选多靶三段式微曲稳斜轨道；井口不可移动的多靶定向井,需按如下计算结果进行判断选择：若,则选五段式微曲稳斜轨道；若,则选双增式微曲稳斜轨道；若,则选多靶三段式微曲稳斜轨道。四、多靶三段式微曲稳斜轨道设计1、已知条件目标点的垂深Ht、井斜角αt及设计方位角θ0；造斜点井深Ha及造斜点处的井斜角αa；造斜半径R1和微曲段半径Rw。2、建立约束方程3、求出关键参数αb4、各节点参数计算和分点参数计算同二维常规轨道设计。五、双增式微曲稳斜轨道设计1、已知条件Ht,St,αt及θ0；Ha,αa,R1,R2及Rw；Ldt2、建立约束方程组OOSO1O2αaHtR1HaStR2αbαtHabtdcf3、求关键参数αb和αc对于三段式微曲稳斜轨道：R2=0；Ldt=0；对于五段式微曲稳斜轨道：R2为负值〔因为第二段为降斜段。[例3-1]：某定向井设计条件：Ht=1418m,St=930m,Ha=190m,αa=0,K1=3°/30m,Kw=0.3°/30m,试设计该井轨道。1、分析：该井Ht和St是给定的,t没给定,说明是一口单靶定向井,Kw=0.3°/30m说明该井为微曲稳鞋轨道,因此,该井应采用三段式微曲稳斜轨道。三段式微曲稳斜轨道的自由度为5,例题中已经给定的约束条件也是5,其中,Ht=1418m和St=930m是轨道约束方程条件,Ha=190m、K1=3°/30m和Kw=0.3°/30m是附加约束条件,αa=0是轨道起点条件,不是约束。由于轨道约束数和自由度数相等,因此轨道形状可以确定。2、求解：〔1求取轨道关键参数αb和αt〔2求各节点参数井段项目oaabbt井深<m>0~190556.331763.73井斜角<°>00~36.6348.71垂深<m>0~190531.871418水平长度<m>0113.17930微曲稳斜轨道设计课后作业：3-3已知：Ht=3230m,St=1970m,αt=17.50,Ha=270m,αa=0,R1=810m,R2=1580m,Rw=5800m,靶前稳斜段长482m,试设计该井轨道。要求：先根据轨道自由度和约束条件选择轨道形式,然后根据有关公式进行设计,设计结果按下表形式给出。井段项目第1段…第n段井深<m>

井斜角<°>

垂深<m>

水平长度<m>

§3-4待钻轨道设计一、问题的提出在定向井轨道控制过程中,由于各种因素的影响,常常会使实钻轨迹与设计轨道间出现偏差,若这种偏差较小,不影响中靶,可继续钻进,否则就需要进行待钻轨道设计。由于实钻轨迹井底的井斜方位线与目标点所在的设计方位线通常不会重合,因此待钻轨道设计属于三维轨道设计。二、一般会给定的条件当前井底的所有参数,包括垂深Ho、水平长度So、N坐标No、E坐标Eo、井斜角αo及方位角φo等；目标点的垂深Ht、N坐标Nt和E坐标Et；各造斜段的半径R1、R2等；根据中靶要求不同,目标点的井斜角αt及方位角φt也可能是给定的；三、轨道形状选择凡无特殊要求的待钻轨道设计,均选择"圆弧段+直线段"轨道；要求以给定井斜中靶的待钻轨道设计,可选择"直线段+圆弧段+直线段"轨道；要求以给定方位中靶的待钻轨道设计,可选择"直线段+圆弧段+直线段"轨道；要求以给定的井斜及方位中靶的待钻轨道设计,可选择"圆弧段+直线段+圆弧段+直线段"轨道。四、无特殊要求的待钻轨道设计1、已知条件Lo、Ho、So、No、Eo、αo及φo等Ht、Nt和Et；R1…等。2、建立约束方程3、求关键参数和Lw4、求节点b参数其中,M点坐标为：5、分点参数计算其中,m、n点坐标为：五、以给定井斜中靶的待钻轨道设计1、已知条件Lo、Ho、So、No、Eo、αo及φo等Ht、Nt、Et和αt；R1、R2等。2、建立约束方程六、以给定方位中靶的待钻轨道设计1、已知条件Lo、Ho、So、No、Eo、αo及φo等Ht、Nt、Et和φt；R1、R2…等。2、建立约束方程七、以给定井斜和方位中靶的待钻轨道设计1、已知条件Lo、Ho、So、No、Eo、αo及φo等Ht、Nt、Et、αo和φt；R1、R2和Lw2等。2、建立约束方程第4章井眼轨迹预测方法§4-1井眼轨迹预测的外推法外推法是根据目前的井眼轨迹发展变化规律和趋势预测未知井眼轨迹的方法。外推法主要适用于井内钻具组合没有更换、钻进方式和条件没有改变时井眼轨迹预测。主要方法有：自然参数曲线外推法圆柱螺线外推法斜面圆弧外推法恒装置角曲线外推法一、自然参数曲线外推法自然参数曲线外推法认为已钻井眼的轨迹变化规律是井斜变化率和方位变化率均保持常数,并且这种趋势还将保持下去。自然参数曲线外推法主要适用于存在方位漂移井段的井眼轨迹预测。自然参数曲线外推法的关键是：如何获取井斜变化率和方位变化率？井斜变化率和方位变化率确定后如何预测轨道？1、计算井斜变化率和方位变化率分别计算出最近1~3个测段内井斜变化率和方位变化率,然后取其算术平均值作为预测用的井斜及方位变化率。2、根据井斜及方位变化率预测井眼轨迹b点为当前井底；j点为预测点；Lj为预测点到当前井底的距离。二、圆柱螺线外推法圆柱螺线外推法认为已钻井眼的轨迹是一条等变螺旋角的圆柱螺线,即在垂直剖面图和水平投影图上均为圆弧,并且这种趋势还将保持下去。圆柱螺线外推法主要适用于转盘钻进井段的井眼轨迹预测。圆柱螺线外推法的关键是：如何获取圆柱螺线在垂直剖面图和水平投影图上的曲率？以及曲率确定后如何预测轨道？1、计算垂直剖面图上井眼轨迹曲率KH和水平投影图上井眼轨迹曲率KA分别计算出最近1~3个测段内KH和KA,然后取其算术平均值作为预测用的KH和KA。2、根据KH和KA预测井眼轨迹b点为当前井底；j点为预测点；Lj为预测点到当前井底的距离。三、斜面圆弧外推法斜面圆弧外推法认为已钻井眼的轨迹是一斜平面上的圆弧线,并且将来的轨道仍然在该斜平面圆弧上。斜面圆弧外推法主要适用于保持造斜工具面不变时动力钻具定向钻进井段的井眼轨迹预测。斜面圆弧外推法的关键是：如何获取斜面圆弧的曲率及其法线矢量？在曲率和法线矢量确定后如何预测轨道？自然参数曲线、圆柱螺线和斜面圆弧都是三自由度曲线,当给定曲线的两个特征参数和曲线段长后,就可以计算出预测点各参数。自然参数曲线和圆柱螺线的两个特征参数分别为K、K和KH、KA,且特征参数在曲线的任意点上均保持不变,所以可以用平均法求其特征参数。斜面圆弧的两个特征参数是圆弧的曲率K和斜平面对应的装置角,与前面两种曲线不同的是圆弧的特征参数在斜面圆弧的不同位置处是不一样的,这就使得无法用平均法求其特征参数。虽然斜面圆弧的特征参数在斜面圆弧的不同位置处是不一样的,但斜面圆弧的斜平面法线矢量却是不变的,因此,我们以斜面圆弧的单位法线矢量和曲率作为其两个特征参数,通过计算最近1~3个测段内曲率K和单位法线矢量,然后取其平均值作为预测用的K和。1、计算斜面圆弧的曲率K和单位法线矢量2、根据K和单位法线矢量预测井眼轨迹要预测井眼轨迹,需先知道预测点处的井眼方向单位矢量b点为当前井底；j点为预测点；Lj为预测点到当前井底的距离。当预测点j处井眼方向单位矢量确定后,就可以计算出预测点出的井斜角j和方位角j。当预测点j处井斜角j和方位角j确定后可以按下式计算其它参数。四、恒装置角曲线外推法恒装置角曲线外推法认为已钻井眼的轨迹是一条井眼曲率不变、装置角恒定的曲线〔即恒装置角曲线,并且将来的轨道仍然在该曲线上。恒装置角曲线外推法主要适用于保持装置角恒定时动力钻具定向钻进井段的井眼轨迹预测。恒装置角曲线外推法的关键是：如何获取恒装置角曲线的曲率及其装置角的大小？在曲率和装置角确定后如何预测轨道？1、计算恒装置角曲线的曲率K和装置角恒装置角曲线的两个特征参数是曲线的曲率K及其装置角,且在曲线的任意点上,这两个参数都保持恒定,因此可以通过计算最近1~3个测段内曲率K和装置角,然后取其平均值作为预测用的K和。2、根据K和预测井眼轨迹b点为当前井底；j点为预测点；Lj为预测点到当前井底的距离。五、四种曲线特性的比较自然参数曲线、圆柱螺线和恒装置角曲线的井斜变化率都是恒定的,方位变化率分别为恒定、随井斜角增大而增大、随井斜角增大而减小。自然参数曲线：圆柱螺线：恒装置角曲线：四种曲线中,只有斜面圆弧和恒装置角曲线的曲率是恒定的,自然参数曲线和圆柱螺线的曲率都是随井斜角增大而增大。自然参数曲线：圆柱螺线：恒装置角曲线：斜面圆弧：§4-2工具造斜率的预测方法工具造斜率是指某种工具钻出的井眼曲率大小工具造斜率的预测在上个世纪八、九十年代曾是井眼轨迹预测和控制的焦点之一,因为一旦工具造斜率分析准了,井眼轨迹的预测和控制就变得易如反掌。但后来……目前,有代表性的预测方法有：测斜数据反算法三点定圆法〔ThreePointGeometry平衡曲率法〔BalanceCurvature一、测斜数据反算法就是根据实钻轨迹数据反算出工具的造斜率。得到的造斜率只能用于具有相同底部钻具组合且钻进方式和条件基本不变的井眼轨迹预测。利用测斜数据反算工具造斜率同斜面圆弧外推法求井眼曲率的方法是一样的。测斜数据反算法只是反算工具造斜率,在不同的装置角下,其预测的井眼轨迹就不一样。这点与斜面圆弧或恒装置角外推法是不同的。二、三点定圆法三点定圆法是美国H.Karisson等人提出的一种计算带有双稳定器单弯壳体动力钻具组合造斜率的方法。他们认为,钻头和两个稳定器这三点肯定与下井壁相接处,由于不共线的三点可以确定一个圆弧,因此这三点确定的圆弧的曲率就是实钻井眼的曲率。假设单弯壳体动力钻具的弯角为2,第一个稳定器到钻头的距离为L2,第二个稳定器到第一个稳定器的距离为L1,则有：由于1、2和2都是小角度,因此：三点定圆法的缺点：只能用于带有双稳定器单弯壳体动力钻具组合造斜率的计算；未考虑钻柱受力及变形对工具造斜率的影响；未考虑井眼扩大对工具造斜率的影响。三、平衡曲率法平衡曲率法是美国M.Birades和R.Fenoul首先提出的一种计算任意BHA造斜率的方法。平衡曲率法认为,对于任意一套底部钻具组合,在将其放入一定曲率的井眼中时钻头侧向力要么为零,要么指向井眼轴线内法线方向或外法线方向,只要钻头侧向力不为零井眼曲率就要变化,最后都会趋向于使钻头侧向力为零的一个井眼曲率而稳定下来,平衡曲率法就是以钻头侧向力为零时的井眼曲率作为工具的造斜率。平衡曲率法的关键是计算一定曲率井眼中的钻头侧向力。钻头侧向力的计算涉及到非常复杂的底部钻具组合受力及变形分析,很难得到一个解析的表达式。可以采用非线性有限元法进行求解,或简化为纵横弯曲梁进行分析。§4-3给定造斜率的井眼轨迹预测方法在工具造斜率已知的条件下,定向钻进的方法不同,得到的井眼轨迹是不同的；保持造斜工具面不变得到的是一条斜面圆弧,保持装置角不变得到的是恒装置角曲线；因此,在工具造斜率已知的条件下,可以有斜面圆弧预测法和恒装置角曲线预测法两种方法进行井眼轨迹的预测。一、斜面圆弧预测法b点为当前井底；j点为预测点；Lj为预测点到当前井底的距离预测点j的井斜角和方位角计算公式推导：右图中,b点为当前井底,j点为预测点,o点为预测圆弧段的圆心,R为圆弧段的半径,j为预测段狗腿角,为装置角；1方向为当前井底的井眼方向,2方向为当前井底的高边方向,3方向与1、2方向均垂直。1、2、3方向的单位矢量分别为：j点方向的单位矢量可以表示为：j点方向的单位矢量还可以j点井斜角和方位角表示为：两种方法计算的j点方向单位矢量在垂深方向分量应相等,故有:由Lubinski狗腿角公式可知：二、恒装置角曲线预测法b点为当前井底；j点为预测点；Lj为预测点到当前井底的距离。恒装置角曲线井斜变化率和方位变化率的推导：前面我们推导了斜面圆弧法计算预测点井斜角j的公式：从j点按斜面圆弧再向前钻进dl,则钻进后的井斜角为：从j点按恒装置角曲线再向前钻进dl,则钻进后的井斜角为：对斜面圆弧公式两边分别微分后有：对恒工具面角曲线公式两边分别微分后有：§4-4钻头与地层相互作用模型简介井眼轨迹的形成是非常复杂的,它受到众多因素的影响,主要的有：钻头力的大小和方向；钻头偏转角及装置角〔相对于井眼轴线；钻头切削的各向异性；地层的倾角、倾向及其不均质性和各向异性。井眼轨迹预测的外推法避开了考虑以上因素,它通过相似原理来预测,因此它的适用范围有限〔一是要有已钻的轨迹数据,另一个是要有相似条件；平衡曲率法是预测工具造斜率较好的方法之一,但它没有考虑地层的影响,而且只能计算钻头侧向力为零时的曲率〔即平衡曲率,而预测井眼轨迹需要知道工具在任意时候的曲率,钻头与地层相互作用模型就是基于这种需要提出来的。钻头与地层相互作用模型主要组成底部钻具组合受力及变形分析模型地层力计算模型钻头侧向切削地层模型钻头轴向切削地层模型〔钻速方程轨道参数计算模型钻头与地层相互作用模型预测井眼轨迹看起来很完美,但实际效果并没有想象的好,主要原因：模型中有些参数无法准确得到,如地层各向异性系数、地层倾角和倾向、井眼直径等模型中有些参数在钻进过程中是变化的,如钻头的性能等模型没有考虑地层非均质性的影响某些分模型本身计算就有误差,如底部钻具组合受力及变形分析模型等..第5章管柱的摩阻扭矩计算摩阻扭矩计算概述摩阻扭矩计算的软模型摩阻扭矩计算的一般步骤一、摩阻扭矩计算概述随着水平井、大位移井等大斜度定向井的出现,摩阻扭矩问题逐渐被人们认识和重视；大斜度井的突出特点是水平位移较大,且大部分井段井斜超过60°,这使得在钻进、起下钻和下套管等作业过程中摩阻扭矩问题非常突出；摩阻扭矩过大,轻则会增加施工难度,延长作业时间,重则使钻井作业无法进行,导致井眼提前完钻或报废。1.摩阻扭矩的主要危害钻柱起钻负荷很大,下钻阻力很大；滑动钻进时加不上钻压,钻速很低；旋转钻进时扭矩很大,导致钻柱强度破坏；钻柱与套管摩擦,套管磨损严重,甚至被磨穿；套管下入困难,甚至下不到底。2.摩阻扭矩计算的主要模型现有的摩阻扭矩计算模型主要有三种,软模型、硬模型和有限元模型；不管哪种计算模型其核心都是通过合理地假设以便求出管柱与井壁的接触正压力,从而求出摩阻扭矩；软模型和硬模型都假设管柱与井眼轴线形状一致,且与井壁连续接触,虽然硬模型考虑了管柱的刚性对摩阻扭矩的影响,但其计算精度有时还不如软模型,因为管柱刚性与"管柱与井眼轴线形状一致"是不符合实际情况的；有限元模型假设与实际很接近,精度高,但计算困难。二、摩阻扭矩计算的软模型1.软模型的基本假设管柱类似于软绳,其刚性很小,可以忽略；管柱与井眼轴线形状完全一致,且与井壁连续接触；井壁为近似刚性的；忽略管柱和井眼局部形状如钻杆接头、扶正器、井径扩大等对摩阻扭矩的影响；忽略钻柱动态因素的影响。2.软模型的计算思路管柱的摩阻扭矩和大钩载荷。根据井眼轨迹测斜数据或分点计算数据将管柱分为相应的计算单元<微元>；对于每个微元来说,它的单位长度的浮重是已知的,只要知道微元的下端轴向力就可以计算出该微元的接触正压力、摩阻摩扭和上端轴向力；最下面一个微元的下端轴向力就是钻压或为零,这样自下而上逐个微元进行计算就可以计算出整个管柱的摩阻扭矩和大钩载荷。3.管柱微元受力分析右图所示,1平面为管柱微元所在的斜平面,2平面为过微元中点切线方向的铅垂面以微元中点为原点,分别以中点的切线、主法线和副法线方向为三个坐标轴的方向建立微元随动坐标系<et,en,eb>；将重力向随动坐标系三个坐标轴方向上分解,则有：根据管柱微元的合力在三个坐标方向上均为零列平衡方程,则有：4.管柱微元正压力计算解上述方程组并化简,则有：三、摩阻扭矩计算的一般步骤收集数据,包括：井眼轨迹测斜数据〔对于设计轨道来说是其分点计算数据、管柱组合数据〔包括各段长度、外径、内径、接头外径、扶正器外径、每米重量等、泥浆密度、钻压、转速、套管下深、摩阻系数、井眼直径等；将管柱组合划分为若干个微元或单元,对于软模型或硬模型,可以将一个测段划成一个微元,若一个测段内管柱参数不一样,则需要将不同的管柱分成不同的微元；对于有限元模型,需要划分成若干个单元,单元长度不能相差太大。..第6章定向井〔水平井专用井下工具§6-1无磁钻铤1、无磁钻铤的材料及性能无磁钻铤的材料多为蒙乃尔合金<monels>；弹性模量为26*106磅/英寸。无磁钻铤使用无磁材料制成,目前现场使用无磁钻铤的材料多为蒙乃尔合金<monels>,它的弹性模量为26*106磅/英寸,普通钢钻铤弹性模量为29*106磅/英寸,铝为11*106磅/英寸。2、无磁钻铤的作用为磁性测量仪器提供无磁环境。当使用磁性单多点测斜仪测量井眼数据时,磁罗盘必须与地球磁场相符合,罗盘所在的钻柱处不能有使罗盘读数失真的局部磁场。普通钢钻铤是可以磁化的,尤其在接头处还会形成"磁极"。为了防止罗盘失真,必须将罗盘放置在无磁环境中,所以仪器保护筒和测量时仪器所在的钻铤必须都使用不能磁化的无磁材料制成。一般使用铜、镍、铬和其他金属合金制成。3、无磁钻铤的安放位置及长度的确定降斜钻具组合：无磁钻铤直接与钻头连接；增斜钻具组合：无磁钻铤安放在近钻头稳定器上方；井底动力钻具组合：无磁钻铤应安放在动力钻具或弯接头之上。图5-2无磁钻铤长度选择图无磁钻铤长度的确定及测量时罗盘所处的位置与井斜角、井斜方位角及井位所处的地理位置有关系的。在曲线A以下,无磁钻铤选用9米〔一单根在曲线B以上,无磁钻铤选用18米〔两单根在曲线A与B之间,钻具组合使用一个近钻头稳定器时,无磁钻铤选用9米,无磁钻铤以下是多个稳定器或动力钻具时,无磁钻铤选用18米。§6-2螺杆钻具螺杆钻具是容积式井下动力机械,其作用是把钻井液的水力能转化为机械能供给钻头。螺杆钻具是目前最广泛使用的一种井下动力钻具,主要用于定向井、水平井的造斜及扭方位施工,一部分也用于直井反扣或侧钻作业中。美国50年代中期开始研制螺杆钻具,1962年用于生产,不同厂家生产的有迪纳钻具〔Smith公司、纳维钻具〔Christense公司和波斯钻具,其基本原理都是基于容积式马达,只是内部结构和技术参数略有不同。至80年代中期,美国的迪纳钻具已发展成两个系列10种规格,纳维钻具有两个系列14种规格。随着配套部件质量的提高,螺杆钻具工作寿命从原来的30～40h,提高到100h以上,1980年在美国俄克拉荷马州创造了连续运转429h的新记录。我国的螺杆钻具生产在80年代中后期才形成一定规模,目前,常规螺杆钻具已规格化系列化,各主要厂家如大港、北京、XX、潍坊的产品已覆盖国内绝大部分市场。某些厂家也已着手研制小径螺杆、铰接螺杆、中空螺杆等一些专用产品,并取得一定的成果,但在工作寿命、易损件耐磨性、特种螺杆钻具制造方面与国外有一定的差距。一、基本结构与原理螺杆钻具由四个部件组成,从上至下依次是：〔1旁通阀总成；〔2马达总成；〔3万向轴总成；〔4传动轴总成。螺杆钻具的工作原理：通过钻井液挤压转子与定子之间的密封腔,推动转子自转；经万向轴的转换,把行星转动变为轴心转动,带动钻头旋转,即把钻井液的液力能通过螺杆转换成机械能。1、旁通阀旁通阀是螺杆钻具的辅助部件,它的作用是在停泵时使钻柱内空间与环空沟通,以避免起下钻和接换单根时钻柱内钻井液溢出污染钻台,影响正常工作。旁通阀由阀体、阀芯、弹簧、筛板等组成,如图1所示。在开泵时,钻井液压力迫使阀芯向下运动,造成弹簧压缩并关闭阀体上的通道〔一般有5个沿圆周均匀分布的通道孔,内装筛板过滤异物,此时螺杆钻具可循环钻井液或正常钻进。当停泵时,钻井液压力消失,被压缩的弹簧上举阀芯,旁通阀开启,使钻柱内空间与环空沟通。显然,旁通阀不是螺杆钻具工作时的必须部件。在水平钻井中,为了防止停泵时环空钻井液内的岩屑从旁通阀的筛板进入马达,往往不装旁通阀,或把旁通阀的弹簧取出来使旁通阀呈常闭状态,而在直井段的钻柱上安装1个钻柱旁通阀,来代替钻具旁通阀的作用。2、马达总成马达是螺杆钻具的动力部件,马达总成实际上是由转子和定子两个基本部分组成的单螺杆容积式动力机械。转子是一根表面镀有耐磨材料的钢制螺杆,其上端是自由端,下端与万向轴相连。定子包括钢制外筒和硫化在外筒内壁的橡胶衬套,橡胶衬套内孔为一个螺旋曲面的型腔。图2示出了马达转子和定子在某一横截面上的线型关系。根据马达线型理论研究结论可知：转子线型和定子线型应是一对摆线类共轭曲线副,常用的马达转子若为N头摆线线型,则定子必为N＋l头摆线线型；转子和定子曲面的螺距相同,导程之比为N/〔N＋l。在工程上,N一般为从1至9的正整数。由干万向轴约束了转子的轴向运动,所以高压钻井液在流过马达副时,不平衡的水压力驱动转子作平面行星运动,转子的自转转速和力矩经万向轴传给传动轴和钻头。转子轴线和定子轴线间有一距离,称为偏心距,一般以e表示。定子橡胶衬里有一定的耐温性能和抗油性能。现在,绝大多数的马达衬里都采用丁腈橡胶,这在一般的水基钻井液和水包油钻井液中使用良好。但水平井常用油基钻井液,会造成橡胶膨胀,影响螺杆钻具的工作性能和寿命。这在设计水平井用螺杆钻具时是一个要认真研究的问题,选择合适的油基品类和牌号可减轻膨胀。另外,对于深井和地温梯度高的水平井,设计螺杆钻具时要考虑橡胶的耐温性能,必要时要选用特殊的抗高温橡胶。3、万向轴总成万向轴总成由两个元件组成：壳体和万向轴。壳体通过上、下锥螺纹分别和马达定子壳体下端及传动轴壳体上端相连接。直螺杆钻具的万向轴壳体无结构弯角,而弯壳体螺杆钻具的万向轴壳体则是一个带有结构弯角的弯壳体。万向轴有几种不同的结构形式,例如应用最普遍的瓣型连接轴〔如图3所示和挠性连接轴〔有一定柔度,上下两端为连接螺纹的光轴,以及其它形式的万向轴。万向轴的上端和马达转子下端相连,而下端则和传动轴上端的导水帽相连。万向轴的作用是把马达转子的平面行垦运动转化为传动轴的定轴转动,同时把马达的工作转矩传递给传动轴和钻头。螺杆钻具在工作或循环钻井液时,从马达内流出的钻井液穿过万向轴壳体内壁与万向轴间的空间,通过传动轴上端导水帽的通道进入传动轴的内部通道,然后从钻头水眼流出。4、传动轴总成传动轴总成的结构如图4所示。它由壳体、传动轴、上部推力轴承、下部推力轴承、径向扶正轴承组及其它辅助零件总装组成。上、下推力轴承分别用来承受钻具在各种工况下产生的轴向力。径向扶正轴承组则用于对传动轴进行扶正,保证其正常工作位置。早期的螺杆钻具传动轴不采用滚动径向轴承组,而是用一个套筒形的滑动轴承,它是在钢制圆筒内壁压铸耐磨橡胶构成的,在橡胶内壁刻育沿圆周均布的轴向沟槽、用于对分流润滑和冷却轴承的钻井液进行限流,因此通常称限流器。如上所述,流经万向轴壳体的钻井液从导水帽进入传动轴的中间流道,同时也有一小部分钻井液〔约7%以内流经轴承组进行润滑和冷却,然后从传动轴壳体下部排向环空。传动轴总成的推力轴承是螺杆钻具最易损坏的部位,因为螺杆钻具在恶劣的井底环境中工作时,轴承组负荷重,且为幅度很大的交变载荷,很易造成滚珠、滚道磨损,甚至碎裂。理论分析和现场使用经验表明,这种情况常发生在上部推力轴承。因此,对轴承组结构与材质的改进一直是螺杆钻具设计研究的重点,例如把轴承材质改为优质的TC硬质合金,把滑动扶正轴承换为滚动径向扶正轴承等。常规螺杆钻具的传动轴外壳上不带稳定器。用于水平井的螺杆钻具,一般在传动轴壳体上带有稳定器。对干中曲率造斜用的螺杆钻具,为了保证有足够的造斜率,往往要求压缩万向轴壳体弯点至钻头的距离,这就需要设计轴向尺寸较小的传动轴总成。二、螺杆钻具的工作特性1、理论工作特性单螺杆马达是典型的容积式机械,下面简要分析一下螺杆钻具的理论工作特性。在不计损失时,根据容积式机械工作过程中的能量守恒,在单位时间内钻头输出的机械能〔应等干单螺杆马达输入的水力能〔。则有：〔1根据容积式机械的转速关系。有〔2由以上两式及,可得〔3〔4式中：—马达理论扭矩；—钻头理论角速度；—钻头理论转速,即马达输出的自转转速；—马达进出口的压力降；—马达每转排量,是一个结构参数,仅与线型和几何尺寸有关；—流经马达的流量,即"排量"；—理论功率。分析〔2、〔3式可得如下重要结论：螺杆钻具的转速只与排量Q和结构有关,而与工况〔钻压、扭矩等无关；工作扭矩与压降和结构有关,而与转速无关；转速和力矩是各自独立的两个参数；螺杆钻具具有硬转速特性〔不因负载M增大而降低转速和良好的过载能力〔增大可导致工作转矩M变大；泵压表可作为井底工况的监视器,由变化来判断和显示井下工况〔MT和钻压比；转速n随排量Q的变化而线性变化,因此可通过调节排量Q很容易地进行转速调节；工作扭矩MT与转速n、均与结构〔q有关,增大马达的每转排量,可获得适合于钻井作业时的低速大扭矩特性。图5给出了螺杆钻具〔单螺杆马达的理论工作待性曲线。2、实际工作特性事实上,螺杆马达存在转子与定子间的摩擦阻力和密封腔间的漏失,其它部分〔如传动轴的轴承节也存在机械损失和水力损失。因此,螺杆钻具存在机械效率和水力效率,其总效率为：〔5其实际转矩M、钻头实际转速n和实际输出功率N0为：〔6〔7〔8式中：C——马达的转矩系数〔9、——其意义将在下文提及。图6是某螺杆钻具由试验台架做出的实际工作特性曲线。图中称为马达起动压降,一般为0.5～1MPa左右,视转子和定子间的配合松紧程度而定；称为负荷压降,又称为工作压降；称为总压降。三者之间的关系为：〔10或〔11当把螺杆钻具提离井底循环钻井液时,与加上钻压钻进时地面泵压表的差值就是。图6中的曲线称为负荷效率曲线。负荷效率是不计马达起动阶段的压降和有关损失,只计工作阶段输出机械能与有用水力能〔间比值关系的一种计算效率,为：〔12对比图5和图6,可发现螺杆钻具实际特性与理论特性间的差异：由干水力效率的影响,导致实际转速n随的增大而降低,是由于马达定子橡胶衬套在作用下的变形和漏失所引起的；转矩M仍与成线性关系,M随的增大而线性增加,表明螺杆钻具实际上仍有良好的过载能力；当钻压变大时,导致钻头阻力矩增加,此时马达压降增大导致马达转矩M增大以克服阻力矩,但同时引起相应的转速降低。当逐渐增大到临界值时n=0,即钻头转速为零出现制动,此时转矩M达到Mmax,称为制动力矩。当钻具出现制动时,进入马达的钻井液排量Q全部由转子和变形了的定子橡胶衬里间的缝隙漏失,,转子停转,总效率。制动工况使钻具的转子、万向轴和传动轴承受最大扭矩Mmax,密封线承受最大压差,对工具危害甚大,因此应予避免。在操作时应缓慢施加钻压,如果一旦发生制动工况〔此时钻台上泵压表数值突增,应立即将钻具提离井底循环钻井液,待泵压表的压力值下降后再下放钻具缓慢施加钻压。由上述分析可知,螺杆钻具的实际转速特性与有关,而变得比理论工作特性要"软"。但是,转速曲线的前面部分相对平缓,下降速率相对较小,所对应的负荷效率值较大。定义负荷效率最大的工况为螺杆钻具的工作点,工作点对应的工作参数应是螺杆钻具工作的最优参数,如产品说明书上推荐的额定排量、额定钻压、额定扭矩、额定转速和额定功率。按照规定,用户在现场应用中应尽量使螺杆钻具工作在其工作点附近。在这一范围内,螺杆钻具仍具有很强的转速硬特性,这一点是涡轮钻具与之无法相比的。三、螺杆钻具的分类通常根据螺杆马达的结构特征及其结构参数进行分类。最常用的方法是根据螺杆钻具外径及万向轴壳体结构进行分类。1、按螺杆马达的结构特征分类〔1按螺杆马达转子端面线型的"头数"N〔Lobe,又称波瓣数,可把螺杆钻具分为单头钻具和多头钻具。一般取N=1~9。N=1为单头马达〔钻具,N2为多头马达。单头马达具有高转速、小扭矩特性。多头马达具有低转速、大扭矩特性。〔2按马达转子与定子头数的关系进行分类。原理上讲,只要二者头数相差为1,均可构成螺杆马达,因此可分为N/〔N+1型N/〔N－1型两种马达。目前在油气井作业中普遍采用N/〔N+1型螺杆钻具。〔3按马达"级数"进行分类。粗略地讲,螺杆马达的定子－转子运动副的长度与定子导程长度的比值,即定子－转子运动副所包含的定子导程的整倍数,工程上称为螺杆马达的级数〔Stage。级数选择是马达设计要考虑的重要内容。级数S1才能构成可应用的马达。实际用于钻井作业的螺杆钻具马达,单头的多在3级以上,多头的多在2级以上。级数越多,马达可输出的工作力矩值越大。2、按螺杆钻具〔马达的公称外径分类该分类方法主要是便于钻井工作者根据所钻井眼尺寸来选择相应直径的螺杆钻具〔马达,或螺杆钻具的设计制造部门根据井眼尺寸系列来开发生产螺杆钻具的系列与规格。常见的用于中、大井眼尺寸的螺杆钻具有Φ165mm,Φ172mm〔用于Φ216mm井眼；Φ197mm,Φ203mm〔用于Φ244mm～Φ311mm井眼；Φ244mm〔95/8in〔用于Φ311mm以上井眼。常见的用于小井眼尺寸〔Φ152mm以下的螺杆钻具有Φ120mm〔43/4in,以及Φ100mm〔448in、Φ95mm〔33/4in、Φ89mm〔31/2in、Φ54mm〔21/8in等。这些小尺寸螺杆钻具多用于油气井的套管开窗侧钻和修井作业,以及地质勘探和其他地下工程的钻小孔作业。3、按螺杆钻具万向轴壳体结构特征分类根据螺杆钻具的万向轴壳体是否带有结构弯角,可讲螺杆钻具划分为常规的直螺杆钻具〔无结构弯角和弯壳体螺杆钻具〔带结构弯角。直螺杆钻具上方加配弯接头主要用于钻常规定向井。弯壳体螺杆钻具主要用于钻水平井、大位移井、多分支井等,而且随着钻井技术发展及螺杆钻具弯壳体品种规格的增加,弯壳体螺杆钻具的应用更加普遍。四、弯壳体动力钻具水平井动力钻具包括直马达加螺旋稳定器动力钻具和各种型号的单弯、同向双弯、异向双弯导向动力钻具,不同的动力钻具在水平井钻井过程中,各自起着不同的作用。导向动力钻具是近年发展起来的一种新型的钻井工具,单弯、同向双弯动力钻具有造斜率高、造斜的效果好的特点,是水平井钻井必备工具之一；异向双弯导向动力钻具,常用于水平井段钻进,有微增、降斜的功能,稳斜、稳平效果好,可配合旋转方式钻进,控制轨迹方便。导向动力钻具的技术关键是各弯点的选择及弯角加工精度的控制。1、单弯螺杆钻具单弯螺杆钻具的设计是根据弯接头配接普通直马达钻具组合用于造斜的基本原理,按照动力钻具在水平井中的工作要求,在现有直螺杆钻具结构基础上改制而成的。它可以获得较高的造斜率,为达到更好的稳定效果使用中通常配以上下两个稳定器,设计主要需要解决三项关键技术：〔1弯壳体及弯点的确定螺杆钻具马达部分在普通直壳体中具有良好的工作条件,但为了水平井高造斜率施工的需要,增斜钻具的弯点必须下移,这就要求将马达的直壳体改为弯壳体。壳体弯点的选定应不影响其它全部件的工作、不影响矩扭功率的输出,从螺杆钻具的结构分析可以看出,钻具的最低弯曲部位只能选择在万向轴壳体上。螺杆钻具的万向轴依靠两只反向装配的万向节构成柔性联接,将转子的行星运动转化成传动轴的定轴转动,使马达产生的扭矩传至钻头。由于万向轴的运动形式是以下万向节为锥尖的倒园锥运动,为避免在外壳上选取弯点位置时可能引起的万向轴与壳体相互干涉,本项设计中弯壳体弯点选在下万向节相应的部位、即运动锥尖处。实际使用证明这种选择是正确的,并取得了良好的效果。弯壳体角度的设计是根据钻具造斜能力的计算和实际使用要求确定的。其系列范围选在0.75～2°之内,级差为0.25°,精度公差＜0.1°。〔2近钻头稳定器位置的确定对动力钻具近钻头稳定器的设计考虑,前面已作过论述。近钻头稳定器的位置,直接影响到单弯动力钻具组合的造斜能力,本设计是根据"七·五"期间有关定向井技术研究的成果,并参考国外部分样机资料确定的,即稳定器中心位置距动力钻具的钻头接头端面的0.85米。按上述原则确定的位置,稳定器应装于动力钻具传动轴壳体部位。从安装工艺考虑,先后设计过套装式和整体式两种形式的结构。套装式稳定器采用焊接方式组装,便于扶正条与钻具背弯方向的对正；整体式是将传动轴与稳定器加工成一体,结构强度可靠,加宽扶正翼与钻具背弯方向的对位在工厂完成,互换性较差。〔3采用中空分流马达原有动力钻具许用排量范围较小,使提高环空返速和携屑能力受到限制,为适应大斜度及水平井段钻进施工中需要较大排量的要求,将钻具的转子设计成中空形式、增加了分流孔道,并在上部装有限流喷嘴。限流喷嘴采用普通钻头所用的喷嘴,来源广泛,其孔径可根据需要的分流量进行选择。2、同向双弯动力钻具同向双弯动力钻具的基本结构与单弯动力钻具相同,所不同之处是在单弯钻具的旁通阀和马达定子之间增加了一个弯向与万向节弯外壳方向一致的弯接头。在这样两个同向弯度的作用下,钻具的造斜能力将有增加,并且在无稳定器工作条件下,上下两个弯点与井壁接触可以保持钻具有较稳定的造斜率。为便于制造和使用管理,同向双弯动力钻具的上弯角统一确定为１°,下弯角按需要作成1.25～2°,系列差值为0.25°；上下两个弯度在工厂装配时对正、使之弯向相同,弯向偏差＜±2.5°。3、异向双弯导向动力钻具〔ＤＴＵ异向双弯动力钻具是在单弯的基础上改制的,主要用于水平段的稳平钻进。其万向节外壳上设有两个弯点,位置分别与万向节的两个节点对应,两个弯点所形成的钻具弯曲方向各互相异。这种组合,与单弯钻具相比钻头偏移量减少,动力钻具各部分所受应力降低,可使钻出的井眼更趋平滑,在需要时能以转盘方式钻进,使轨迹控制达到要求。设计确定上下两个弯度的比值为1∶2,差值分别为0.32°、0.48°、0.64°,这一差值即ＤＴＵ动力钻具之公称角度。五、弯壳体动力钻具造斜率的几何分析及公式推导对井底钻具组合的造斜能力及井眼轨迹预测方面,国内外已有很多研究成果,然而在理论上精确的分析计算十分复杂,并且由于地层因素、井眼条件等参数在现场施工中难以确定,预测的造斜率与实际总有相当的误差。因此,以简单的解析方法预测计算工具的造斜能力,仍有一定的实用意义。在一般资料中通常介绍有"三点定圆"的计算方法,即以钻头、上稳定器、下稳定器三点之间的几何关系来确定工具的造斜能力,因水平井钻井中所使用的工具种类较多,不同工具的结构参数各不相同、且对造斜率都有很大影响,而上述计算的约束条件与实际相差很多,因此不能满足对工具造斜能力预测的要求。为此,结合现场实际情况对这一计算方法进行了修正,以同向双弯动力钻具为基本模型、以综合弯角代替原公式的角度,推导出下面一种水平井动力钻具造斜率的计算公式：造斜率： 单位：度／100米曲率半径： 单位：米式中：Ｃ－修正系数,与地层条件、钻井参数、井眼状况有关,其值可按使用者的经验取0.75-1.0。δ—综合弯角,度。其中：L1、L2、L3、L4——钻具结构尺寸,米Ｄfs、Ｄfx—分别为钻具上、下稳定器直径,米δe、δc—同向双弯动力钻具钻具上、下弯角,度此式同样可以用于单弯或异向双变动力钻具组合的计算,由公式不难看出：〔1取δe＝0,L4＝0时,钻具即为单弯组合；〔2取δe为负值,钻具即为异向双弯组合。需要说明的是,在运用上述公式进行计算、设计时,应注意对L1值的选取。L1即近钻头稳定器与钻头间的距离,是影响钻具组合造斜能力的重要参数之一,不限定L1的长度则难以保证计算准确合理,L1值的选定一般在1-1.5m较为合适。从已钻水平井的实践说明,以此计算钻具组合的造斜率与实际结果基本相符〔见表4—6,可以满足水平井设计和指导实际施工的需要,有一定实用价值。弯壳体动力钻具造斜率计算与实钻结果的对比类别井号井段〔米构造要素<m>预算BUR'实际BURBUR/BUR'L1L2L3L4Dfs度/30米度/30米1o单弯S2-1-P11.155.360.814.550.3087.836.380.816C20-P151.155.360.814.550.3087.837.180.917C20-P11.155.360.814.550.3087.837.570.967C20-P11.156.571.415.160.3086.115.830.9531.25o单弯S2-1-P11.15.41.154.250.2139.087.180.791C20-P11.15.41.154.250.2139.087.60.837C20-P11.145.790.844.930.3089.218.170.886C20-P21.145.680.864.820.2989.777.940.813C20-P21.155.680.864.820.2989.778.150.8352o单弯S2-1-P11.15.431.154.250.21314.5312.980.893S2-1-P11.15.41.154.250.21314.5311.380.783S2-1-P11.15.41.154.250.21314.53120.8261.25ox1o双弯C20-P21.155.841.20.810.29810.138.540.843C20-P31.155.841.20.810.29810.137.670.761.5ox1o双弯F15-P11.156.080.920.840.30811.88.740.7431.5ox1.25o双弯C20-P31.157.251.451.330.30810.219.530.9371.75ox1o双弯F15-P11.156.030.920.840.30813.5611.590.855六、现场应用几个问题的探讨1、导向螺杆钻具的选型原则导向钻具的选型就是要确定所选钻具的类型〔涡轮还是螺杆、规格和性能参数。涡轮钻具与螺杆钻具相比,转速高、压降大、工作特性软、长度大和造斜率相对较低,且目前国内产品较少,因此在水平井导向钻具选型时,仅针对导向螺杆钻具加以讨论。在文献中,曾把井下动力钻具按功能、主机种类、导向结构形式、弯角大小与组配方式等不同特征进行分类。实际上,一台螺杆钻具往往是上述诸种特征的综合。选型就是要根据图1所示的思路和方法,具体确定导向螺杆钻具的结构与工作参数,并进一步从产品目录中选定所需的型号和规格。〔1根据井眼尺寸确定钻具的公称尺寸表中列出了水平井常用井径与导向螺杆钻具公称尺寸的对应关系。上述对应关系主要是为了保证工具外径和井壁间留有一定的环隙,约25.4mm〔1in左右,以防止井下遇卡和出现事故时进行打捞作业。〔2根据井身设计造斜率确定工具造斜率所选工具的造斜率〔或称造斜能力应满足水平井钻井要求,可称之为"造斜率原则",这是导向钻具的首选原则。按照水平井工艺需要,导向钻具的造斜率K、应比井身设计造斜率K高10％～20％,以便有足够的余地应付钻井过程中意外出现的造斜率不足的问题,也就是：〔1然后根据螺杆钻具制造厂家的产品说明书中推荐的产品造斜能力值确定产品规格。若说明书中缺少造斜能力值这一指标,或为了核实工具的造斜能力,可用算法〔极限曲率法计算。〔3根据钻头水眼压降确定传动输类型现有螺杆钻具的型号代码中有一项数字是标明传动轴性能类型的,如图2所示。以PSLZ165—7.0B为例,"P"表示水平井用钻具,"5"表示马达转子为5头,"LZ"表示螺杆钻具,"165＂表示外径为165mm〔61/2’’,"7.0"表示许用的最大钻头水眼压降为7.0MPa,"B"表示第二次改进〔为中空转子入。注：□LZ□×□□─轴承结构形式││└───最大允许钻头水眼压降<MPa>│└─────钻具直径<mm>└────────转子瓣数<单头省略>C：船用橡胶轴承Y：硬质合金轴承J：金刚石轴承0：转子中空1：改进型2：挠性轴3：弯壳体4：双弯壳体5：稳定器6：稳定器＋弯壳体7：稳定器＋双弯壳体表示传动轴类型的就是"许用的钻头水眼压降"。现有产品分为3.5MPa〔、7.0MPa〔和14.0MPa〔等三种〔国外产品常用值表征,该值越大,说明传动轴的承力承压性能越好,成本就越高。在选型时,要根据设计的钻头水眼核算其压降值,再确定相应的传动轴类型级别。不合适的选择会造成钻具的先期损坏〔选低级别时或成本增加〔选高级别时。〔4根据徘量霎求选择转子类型螺杆钻具的工作排量有一额定值〔额定排量,它是设计螺杆钻具的依据之一。由干螺杆钻具的转速与工作排量成正比,增大排量必然增大转子、万向轴、传动轴的转速和万向轴的载荷循环频率,故排量的大幅度增长必将会导致螺杆钻具的非正常工作,容易造成破坏。但在钻井过程中,尤其是大井眼水平井中〔如3llmm井眼,127mm钻杆,为了携带岩屑需要,要求有较高的钻井液返速,即要求有较大的工作排量。而这一排量会成倍高于螺杆钻具的额定排量或最高排量,如3llmm井眼要求Q＝48～50L／s,而197mm螺杆钻具的最大许用