斜井基本常識(shí)

1、第三章 井眼軌道設(shè)計(jì)與控制直井：設(shè)計(jì)井眼軸線為一鉛垂線，其井斜角、井底水平位移和全角變化率均在限定范圍。定向井：沿著預(yù)先設(shè)計(jì)的井眼軌道，按既定方向偏離井口垂線一定距離，鉆達(dá)一定目標(biāo)的井。第三章 1定向井普通定向井：一個(gè)井場內(nèi)僅有1口最大井斜角小于60的定向井。斜直井：用斜直鉆機(jī)或斜井架完成，自井口開始井眼軌道一直是一段斜井段的定向井。大斜度井：最大井斜角在60 80范圍內(nèi)的定向井水平井：最大井斜角大于或等于86 ，并保持這種井斜角鉆完一定長度段的井。 長曲率半徑：6 /30m 中曲率半徑：6 20 /30m水平井 中短曲率半徑：1 20 /30m 短曲率半徑：1 10/m 徑向水平井：k= 叢

2、式井：在一個(gè)井場內(nèi)有計(jì)劃地鉆出兩口或兩口以上的定向井組，其中可含1口直井。多底井（分支井）：一個(gè)井口下面有兩個(gè)或兩個(gè)以上井底的定向井。第三章 2第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法一、基本概念1 .井眼軌道的基本要素井眼軌道：表示井眼軸線形狀的圖形。第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法其它基本要素如下圖所示：3井深D ：轉(zhuǎn)盤補(bǔ)心到井底的深度。測(cè)深m：某測(cè)點(diǎn)到轉(zhuǎn)盤補(bǔ)心的井眼軸線實(shí)際長度。垂深：井眼軸線上某測(cè)點(diǎn)至井口轉(zhuǎn)盤所在平面的垂直距離。井斜角i ：軸線切向方向與垂線的夾角。方位角 ：正北順時(shí)針轉(zhuǎn)至軸線上某點(diǎn)切線在水平面的投影的夾角。井眼曲率Rh：單位長度井段井眼軸線的切線所轉(zhuǎn)過的角度。井斜變化

3、率Rn：單位長度井段井斜角變化值。方位變化率Ri：單位長度井段方位角變化值。井底閉合方位角h ：從正北方向順時(shí)針轉(zhuǎn)至井口與井底的水平投影連線的夾角。井底水平位移Sh：井口與井底兩點(diǎn)在水平投影面上的直線距離。第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法4直井段造斜點(diǎn)增斜段最大井斜角max 降斜段直井段斜井深水平位移1) 直井段:設(shè)計(jì)井斜角為零度的井段。2) 造斜點(diǎn)（）:開始定向造斜的位置稱為造斜點(diǎn)。通常以該點(diǎn)的井深來表示。3) 造斜率（）:造斜工具的造斜能力,即該造斜工具所鉆出的井段的井眼曲率。4) 造(增)斜段:井斜角隨井深增加的井段。2.井身剖面井身在垂直平面內(nèi)的投影第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)

4、的原則和方法5 9) 靶心距（）:在靶區(qū)平面上,實(shí)鉆井眼軸線與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離 。6) 降斜段:井斜角隨著井深的增加而減小的井段。5) 穩(wěn)斜段:井斜角保持不變的井段。 7) 目標(biāo)點(diǎn):設(shè)計(jì)規(guī)定的、必須鉆達(dá)的地層位置，通常以地面井口為坐標(biāo)原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)值來表示。 8) 靶區(qū)及靶區(qū)半徑（）:包含目標(biāo)點(diǎn)在內(nèi)的一個(gè)區(qū)域稱為靶區(qū)。在大斜度井和水平井中，靶區(qū)為包含設(shè)計(jì)井眼軌道的一個(gè)柱狀體。第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法6 1) 工具彎角（）:在造斜鉆具組合中,拐彎處上下兩段的軸線間的夾角。 2) 工具面:在造斜鉆具組合中,由彎曲工具的兩個(gè)軸線所決定的平面。 3) 反扭角（）:在使用井下動(dòng)力

5、鉆具進(jìn)行定向造斜或扭方位時(shí),動(dòng)力鉆具啟動(dòng)前的工具面與啟動(dòng)后且加壓鉆進(jìn)時(shí)的工具面之間的夾角。反扭角總是使工具面逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。3. 井眼軌道水平投影第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法75)工具面角（）：造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。它有兩種表示方法：高邊工具面角和磁工具面角。高邊工具面角是以高邊方向線為始邊，順時(shí)針轉(zhuǎn)到工具面與井底圓平面的交線所轉(zhuǎn)過的角度；磁工具面角為以正北方向線為始邊，順時(shí)針轉(zhuǎn)到工具面與井底圓平面的交線在水平面上的投影線所轉(zhuǎn)過的角度。 4)高邊：定向井的井底是個(gè)呈傾斜狀態(tài)的圓平面，稱為井底圓；井底圓上的最高點(diǎn)稱為高邊；從井底圓心至高邊之間的連線所指的方向稱為高邊方向

6、；從正北方向線順時(shí)針轉(zhuǎn)至高邊方向在水平面上的投影所轉(zhuǎn)過的角度稱為高邊方位角。 第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法86) 裝置角（）:在啟動(dòng)鉆具后且加壓鉆進(jìn)時(shí),工具面所處的角度，與工具面角一樣，既可用高邊工具面表示，也可用磁工具面表示。7) 安置角（）：在啟動(dòng)鉆具前,工具面所處的角度。與工具面角一樣，既可用高邊工具面表示，也可用磁工具面表示。8) 安全控制圓錐（柱）:以設(shè)計(jì)井眼軸線為中心所限定的圓錐（柱）空間。9) 誤差橢球:由測(cè)量和計(jì)算誤差引起的井底位置不確定性所構(gòu)成的以井底為中心的橢球體。 第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法9井眼曲率的計(jì)算1）簡單表示法方位角不變的井眼軸線此時(shí)：

7、若AB弧有均勻曲率，則根據(jù)定義：第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法10對(duì)于空間井眼軸線，可以用兩個(gè)平面來表示垂直：水平：第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法11空間曲率的計(jì)算第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法 設(shè)有一空間曲線L，L上點(diǎn)A的定向要素為：DA、EA、NA、A 、 A 、ShA；井深增加到B點(diǎn)，設(shè)AB弧12與整個(gè)井眼相比為小量，其長設(shè)為dl，B點(diǎn)的定向要素為A +d。連接AB兩點(diǎn)，AB線段水平投影為AB線段長= dl。DA+dD、EA+dE、 NA+dN、A+d、 ShA+dShA 、 線段?？梢越频卣J(rèn)為：AB弧長=AB在垂直投影面中：A 、A+d在平面AAB 內(nèi)，

8、令 AAB= ，則 第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法13水平投影面中：第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法水平投影面中：14由于：則：坐標(biāo)參數(shù)與基本參數(shù)間的關(guān)系：第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法15Rn、Ri對(duì)Rh都有影響。第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法16四、井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法 井眼軌道的類型二維井眼軌道三維井眼軌道 設(shè)計(jì)井眼軸線僅在設(shè)計(jì)方位線所在鉛垂平面上變化的井眼軌道。 二維井眼軌道由垂直井段、增斜井段、穩(wěn)斜井段和降斜井段組合而成。 在設(shè)計(jì)井眼軸線上，既有江斜角變化又有方位角變化的井眼軌道。 三維井眼軌道設(shè)計(jì)用于繞障井和現(xiàn)場待鉆修正井眼軌道設(shè)計(jì)。1.

9、井眼軌道的類型 第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法171) 根據(jù)油氣田勘探開發(fā)要求，保證實(shí)現(xiàn)鉆井目的；2) 根據(jù)油氣田的構(gòu)造特征、油氣產(chǎn)狀，有利于提高油氣產(chǎn)量和采收率，改善投資效益；3) 在選擇造斜點(diǎn)、井眼曲率、最大井斜角等參數(shù)時(shí)，有利于鉆井、采油和修井作業(yè)；4) 在滿足鉆井目的的前提下，應(yīng)盡可能選擇比較簡單的剖面類型，力求使設(shè)計(jì)的斜井深最短，以減小井眼軌道控制的難度和鉆井工作量，有利于安全、快速鉆井、降低鉆井成本。 第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法2. 設(shè)計(jì)井眼軌道的原則18造斜點(diǎn)的選擇原則3. 井眼軌道設(shè)計(jì)中有關(guān)因素的選擇1)造斜點(diǎn)的選擇在比較穩(wěn)定的地層，避免在巖石破碎帶、漏

10、失地層2）地層可鉆性均勻，不應(yīng)有硬夾層；3） 要滿足采油工藝要求；4) 垂深大、水平位移小的井，造斜點(diǎn)應(yīng)深，以簡化井身結(jié)構(gòu)、加快鉆速；5) 垂深小、水平位移大的井，造斜點(diǎn)應(yīng)淺，以減少定向施工的工作量；6) 在井眼方位漂移地區(qū)，應(yīng)使斜井段避開方位漂移大的地層。(1)第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法19 (3)井眼曲率 井眼曲率過大會(huì)給鉆井、采油和修井作業(yè)造成困難，因此，應(yīng)根據(jù)具體情況，適當(dāng)選擇井眼曲率。(2)最大井斜角 直井在規(guī)定井斜角內(nèi)；常規(guī)井和水平井交斜角小于15時(shí)，方位不穩(wěn)定，因此，最大井斜角應(yīng)大于15。4. 井眼軌道類型的選擇 設(shè)計(jì)井眼軌道時(shí)，一般選擇簡單的二維軌道。二維軌道由垂

11、直井段、造斜井段、穩(wěn)斜井段、降斜井段組合而成，最常用的有四種類型。 第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法20軌道類型直井三段制五段制“S”型直井段造斜穩(wěn)斜特點(diǎn)：造斜點(diǎn)淺，施工簡單，在表層套管內(nèi)達(dá)最大井斜角。常用于不下中間套管的單一油層的中深井，也用于水平位移大的井和水平井。直井段造斜段穩(wěn)斜段增斜段穩(wěn)斜段一般用于水平井直井段造斜段穩(wěn)斜段降斜段穩(wěn)斜段特點(diǎn)：造斜深度淺，造斜完成后下表層套管，穩(wěn)斜鉆進(jìn)，在達(dá)到一定水平位移后降斜，在達(dá)到油層時(shí)井斜角符合要求。通常還要下一層中間套管，最后穩(wěn)斜鉆穿油層。第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法211) 掌握原始資料主要是該地區(qū)的地質(zhì)剖面、地表對(duì)井位的限制

12、條件、目的層位的垂直井深和總水平位移、自然造斜規(guī)律、工具造斜能力、鉆井技術(shù)水平以及故障提示等；2) 根據(jù)井眼軌道確定原則，選定一個(gè)井眼軌道類型；3) 根據(jù)原始資料選定造斜點(diǎn)的位置，并確定造斜率和降斜率的大??；第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法5. 二維定向井井眼軌道設(shè)計(jì)方法4) 確定最大井斜角；5)計(jì)算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、水平位移；226) 核算井眼曲率，使其滿足對(duì)它的各種限制條件，并做出井身的控制圓柱，即誤差范圍； 7) 繪制井眼軌道圖，標(biāo)出安全圓柱。 第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法設(shè)計(jì)實(shí)例：已知某設(shè)計(jì)井的垂深D=3000m ，水平位移Sh=1500m，方

13、位角=30，造斜點(diǎn)垂直深度Dkop=400m，造斜率Rb1=2/30m，降斜率Rb2=1.5/30m ，油層垂直深度De=2700m，要求穩(wěn)斜進(jìn)入油層，井斜角不大于e=8 .目前常用的設(shè)計(jì)方法查圖法作圖法解析法23dDShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo最大井斜角m的確定:在 kjf中：第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法24若令：She ：油層內(nèi)水平位移De：油層深度第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法有:25造斜率與曲率半徑的關(guān)系：計(jì)算：第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法26井段：Oa最大井斜角:0方位角:0垂直井深增量D(m):

14、 Da= Dkop=400垂直井深D(m):Da = Dkop =400水平位移增量Sh (m):Sha =0 水平位移Sh(m): Sh =0 段長l(m): la= Dkop =0井深Dw(m) : Dw = Dkop =0第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo27水平位移增量Sh (m):Shab =R1(1-cos m )=206.03 水平位移Sh(m): Shb = Shab = 206.03 段長l(m): lab= R1m /57.3=607.65井深Dw(m) : Dwb = Dwa + l

15、ab =1007.65第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法井段：ab最大井斜角:40.51 方位角: 30垂直井深增量D(m): Dab= R1sinm =558.31垂直井深D(m):Db = Da + Dab =958.31DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo28垂直井深D(m):Dc = Db+ Dbc =2115.07水平位移增量Sh (m):Shbc = Dbc tgm=988.32 水平位移Sh(m): Shc = Shb + Shbc = 1194.35 段長l(m): lbc= Shbc /sin m =1521.47井深Dw

16、(m) ：Dwc = Dwb + lbc =2529.12井段：bc ; 最大井斜角:40.51 方位角: 30垂直井深增量D(m): Dbc=De - Dkop - Dab - Dcd =1156.76第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo29水平位移Sh(m): Shd = Shc + Shcd = 1457.9 段長l(m): lcd= R2 (m - e ) / 57.3=1521.47井深Dw(m) : Dwd = Dwc+ lcd =3179.32井段：cd 最大井斜角:40.51 方位角: 30

17、垂直井深增量D(m): Dcd= R2 (sinm - sine ) =584.93垂直井深D(m): Dd= Dc + Dcd =2700水平位移增量Sh (m):Shcd =R2(cos e -cos m )=263.35 第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo30水平位移Sh(m): Sht = Shd + Shdt = 1500.06 段長l(m): ldt= Shdt /sin e =302.93井深Dw(m) : Dwt = Dwd + ldt =3482.25第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和

18、方法井段：dt 最大井斜角: 8 方位角: 30垂直井深增量D(m): Ddt=D - De =300垂直井深D(m):Dt= Dd+ Ddt =3000水平位移增量Sh (m):Shdt= Ddt tge=42.16 DShShoSheDkopR1R2DoDeabcftego2o1hijkmemmeo316. 井眼軌道隨鉆修正設(shè)計(jì)7. 井眼軌道繞障或防碰設(shè)計(jì)8. 叢式井總體設(shè)計(jì)的原則(1) 叢式井位置、數(shù)量和井?dāng)?shù)的確定(2) 防止井眼相碰 防止井眼相碰是叢式井設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵。為此，我們應(yīng)該注意下述幾個(gè)方面。1) 井網(wǎng)類型。2) 井眼軌道設(shè)計(jì)。3) 井口布置第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則

19、和方法324) 造斜點(diǎn)位置5) 造斜率與最大井斜角6) 鉆井次序7) 控制安全圓柱8) 提高測(cè)斜儀器的精度9) 使用電子計(jì)算機(jī)繪制井眼防碰圖 第五章 第一節(jié) 井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法33第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì) 鉆柱的主要作用有:1) 提供鉆機(jī)到鉆頭的鉆井液通道,即輸送鉆井液；2) 把地面動(dòng)力傳遞給鉆頭并給鉆頭加壓,使鉆頭破碎巖石；3) 起下鉆頭； 鉆柱：是指自方鉆桿至鉆頭以上的鉆具管串的總稱。鉆柱由方鉆桿、鉆桿、鉆鋌、接頭和穩(wěn)定器等鉆具組成。在鉆井過程中，通過鉆柱把鉆頭和地面連接起來。第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)344) 通過鉆柱可以了解鉆頭工作情況、井眼狀況及地層情況等；5

20、) 進(jìn)行取心、處理井下事故與復(fù)雜情況、打撈；6) 對(duì)地層流體及壓力狀況等進(jìn)行測(cè)試與評(píng)價(jià)。 第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)一、 常用鉆井工具 鉆具是鉆井工具的簡稱,常用鉆具包括鉆頭、鉆鋌、穩(wěn)定器、減振器、震擊器、加重鉆桿、鉆桿、方鉆桿、井底馬達(dá)和連續(xù)導(dǎo)向動(dòng)力鉆具組合等。 二、鉆柱的工作狀態(tài)及受力分析1、鉆柱的工作狀態(tài) 起下鉆:鉆柱不接觸井底，鉆柱處于懸持狀態(tài)，在自重35 正常鉆進(jìn)：部分鉆柱的重量作為鉆壓施加在鉆頭上，使得下部鉆柱受壓縮。 在鉆壓小和直井條件下，鉆柱也是直的，而當(dāng)壓力達(dá)到某一臨界值時(shí)，下部鉆柱將失去直線穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)生彎曲，并在某一點(diǎn)與井壁接觸，稱為鉆柱的第一次彎曲；如果繼續(xù)

21、加大鉆壓則彎曲形狀改變，切點(diǎn)下移，當(dāng)鉆壓增大到新的臨界值時(shí)，鉆柱彎曲出現(xiàn)第二個(gè)半波，著是鉆柱的第二次彎曲。如果繼續(xù)增大鉆壓，則會(huì)出現(xiàn)第三次彎曲。 正常鉆進(jìn)過程中，鉆柱處于不停的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，鉆柱旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的可能形式：自轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)、公轉(zhuǎn)+自轉(zhuǎn)、不規(guī)則運(yùn)動(dòng)第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)作用下，鉆柱處于受拉伸的直線穩(wěn)定狀態(tài)。362、鉆柱的受力分析及計(jì)算 不同的工作條件、不同部位，鉆柱受載荷不同：拉、壓扭矩彎矩內(nèi)外壓力1）軸向載荷 包括穩(wěn)態(tài)載荷和動(dòng)態(tài)載荷，一般除振動(dòng)嚴(yán)重外，忽略動(dòng)態(tài)。第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)37第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)鉆柱軸向載荷鉆柱重量鉆井液浮力鉆壓與井壁

22、摩擦38拉力0壓力（-）（+）N（A）拉力0壓力（-）（+）NZ（B）拉力0壓力（-）（+）NW（C）拉力0壓力（-）（+）NZW（D） 中和點(diǎn)：軸向應(yīng)力線與靜液柱壓力的交點(diǎn)。此點(diǎn)的靜液柱壓力等于鉆柱中壓縮應(yīng)力。 中和點(diǎn)位置可以由鉆壓W除以單位長度浮重來確定。第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)39 鉆進(jìn)過程中鉆柱軸向載荷： Wpt為任意截面處軸向載荷；Wp為該截面以下鉆柱在空氣中的重量。若設(shè)分析截面距井底長度為L，則對(duì)于井口處：鉆柱的平均應(yīng)力：第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)402）扭矩 轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱扭矩在井口處最大，鉆頭處最小。 采用井下動(dòng)力鉆具時(shí)，鉆頭施加給鉆柱反扭矩，扭矩在

23、鉆頭處最大，井口處最小。 當(dāng)能夠確定某一截面的鉆柱承受的扭矩時(shí)，可以計(jì)算該截面上鉆柱由于承受扭矩而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力 轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱所受的扭矩取決于轉(zhuǎn)盤傳給鉆柱的功率第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)41 正常鉆進(jìn)時(shí)，N的大小與鉆頭類型及直徑、巖石性質(zhì)、鉆柱尺寸、鉆壓、轉(zhuǎn)速、鉆井液性能及井眼質(zhì)量的功能因素有關(guān)，可以用經(jīng)驗(yàn)公式確定。式中：N空轉(zhuǎn)鉆柱空轉(zhuǎn)功率，kW；d 鉆井液密度，N/m3； de鉆柱外徑，cm；L鉆柱長度，m；n轉(zhuǎn)速，r/min。刮刀鉆頭鉆進(jìn)：W鉆壓，N；Db鉆頭直徑，cm。第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)42牙輪鉆頭鉆進(jìn)： C為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，與巖性、鉆井液性質(zhì)、井眼清潔程度

24、、鉆頭磨損等有關(guān)。一般?。?.350.6。第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì) 若鉆頭或鉆柱突然被卡，旋轉(zhuǎn)鉆柱的動(dòng)能可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃挝荒?，引起瞬時(shí)扭矩，產(chǎn)生很大的扭矩和剪應(yīng)力旋轉(zhuǎn)動(dòng)能43變形位能：最大扭矩：第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)3）鉆柱彎矩被卡時(shí)： 直井中鉆柱上部彎矩是由離心力引起的，鉆柱下部則是由鉆柱受壓彎曲和離心力共同作用引起的，一般下部彎曲應(yīng)力大。44 在彎曲井眼中，鉆柱被約束，受到彎矩的作用。彎曲狀態(tài)下，鉆柱自轉(zhuǎn)，產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。4)內(nèi)外壓力內(nèi)外壓力作用下產(chǎn)生徑向應(yīng)力和周向應(yīng)力第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)455）其它力的作用離心力縱向振動(dòng)橫向振動(dòng)動(dòng)載鉆柱

25、與井壁的正壓力和摩擦力3. 鉆柱強(qiáng)度及穩(wěn)定性校核1）強(qiáng)度校核第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)鉆柱所受的四種主要載荷：46最大應(yīng)力應(yīng)滿足：2)穩(wěn)定性校核 無論是直井還是定向井，當(dāng)鉆柱所受的軸向壓力小于一定值時(shí)，鉆柱為直線穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)軸向壓力大于一定值時(shí)，鉆柱就發(fā)生正弦屈曲；當(dāng)軸向力繼續(xù)增大時(shí)，鉆柱就會(huì)發(fā)生螺旋屈曲。鉆柱屈曲后，鉆柱與井壁的壓力、摩擦力急劇增加，鉆柱應(yīng)力增大。鉆柱失穩(wěn)及形式可用下列式子計(jì)算分析。第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)47未失穩(wěn)正弦屈曲螺旋屈曲第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)484、鉆柱的破壞1）鉆柱的物理機(jī)械性能 (1) 鉆柱的材質(zhì) 鉆柱的各個(gè)組成部分均

26、由優(yōu)質(zhì)合金鋼或優(yōu)質(zhì)鋁合金制造。在API標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定鉆桿的鋼級(jí)有D級(jí)、E級(jí)、95（X）級(jí)、105（G）級(jí)和135（S）級(jí)共五種。其中X級(jí)、G級(jí)和S級(jí)鉆桿為高強(qiáng)度鉆桿；鉆鋌和方鉆桿的鋼級(jí)為AISI4145和AISI4150，其機(jī)械物理性能見有關(guān)手冊(cè)或API公報(bào)。 (2) 鉆柱的物理機(jī)械性能 鉆桿的強(qiáng)度數(shù)據(jù)主要包括鉆桿外徑、壁厚、名義重量、材質(zhì)、扭力屈服強(qiáng)度、按最小屈服強(qiáng)度計(jì)算的最小抗第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)49 統(tǒng)計(jì)資料說明，絕大多數(shù)鉆柱的損壞有下述幾種情況：（1）鉆柱的疲勞破壞 疲勞破壞有三種形式：純疲勞、傷痕疲勞和腐蝕疲勞。（2）鉆桿的氫脆破壞 2）鉆柱的破壞拉力、最小抗擠壓力、

27、抗內(nèi)壓力等；鉆鋌規(guī)范數(shù)據(jù)主要包括外徑、內(nèi)徑、長度、質(zhì)量、緊扣扭矩等。具體數(shù)據(jù)請(qǐng)查閱有關(guān)冊(cè)或API公報(bào)。第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)505、鉆柱組合設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)內(nèi)容鉆鋌的確定內(nèi)、外徑，內(nèi)小、外大，受井徑限制、鉆井 液流動(dòng)限制，長度滿足鉆壓要求。強(qiáng)度足夠，鉆進(jìn)不斷，盡量保證鉆井液正常循環(huán)減少能量損耗。鉆桿的確定鉆鋌的安放位置第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)井斜小：提供鉆壓的鉆鋌安放在鉆具下部，鉆具上部采用鐘擺、塔式、滿眼結(jié)構(gòu)。鉆井斜大或水平井：鉆鋌放在井斜較小的井段，大斜度井段或水平井段則在承壓鉆桿與下部鉆具連接。516、下部鉆具組合設(shè)計(jì)方法1）設(shè)計(jì)原則下部鉆具組合設(shè)計(jì)的原則是: a.

28、有效地鉆出設(shè)計(jì)的井眼軌道； b.鉆頭、馬達(dá)和測(cè)量系統(tǒng)工作穩(wěn)定性高，能加較大鉆壓，有利于提高鉆速； c.具有較高的強(qiáng)度和壽命；第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì) 鉆井中常用的鉆具組合中包括穩(wěn)斜鉆具、降斜鉆具、防斜鉆具、造斜鉆具、增斜鉆具、幾何導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)等。下部鉆具結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。522）穩(wěn)斜鉆具 保持井斜角和方位角不變。穩(wěn)斜鉆具是采用剛性滿眼鉆具結(jié)構(gòu)，通過增大下部鉆具組合的剛性，控制下部鉆具組合在外力作用下的變形達(dá)到穩(wěn)定井斜和方位的效果。 常用組合：鉆頭+近鉆頭穩(wěn)定器+短鉆鋌=穩(wěn)定器+單根鉆鋌+穩(wěn)定器+鉆鋌+鉆桿d.便于安裝和起下。第五章 第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)

29、計(jì)3）降斜鉆具和防斜鉆具 降斜鉆具用于定向井中降低井眼軌道的井斜角。防斜鉆具用于直井中抑制和防止井斜的產(chǎn)生。 降斜鉆具一般采用鐘擺鉆具組合，利用鉆具自身的重力產(chǎn)生的鐘擺力實(shí)現(xiàn)降斜。根據(jù)設(shè)計(jì)井眼軌道要求的井斜角大小，設(shè)計(jì)鉆頭與穩(wěn)定器之間的距離，便可以改變鐘擺53第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù) 井眼軌道控制是鉆井工作中的一項(xiàng)重要工作。在石油開發(fā)的早期，對(duì)井眼軌道控制并不嚴(yán)格。本世紀(jì)20年代末期，人們發(fā)現(xiàn)了鉆井過程中井眼彎曲問題并認(rèn)識(shí)到要鉆絕對(duì)直的井是不可能的，并逐漸認(rèn)識(shí)到了井斜的危害。40年代末至50年代初期，防斜成為鉆井技術(shù)領(lǐng)域所關(guān)注的問題。后來，利用井斜鉆成了定向井、水平井和叢式井解決了許多油

30、田開發(fā)中的難題并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。從防斜打直、造斜、增斜、穩(wěn)斜到降斜，井眼軌道控制研究取得了一系列重要成果。 第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù)54操作原因：下部鉆具的工作狀態(tài)對(duì)井斜影響很大，當(dāng)下部鉆具受壓產(chǎn)生彎曲就會(huì)使鉆頭偏斜導(dǎo)致井斜。井斜原因地質(zhì)條件：技術(shù)原因：由于所鉆地層的傾角和非均質(zhì)性使鉆頭受力不平衡。即使有性能良好的防斜鉆具，也會(huì)因操作不當(dāng)而造成井斜。一、直井井斜及控制第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù)551、 地質(zhì)條件地層傾角、層狀地層、各向異性、巖性軟硬交錯(cuò)、斷層 最主要的作用是地層傾角，其它諸因素對(duì)井斜的作用都與地層傾角緊密相關(guān)。當(dāng)?shù)貙觾A角小于45時(shí),井眼一般沿上傾

31、方向偏斜； 當(dāng)?shù)貙觾A角大于60時(shí)，井眼將順著地層面下滑發(fā)生偏斜；在4560之間不穩(wěn)定。第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù)56 鉆頭在傾斜的層狀地層中鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)鉆至每個(gè)層面交界處時(shí)，此處巖層不能長時(shí)間支持所加鉆壓而趨向沿垂直層面發(fā)生破碎。在井眼上傾一側(cè)的小斜臺(tái)很容易鉆掉。相反，在井眼下傾一側(cè)卻留有一個(gè)小斜臺(tái)；它就像小變向器作用一樣，對(duì)鉆頭施加一個(gè)橫向力，把鉆頭推向上傾一側(cè)，從而引起井斜。 逐層鉆進(jìn)時(shí)，斜臺(tái)大，井斜增長快。 所以：地層傾角大，成層性越強(qiáng)，鉆壓越大，井斜越大。第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù)1) 層狀地層對(duì)井斜的影響572）地層各向異性對(duì)井斜的影響 由于巖層的成層狀況、層理

32、、節(jié)理、紋理以及巖石的成分、結(jié)構(gòu)、膠結(jié)物、顆粒大小等因素造成巖層在不同方向上的強(qiáng)度不同，一般來說垂直地層層面的強(qiáng)度較小，鉆進(jìn)時(shí)鉆頭將沿著這個(gè)破碎阻力最小的方向傾斜。第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù)58AB軟硬3）巖性交錯(cuò)變化對(duì)井斜的影響 （1）鉆頭從軟地層進(jìn)入硬地層時(shí) 鉆頭在上傾側(cè)先接觸到硬巖石，在下傾側(cè)仍為軟巖石。這樣在鉆壓作用下，由于上傾側(cè)巖石的硬度大，可鉆性差，鉆頭吃入地層少，鉆速慢，而在下傾側(cè)，可鉆性好，吃入地層多，鉆速快，因此，井眼向上傾側(cè)偏斜。 此外，鉆頭兩側(cè)受力不均勻，上傾側(cè)井底反力的合力比下傾側(cè)大。將產(chǎn)生彎矩扭轉(zhuǎn)鉆鉆頭，使其向上傾方向傾斜。第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論

33、與技術(shù)59AB軟硬（2）鉆頭由硬地層進(jìn)入軟地層時(shí) 開始時(shí)由于鉆頭在軟地層一側(cè)吃入多，鉆速卡，而在硬地層一側(cè)吃入少，鉆速慢，井眼有向地層下傾方向傾斜的趨勢(shì)。但當(dāng)鉆頭快鉆出硬地層時(shí)，此處巖石不能再支撐鉆頭的中負(fù)荷，巖石將沿著垂直于層面方向發(fā)生破碎，在硬地層一側(cè)留下一個(gè)臺(tái)肩，迫使鉆頭回到上傾方向。第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù)60 上述分析說明，地質(zhì)條件對(duì)井斜角的影響，主要是通過地層作用于鉆頭一個(gè)橫向造斜力，使鉆頭偏離原井眼軸線，且一般情況下是使井眼向上傾方向發(fā)生偏斜。 可以推出該地層造斜力：討論：第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù)612、下部鉆柱彎曲對(duì)井斜的影響 由于鉆柱時(shí)穩(wěn)而發(fā)生彎曲

34、，鉆頭及相鄰連接部分鉆柱的中心軸線偏離井眼軸線，從而使鉆頭偏離一角度 （稱為鉆頭傾角）。鉆頭槍械后對(duì)井底形成了不對(duì)稱切削，這是產(chǎn)生井斜的重要因素。顯然： 越大，井斜越大。討論： 1）鉆壓下于發(fā)生彎曲的臨界鉆壓時(shí)，鉆柱是直的，鉆鋌無傾斜現(xiàn)象；當(dāng)鉆壓達(dá)到彎曲臨界鉆壓時(shí)，鉆柱發(fā)生彎曲，產(chǎn)生鉆頭傾角。如果鉆壓繼續(xù)增大、則切點(diǎn)下降，鉆頭傾角也越大。第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù)622）鉆頭直徑一定，井徑越大，鉆柱越細(xì)、則鉆鋌與井眼的間隙越大，因而鉆頭的傾角越大、井越容易鉆斜。所以從防斜角度，應(yīng)選用直徑大、剛性大的鉆鋌，并盡量減小下部鉆柱與井眼的間隙，以減少鉆頭傾角。二、斜井內(nèi)鉆柱的受力分析 斜井

35、井眼的斜度是增大還是減小或是保持某個(gè)平衡角度，取決于鉆頭的受力情況。第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù)假設(shè)：（1）鉆頭可以象球窩一樣自由轉(zhuǎn)動(dòng)，但其橫向運(yùn)動(dòng)受到約束。63（2）鉆鋌穩(wěn)定地靠在井的低邊。（3）鉆頭由于受力情況不同，可自由地向任一方向切割。WTFfFiWpFd鉆壓鐘擺力地層造斜力作用在鉆頭上的力第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù)641、鉆壓 由于鉆柱彎曲，鉆壓不是沿著井眼軸線方向施加給鉆頭，而是偏離一個(gè)角度。因此鉆壓可分解為與井眼軸線相平行的力Wo和與井眼相垂直的力Fi使鉆頭偏離井眼，造成井斜，為增斜力沿井眼軸向繼續(xù)鉆進(jìn)，對(duì)井斜無影響2、鐘擺力 井內(nèi)切點(diǎn)以下的重量Wp勢(shì)必在垂

36、直于井壁方向產(chǎn)生一個(gè)分力。此力與鐘擺作用相似，將驅(qū)使鉆頭破碎井眼低側(cè)巖石，使井眼恢復(fù)垂直狀態(tài)，所以，為一減斜力。第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù)653、地層造斜力 Ff取決于地層傾角和各向異性等因素，多數(shù)情況下增斜，也可以降斜（水平井）。鉆頭上作用的力：造斜力降斜力第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù)66討論：（1）當(dāng)F1=Fd時(shí)，平衡，保持原井斜角 ；（2）當(dāng)F1Fd時(shí)， 增大，此時(shí)， Fd也增大，達(dá)到一個(gè)新的大于平衡井斜角；（3）當(dāng)F1Fd時(shí)， 減小，達(dá)到一個(gè)小于的新平衡角。在直井防斜方面提出了：鐘擺鉆具偏重鉆鋌剛性滿眼鉆具第五章 第三節(jié) 井眼軌道控制理論與技術(shù) 各向異性地層中的平衡角數(shù)值主要取決于三個(gè)因素：鉆壓、鉆鋌尺寸和井眼尺寸。67三、定向井眼軌道控制理論與技術(shù) 造成井斜的原因是多方面的，如地質(zhì)條件、鉆具結(jié)構(gòu)、鉆井技術(shù)措施以及設(shè)備安裝質(zhì)量等。但歸納起來，主要有兩方面原因：一是鉆頭與巖石的相互作用方面的原因，即由于所鉆地層的傾斜、各向異性和非均質(zhì)性使井眼軌道發(fā)生彎曲；二