定向、水平井軌跡控制課件

定向、水平井眼軌跡控制技術(shù)

鉆井欠平衡井控技術(shù)服務(wù)公司

定向、水平井眼軌跡控制技術(shù)

鉆井欠平衡井控技術(shù)服務(wù)公司1目錄特殊工藝鉆井概念井眼軌跡控制原理底部鉆具組合及其特性井下動力鉆具造斜率的預(yù)測方法轉(zhuǎn)盤鉆具組合的力學(xué)分析方法參數(shù)研究——影響因素分析高效防斜理論測量與計(jì)算方法目錄特殊工藝鉆井概念2特殊工藝鉆井概念預(yù)置軌道，是指按勘探或開發(fā)目標(biāo)要求設(shè)計(jì)出的井眼軌道，其基本類型包括直井，定向井或水平井，等等。沿預(yù)定軌道偏離垂直方向而鉆達(dá)地下目標(biāo)層位的井，稱為定向井；將定向井的井斜增大到86度以上（90度左右）并在油藏內(nèi)部鉆進(jìn)一定長度的井，稱為水平井。定向井和水平井可通稱為斜井，其井眼形狀不同于傳統(tǒng)的直井，最明顯的特點(diǎn)是斜井從井口到井底有一個(gè)“大斜度水平位移”。在一個(gè)井場或海洋平臺上鉆出多口井，這些井組合起來稱為叢式井。在石油勘探開發(fā)過程中，由于經(jīng)常遇到種種客觀條件的限制，或出于經(jīng)濟(jì)和社會效益等方面的考慮，打直井難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，而打斜井及叢式井則可揚(yáng)長避短、興利除弊，獲得理想的效果。特殊工藝鉆井概念預(yù)置軌道，是指按勘探或開發(fā)目標(biāo)要求設(shè)計(jì)出的井3特殊工藝鉆井概念水平位移（displacementorcloseredistance）井眼軌跡上的任意一點(diǎn)與井口鉛錘的距離稱為該點(diǎn)的“水平位移”。也稱該點(diǎn)的閉合距視平移（verticalsection）水平位移在設(shè)計(jì)方位線上的投影長度，稱為視平移。如下圖所示。OQ為設(shè)計(jì)方位線，OT曲線為實(shí)鉆井眼軸線在水平面上的投影，其上任一點(diǎn)P的水平位移為OP，以Ap來表示。P點(diǎn)的視平移為OK。當(dāng)OK與OQ同向時(shí)為正值，反向時(shí)為負(fù)值。視平移是繪制垂直投影圖時(shí)重要的參數(shù)，單位為m。特殊工藝鉆井概念水平位移（displacementorc4定向、水平井軌跡控制課件5特殊工藝鉆井概念高邊（Highside）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。從井底圓心指向高邊連線的方向稱為高邊方向。高邊連線在水平面的投影線所指的方向線為井底方位線。工具面角（Toolfaceangle）它是表示造斜工具下到井底后，工具面角所在位置的參數(shù)。工具面角有兩種表示方法：1.重力工具面角(高邊工具面角)2.磁性工具面角特殊工藝鉆井概念高邊（Highside）6井眼曲率在定向鉆井中，井眼曲率是一個(gè)很重要的參數(shù)。井眼曲率過大會給鉆井、采油和修井作業(yè)造成困難。因此，在定向鉆井過程中，應(yīng)控制最大井眼曲率的最大值，一般取5°－12°/100m，最大不超過16°/100m。當(dāng)然，井眼曲率也不宜過小，這是因?yàn)榫矍氏拗铺?，會增加動力鉆具造斜井段、扭方位井段和增（降）斜井段的井眼長度，從而增加了井眼軌跡控制的工作量，影響鉆井速度。

井眼曲率在定向鉆井中，井眼曲率是一個(gè)很重要的參數(shù)。井7為了保證造斜鉆具和套管安全、順利下井，必須對設(shè)計(jì)剖面的井眼曲率進(jìn)行校核，應(yīng)該使井身剖面的最大井眼曲率小于井下馬達(dá)組合和下井套管抗彎曲強(qiáng)度允許的最大井眼曲率值。井下馬達(dá)定向造斜及扭方位的井段井眼曲率Km應(yīng)滿足下式：式中：Km－井眼曲率，°/100m；Db－鉆頭直徑，mm；DT－井下馬達(dá)外徑，mm；LT－井下馬達(dá)長度，m。

為了保證造斜鉆具和套管安全、順利下井，必須對8下套管允許的最大井眼曲率Km應(yīng)滿足下式：式中：Km－井眼曲率，°/100m；δc－套管屈服極限，PaC1－安全系數(shù)，一般取1.2－1.25C2－絲扣應(yīng)力集中系數(shù)，一般取1.7－2.5Dc－套管外徑，cm下套管允許的最大井眼曲率Km應(yīng)滿足下式：式中：9特殊工藝鉆井概念1.高邊工具面角:指以高邊的方向線為始邊,順時(shí)針轉(zhuǎn)到工具面與井底圓平面交線上,所轉(zhuǎn)過的角度。2.磁北工具面角:高邊工具面角加井底方位角。磁偏角（Declination）在某一地區(qū)內(nèi)，其磁北極方向線與地理北極方向線的夾角。計(jì)算方法是以地理北極方向線為始邊，磁北極方向線為終邊。順時(shí)針為正，逆為負(fù)。特殊工藝鉆井概念1.高邊工具面角:指以高邊的方向線10定向、水平井的主要用途在地面上難以建立或不允許建立井場的地區(qū)，要勘探開發(fā)地下的石油等資源，唯一的辦法是從該地區(qū)附近打定向井；在海洋或湖泊等水域上勘探開發(fā)石油時(shí)，最好是建立固定平臺或從岸邊打定向井和叢式定向井；可使用定向井饒過所鉆遇的地下復(fù)雜地層或障礙物等；打定向水平井和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，可擴(kuò)大勘探效果及提高開發(fā)效益和采收率；在發(fā)生卡鉆、斷鉆及井噴著火等惡性鉆井事故的情況下，用側(cè)鉆井、救援井來處理這類事故最有效。定向、水平井的主要用途在地面上難以建立或不允許建立井場的地區(qū)11SelectionofWellProfilesSelectionofWellProfiles12復(fù)雜結(jié)構(gòu)井示意圖復(fù)雜結(jié)構(gòu)井示意圖131、井眼軌跡控制原理1、鉆頭與地層相互作用因素：鉆頭：特殊結(jié)構(gòu)，側(cè)切特性，各向異性地層：巖性，可鉆性，各向異性，幾何產(chǎn)狀鉆頭作用力：鉆壓，側(cè)向力，鉆頭轉(zhuǎn)角，扭矩高壓射流作用：清洗碎屑，輔助軸向破巖2、鉆柱及其底部鉆具組合（BHA）分析確定鉆頭對地層的機(jī)械作用力：井斜力和方位力確定鉆頭指向：轉(zhuǎn)角確定鉆壓及鉆頭扭矩確定鉆柱或BHA任一點(diǎn)內(nèi)力和撓度3、鉆頭與地層相互作用模型——三維鉆速方程1、井眼軌跡控制原理1、鉆頭與地層相互作用因素：14石油鉆井中使用的牙輪鉆頭石油鉆井中使用的牙輪鉆頭15改進(jìn)后的171/2FS2663在迪那2井1325-3129m井段共計(jì)4次入井，累計(jì)進(jìn)尺1723.48m，累計(jì)純鉆711.9h，平均鉆速2.42m/h，171/2PDC鉆頭在塔里木油田首次取得突破針對山前構(gòu)造地層變化頻繁，夾層研磨性強(qiáng)的特點(diǎn)，選用了DS66GJNSW鉆頭，在柯深101井81/2井段應(yīng)用，累計(jì)進(jìn)尺1098.27m，平均鉆速1.15m/h，與柯深1井同井段相比節(jié)約周期165天，節(jié)約成本1160萬塔里木鉆井使用的鉆頭改進(jìn)后的171/2FS2663在迪那2井1325-312916鉆頭的各向異性鉆井特性鉆頭的各向異性鉆井特性17地層的各向異性鉆井特性

地層的各向異性鉆井特性18實(shí)鉆地層的各向異性劃分FormationA:Ir1<Ir2<1(Ddip<Dstr<Dn)FormationB:Ir1=Ir2<1(Ddip=Dstr<Dn)FormationC:Ir1=Ir2>1(Ddip=Dstr>Dn)FormationD:Ir1>Ir2>1(Ddip>Dstr>Dn)FormationE:Ir2<Ir1<1(Dstr<Ddip<Dn)FormationF:Ir1<1<Ir2(Ddip<Dn<Dstr)FormationG:Ir1<Ir2=1(Ddip<Dstr=Dn)FormationH:Ir2>Ir1>1(Dstr>Ddip>Dn)FormationI:Ir2<1<Ir1(Dstr<Dn<Ddip)FormationJ:Ir1>Ir2=1(Ddip>Dstr=Dn)FormationK:Ir1=1>Ir2(Ddip=Dn>Dstr)FormationL:Ir1=1<Ir2(Ddip=Dn<Dstr)實(shí)鉆地層的各向異性劃分FormationA:I19鉆頭與地層相互作用矢量鉆頭與地層相互作用矢量20鉆頭與地層相互作用模型鉆頭與地層相互作用模型21井眼軌跡預(yù)測與定向控制方法井眼軌跡的主要影響因素分析：鉆頭、BHA結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)的影響（可控制因素）地層因素的影響（不可改變的客觀因素）井眼幾何參數(shù)的影響，以及動態(tài)因素的影響井眼軌跡預(yù)測方法：有效鉆力與“平衡曲率法”結(jié)合，進(jìn)行定量預(yù)測定向控制方法：底部鉆具組合（BHA）和鉆頭的優(yōu)選方法隨鉆井眼軌跡監(jiān)視與操作參數(shù)控制方法利用地層自然造斜規(guī)律進(jìn)行控制井眼軌跡預(yù)測與定向控制方法井眼軌跡的主要影響因素分析：222、底部鉆具組合及其特性1.底部鉆具組合（BHA）系統(tǒng)：鉆頭，鋼鉆鋌，無磁鉆鋌，螺旋鉆鋌，加重鉆桿等穩(wěn)定器，減振器，震擊器，擴(kuò)大器等井下動力馬達(dá)，彎接頭，彎外殼，可變徑穩(wěn)定器等測量系統(tǒng)2.BHA荷載及約束：地層對鉆頭的反作用力，動力載荷橫向和軸向分布載荷，扭矩，摩擦阻力，液力井眼約束：井徑，井斜，曲率和撓率，井壁支撐荷載及井眼約束條件隨鉆變化2、底部鉆具組合及其特性1.底部鉆具組合（BHA）系統(tǒng)：23井下動力鉆具組合井下動力鉆具組合24轉(zhuǎn)盤鉆具組合（BHA）BHA參數(shù):穩(wěn)定器的安放位置；穩(wěn)定器與井眼的間隙；鉆鋌的抗彎剛度；鉆鋌的每米有效重量；鉆鋌的剛?cè)峤M合；鉆頭的各向異性特性；特殊接頭等。轉(zhuǎn)盤鉆具組合（BHA）BHA參數(shù):25轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與滑動鉆進(jìn)特性旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式：主要有如下兩種轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式（如：ERD偏愛此種）井下動力滑動鉆進(jìn)方式（如：CTD最典型）轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)：軸向阻力小，便于施加鉆壓及大位移延伸排量大，鉆柱渦動，洗井效果較好便于修整井壁，井眼光滑，質(zhì)量較好一般情況下機(jī)械鉆速較大轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與滑動鉆進(jìn)特性旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式：主要有如下兩種26轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的缺點(diǎn)：鉆柱旋轉(zhuǎn)與振動，損失大量機(jī)械能量扭矩?fù)p失巨大，要求鉆柱抗扭強(qiáng)度高井下工具（包括鉆頭等）的使用壽命降低管柱摩擦磨損嚴(yán)重，特別是套管磨損定向控制精度較低，特別不利于方位控制鉆柱刮拉和撞擊井壁，不利于井壁穩(wěn)定控制要求鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動功率較大要求無線隨鉆測量鉆進(jìn)間斷較多，等等轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的缺點(diǎn)：27井下動力滑動鉆進(jìn)方式井下動力滑動鉆進(jìn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)井下動力滑動鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)：定向控制精度高，可有效地控制方位漂移鉆柱振動很小，機(jī)械能量損失少管柱摩擦磨損少，鉆具非正常失效少扭矩很小，一般不需要鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉆柱不旋轉(zhuǎn)，有利于井壁穩(wěn)定可以進(jìn)行有線隨鉆測量或測井井下動力滑動鉆進(jìn)方式井下動力滑動鉆進(jìn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)28井下動力滑動鉆進(jìn)方式井下動力滑動鉆進(jìn)目前存在的缺點(diǎn)：鉆柱滑動，受到較大的軸向阻力，不利于施加鉆壓及大位移延伸受井下馬達(dá)排量限制，洗井效果不佳沒有鉆柱旋轉(zhuǎn)，不利于修整井壁在有些情況下，機(jī)械鉆速較慢井下馬達(dá)性能的不斷改進(jìn)井下動力滑動鉆進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)井下動力滑動鉆進(jìn)方式井下動力滑動鉆進(jìn)目前存在的缺點(diǎn)：29智能鉆井系統(tǒng)的概念

（英國）InglisTA.：定向鉆井，石油工業(yè)出版社，1995智能鉆井系統(tǒng)的概念

（英國）InglisTA.：定向鉆30智能鉆井系統(tǒng)——未來鉆井的核心智能鉆井系統(tǒng)的組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)（好象人的手，硬件）測量系統(tǒng)（好象人的眼睛，硬件）控制決策系統(tǒng)（好象人的腦，軟件）兩大類導(dǎo)向工具：角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)：彎接頭等；徑向尺寸可調(diào)的非彎曲結(jié)構(gòu)：可變徑穩(wěn)定器等。智能鉆井系統(tǒng)——未來鉆井的核心智能鉆井系統(tǒng)的組成：31角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)包括：彎接頭\彎外殼等。其中，目前實(shí)現(xiàn)了井下角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)，只有彎接頭一種。角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)：與徑向尺寸可調(diào)的非彎曲結(jié)構(gòu)相比，彎曲結(jié)構(gòu)的定向控制性能可調(diào)范圍大，適應(yīng)性強(qiáng)；便于同其它井下工具進(jìn)行組合，靈活，可靠；既可用于定向控制，也可用于高效防斜及穩(wěn)斜控制；既可用于井下動力滑動鉆進(jìn)，也可用于轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)包括：彎接頭\彎323、井下動力鉆具造斜率的預(yù)測方法3、井下動力鉆具造斜率的預(yù)測方法33井下動力鉆具造斜率預(yù)測S1=DH-DS1:distanceclearanceoffirststabilizer,inS2=DH-DS2:diametricalclearanceofsecondstabilizer,inB1=angleadjustmentforunder-gaugeof1ststabilizer,degB2=angleadjustadjustmentforunder-gaugeof2ndstabilizer,degB=Equivalentangleforsinglebend,degθ=effectivemotorangle,deg井下動力鉆具造斜率預(yù)測S1=DH-DS1:distance34Principlefordirectionaldrilling

3-pointgeometry

200xAngleofmotorBendAngleBitBendAngleBitUpperSTUpperSTDogleg/100ft.

Near-bitSTNear-bitST35PrinciplefordirectionaldrilA型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)A型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)36B型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)B型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)37C型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)C型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)38D型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)D型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)39實(shí)例分析：單彎雙穩(wěn)螺桿鉆具組合實(shí)例分析：單彎雙穩(wěn)螺桿鉆具組合404、轉(zhuǎn)盤鉆具組合的力學(xué)分析方法1.縱橫彎曲力學(xué)模型：三維縱橫彎曲梁柱問題2.三維非線性變形控制方程：四階偏微分方程3.三維彎曲井眼幾何約束方程及邊界條件4.數(shù)值求解方法：加權(quán)殘值法和有限差分法5.三維大撓度力學(xué)分析：中小曲率半徑水平井6.BHA簡化模型的半解析解7.BHA渦動特性分析8.BHA分析程序（軟件）研制4、轉(zhuǎn)盤鉆具組合的力學(xué)分析方法1.縱橫彎曲力學(xué)模型：三維縱41轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—基本假設(shè)1)底部鉆具組合各結(jié)構(gòu)單元均處于彈性狀態(tài)；2)底部鉆具組合各結(jié)構(gòu)單元可以具有任意幾何尺寸和材料性質(zhì),但分段保持為常數(shù)；3)鉆頭居井底中心,鉆頭與地層間無力偶作用；4)鉆壓分段保持常數(shù),沿井眼軸線方向作用；5)井眼為圓形,井壁為剛性體;6)穩(wěn)定器與井壁之間的接觸為點(diǎn)接觸;7)在切點(diǎn)以上,鉆柱因自重躺在下井壁;8)忽略鉆柱與鉆井液的動力效應(yīng)。轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—基本假設(shè)1)底部鉆具組合各結(jié)構(gòu)單元均處42轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—坐標(biāo)系轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—坐標(biāo)系43轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—變形控制方程轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—變形控制方程44轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—坐標(biāo)系轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—坐標(biāo)系45轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—井眼約束轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—井眼約束46轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—通解方程轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—通解方程47轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—撓度計(jì)算轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—撓度計(jì)算48轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—目標(biāo)函數(shù)49鉆具組合兩維分析—鉆頭側(cè)向力及轉(zhuǎn)角鉆具組合兩維分析—鉆頭側(cè)向力及轉(zhuǎn)角505、井眼軌跡控制計(jì)算系統(tǒng)

井眼軌跡定向控制計(jì)算系統(tǒng)，是在鉆頭與地層相互作用模型及ＢＨＡ分析程序的基礎(chǔ)上，從實(shí)際工程的需要出發(fā)，采用新方法研發(fā)的井眼軌跡定向預(yù)測和控制的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，主要計(jì)算功能包括：底部鉆具組合力學(xué)特性分析；井斜變化預(yù)測計(jì)算；穩(wěn)定器安放位置優(yōu)化計(jì)算；鉆壓法控制計(jì)算；地層各向異性評估，地層造斜規(guī)律圖形分析。5、井眼軌跡控制計(jì)算系統(tǒng)井眼軌跡定向控制計(jì)算系統(tǒng)，是在鉆516、參數(shù)研究——影響因素分析穩(wěn)定器位置對鉆頭力學(xué)行為影響很大。所謂“鐘擺作用”、“杠桿作用”及“滿眼穩(wěn)斜作用”等，主要取決于穩(wěn)定器位置。計(jì)算表明，近鉆頭穩(wěn)定器及其相鄰的穩(wěn)定器，其安放位置對鉆頭力學(xué)行為影響較大，而其余的則影響較小。另一方面，穩(wěn)定器位置的改變主要影響鉆頭井斜力，而對鉆頭方位力的影響則較小。穩(wěn)定器間隙對鉆頭力學(xué)行為具有不可忽略的影響。對于具有三個(gè)穩(wěn)定器的穩(wěn)斜鉆具組合而言，其鉆頭力學(xué)行為受近鉆頭穩(wěn)定器間隙的影響最大，受中穩(wěn)定器間隙的影響次之，而受上穩(wěn)定器間隙的影響最小。6、參數(shù)研究——影響因素分析穩(wěn)定器位置對鉆頭力學(xué)行為影響很大52參數(shù)研究——影響因素分析鉆鋌的影響：ＢＨＡ的受力和變形，均直接與其鉆鋌的自重和抗彎剛度密切相關(guān)。研究表明，在鐘擺鉆具組合中采用大重度及高抗彎剛度的鉆鋌，將會產(chǎn)生較好的防斜效果；當(dāng)需要鉆較小曲率半徑的增斜井段時(shí)，在增斜鉆具組合中宜采用較柔性的鉆鋌；“剛性滿眼”鉆具組合一般具有較好的穩(wěn)斜能力?？傊诰圮壽E控制中，選配適當(dāng)尺寸及材質(zhì)的鉆鋌，是優(yōu)選底部鉆具組合的重要內(nèi)容之一。參數(shù)研究——影響因素分析鉆鋌的影響：ＢＨＡ的受力和變形，均直53參數(shù)研究——影響因素分析鉆頭的影響。鉆頭各向異性可用鉆頭各向異性指數(shù)（Ib）來表征。Ib的大小主要取決于鉆頭的類型，結(jié)構(gòu)和尺寸，可通過室內(nèi)試驗(yàn)測定。由于鉆頭各向異性的影響，鉆頭即使在均質(zhì)各向同性地層里鉆進(jìn)，也不能按著鉆頭機(jī)械合力方向鉆進(jìn)。在這種情況下，鉆頭轉(zhuǎn)角也影響鉆進(jìn)方向。由Ib的定義（即Ib為鉆頭側(cè)向切削效率與其軸向鉆進(jìn)效率的比值）可知：當(dāng)Ib＜１時(shí)，則鉆頭側(cè)向切削效率較低；當(dāng)Ib＞１時(shí)，則鉆頭側(cè)向切削效率較高；當(dāng)Ib＝0時(shí)，則鉆頭只有軸向鉆進(jìn)效率；當(dāng)Ib＝１時(shí)，則鉆頭呈各向同性；當(dāng)Ib→∞時(shí)，則鉆頭軸向鉆進(jìn)效率趨于零。目前常用牙輪鉆頭和PDC鉆頭在鉆井條件下的Ib值，一般均在（0，1）范圍內(nèi)。參數(shù)研究——影響因素分析鉆頭的影響。鉆頭各向異性可用鉆頭各向54參數(shù)研究——影響因素分析帶彎接頭的井下動力鉆具組合。研究結(jié)果表明，彎接頭的彎曲角（ψ）及其相對鉆頭的間距（Lt）均對這種鉆具組合的造斜特性影響較大，即增大ψ或減小Lt勻可增強(qiáng)造斜效果；此外，這種鉆具組合下井后的裝置角（ω）也對鉆頭井斜力和方位力的影響很大。因此，當(dāng)使用帶彎接頭的井下動力鉆具組合造斜或糾斜時(shí)，通過合理選配彎接頭或采用適當(dāng)長度的井下馬達(dá)，并同時(shí)嚴(yán)格控制裝置角的大小，便可有效地控制井眼軌跡。參數(shù)研究——影響因素分析帶彎接頭的井下動力鉆具組合。研究結(jié)果55參數(shù)研究——鉆壓的影響規(guī)律降斜鉆具組合（ＤＡ）。總的講，鉆壓對它的力學(xué)特性有較大的影響。在斜直井眼中，鉆頭的降斜力隨鉆壓加大而減小，原有的變方位趨勢亦隨之削弱。在彎曲井眼中，鉆頭的井斜力和方位力隨鉆壓的變化規(guī)律，分別取決于井斜變化率（Kα）和井斜方位變化率（Kφ）。無論Kφ的正負(fù)，當(dāng)Kα>０時(shí)，鉆頭井斜力隨鉆壓增大而降低，當(dāng)Kα<０時(shí)，則相反；無論Kα的正負(fù)，當(dāng)Kφ＞０時(shí)，鉆頭原有的變方位趨勢隨鉆壓增大而增強(qiáng)，當(dāng)Kφ＜０時(shí)亦然。參數(shù)研究——鉆壓的影響規(guī)律降斜鉆具組合（ＤＡ）。總的講，鉆壓56參數(shù)研究——鉆壓的影響規(guī)律增斜鉆具組合（ＢＡ）?？偟闹v，它受鉆壓的影響較大，鉆頭力學(xué)行為隨鉆壓的變化規(guī)律也與井眼幾何形狀有關(guān)。在斜直井眼中，鉆頭增斜力隨鉆壓加大而增強(qiáng)（在無穩(wěn)定器間隙時(shí)則相反），原有的變方位趨勢隨之削弱。在彎曲井眼中，無論Kφ的正負(fù)，當(dāng)Kα＞0時(shí)，鉆頭井斜力隨鉆壓增加而變大，當(dāng)Kα＜０時(shí)，則相反；無論Kα的正負(fù)，當(dāng)Kφ＞０時(shí)，鉆頭原有的變方位趨勢隨鉆壓的增加而減弱，當(dāng)Kφ＜０時(shí)亦然。參數(shù)研究——鉆壓的影響規(guī)律增斜鉆具組合（ＢＡ）?？偟闹v，它受57參數(shù)研究——鉆壓的影響規(guī)律穩(wěn)斜鉆具組合（ＨＡ）。在斜直井段，鉆壓對鉆頭井斜力影響很小，而對方位力影響較大（增加鉆壓可減弱原有的變方位趨勢）。在彎曲井段，鉆壓對鉆頭方位力影響甚小，而對井斜力影響較大：當(dāng)井眼為增斜增方位或降斜增方位時(shí)，鉆壓增加使鉆頭井斜力變?。划?dāng)井眼為降斜減方位或增斜減方位時(shí)，鉆壓增加使井斜力變大。參數(shù)研究——鉆壓的影響規(guī)律穩(wěn)斜鉆具組合（ＨＡ）。在斜直井段，58參數(shù)研究——鉆頭扭矩的影響規(guī)律鉆頭扭矩是影響鉆頭力學(xué)行為的又一個(gè)重要參數(shù)。由于它的作用，使得井斜方向和方位方向的變形相互耦合，因而使變形分析復(fù)雜化。當(dāng)令扭矩等于零時(shí)，則井斜方向和方位方向的變形互不干擾，從而使問題的求解大為簡化（變?yōu)槎S變形問題的求解）。鉆頭扭矩雖然對三類鉆具組合的鉆頭井斜力影響很小，但對鉆頭方位力影響很大。在鉆井過程中，鉆頭扭矩與鉆壓密切相關(guān)。當(dāng)其它因素固定時(shí)，鉆頭扭矩是鉆壓的線性函數(shù)。因此在計(jì)算中，鉆頭扭矩和鉆壓應(yīng)同時(shí)確定。參數(shù)研究——鉆頭扭矩的影響規(guī)律鉆頭扭矩是影響鉆頭力學(xué)行為的又59參數(shù)研究——影響因素分析鉆井液的浮力影響。底部鉆具組合在充滿鉆井液的井眼里工作，必然受到浮力的作用。研究結(jié)果表明，浮力作用使鉆柱單位長度重量減輕，即鉆柱在鉆井液里的單位長度重度q＝Kf

q0（其中q0表示鉆柱在空氣中的單位長度重量；Kf為浮重系數(shù)，取決于鉆井液和鉆柱材料的重度）。參數(shù)研究——影響因素分析鉆井液的浮力影響。底部鉆具組合在充滿60參數(shù)研究——井眼幾何的影響井斜角的影響。底部鉆具組合（BHA）橫向分布載荷不僅源于鉆鋌的自重，而且與井斜角密切相關(guān)。當(dāng)BHA選定后，其橫向和軸向的分布載荷大小均隨井斜角的變化而變化。BHA的彎曲變形與其橫向載荷和軸向載荷均有較大關(guān)系，因而鉆頭力學(xué)行為也必然如此。計(jì)算結(jié)果表明，降斜鉆具組合和增斜鉆具組合的鉆頭井斜力受井斜角的影響較大，而穩(wěn)斜鉆具合的鉆頭井斜力則受其影響較?。涣硪环矫?，穩(wěn)斜鉆具組合和增斜鉆具組合的鉆頭方位力受井斜角的影響較大，而降斜鉆具組合的鉆頭方位力則受其影響較小。此外，地層各向異性鉆井特性也與井斜角有關(guān)。參數(shù)研究——井眼幾何的影響井斜角的影響。底部鉆具組合（BHA61參數(shù)研究——井眼幾何的影響井眼曲率的影響。各種底部鉆具組合均具有彈性和抗彎剛度，當(dāng)它們受到井眼的彎曲作用時(shí)，必然會表現(xiàn)出自身的反抗響應(yīng)。計(jì)算結(jié)果表明，底部鉆具組合的力學(xué)特性對井眼曲率的敏感性響應(yīng)，表現(xiàn)為穩(wěn)斜型最強(qiáng)，增斜型次之，降斜型相對最弱；同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，由于扭矩的耦合作用，井斜變化率盡管主要影響井斜力，但同時(shí)也對鉆頭方位力有一定的影響；井斜方位變化率雖然主要影響鉆頭方位力，但同時(shí)也對井斜力有一定的作用效果。另外，井眼曲率對底部鉆具組合的大撓度非線性效應(yīng)具有較大影響。參數(shù)研究——井眼幾何的影響井眼曲率的影響。各種底部鉆具組合均62參數(shù)研究——井眼幾何的影響井徑擴(kuò)大的影響。BHA的彎曲變形，總是受井眼幾何形狀的嚴(yán)格約束。當(dāng)遇到井徑擴(kuò)大時(shí)，井眼視半徑便增大，井眼對BHA的約束空間就發(fā)生變化，從而影響B(tài)HA的變形狀態(tài)。計(jì)算結(jié)果表明，井徑擴(kuò)大對三類BHA力學(xué)行為的影響程度有所不同，其中以穩(wěn)斜型受井徑擴(kuò)大的影響最大，增斜型次之，而降斜型受其影響則甚小。井斜方位的影響。井斜方位對鉆進(jìn)方向的影響，主要是通過地層的各向異性鉆井特性發(fā)生作用的。假若地層因素固定不變，則在鉆進(jìn)過程中地層對井眼軌跡的影響效果隨井斜方向變化而變化。參數(shù)研究——井眼幾何的影響井徑擴(kuò)大的影響。BHA的彎曲變形，63參數(shù)研究——BHA旋轉(zhuǎn)運(yùn)動特性以DTU螺桿鉆具組合為例，討論井下動力鉆具組合的定向鉆進(jìn)特性。當(dāng)鉆柱不旋轉(zhuǎn)（鎖住轉(zhuǎn)盤）鉆進(jìn)時(shí)，則DTU馬達(dá)的轉(zhuǎn)子（或鉆頭）處于自轉(zhuǎn)狀態(tài)，并根據(jù)鉆具組合工具面的方位定向鉆進(jìn)，可達(dá)到變化井斜和方位的控制目標(biāo)。當(dāng)開動轉(zhuǎn)盤（低速）鉆進(jìn)時(shí)，則DTU馬達(dá)的轉(zhuǎn)子（或鉆頭）將處于渦動狀態(tài)，即它不僅繞本身軸線自轉(zhuǎn)，而且隨著馬達(dá)外殼繞井眼中心進(jìn)動（或公轉(zhuǎn)），從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)斜或水平段定向鉆進(jìn)的控制目標(biāo)?？梢?，可通過控制井下動力導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)對井眼軌跡的連續(xù)控制。參數(shù)研究——BHA旋轉(zhuǎn)運(yùn)動特性以DTU螺桿鉆具組合為例，647、SPE/IADC52835:QuantifyingBHATendencywithFieldDirectionalDrillingData&FiniteElementModel7、SPE/IADC52835:Quantifying65SPE/IADC52835:QuantifyingBHATendencywithFieldDirectionalDrillingData&FiniteElementModelSPE/IADC52835:QuantifyingB66定向、水平井軌跡控制課件67定向、水平井軌跡控制課件68定向、水平井軌跡控制課件69定向、水平井軌跡控制課件70定向、水平井軌跡控制課件71

光鉆鋌大鉆壓防斜技術(shù)“動力學(xué)”防斜打快理論偏軸防斜打快技術(shù)“剛?cè)峤M合”鐘擺鉆具防斜技術(shù)井下動力鉆具防斜打快技術(shù)高陡構(gòu)造預(yù)測控制井眼軌跡中靶技術(shù)8.井斜控制理論與技術(shù)光鉆鋌大鉆壓防斜技術(shù)8.井斜控制理論與技術(shù)72

井下測量與過程可視化：MWD、LWD、SWD、PWD及近鉆頭力學(xué)測量等可視化：幾何、地質(zhì)及力學(xué)可視化等井下智能控制系統(tǒng)：硬件和軟件。旋轉(zhuǎn)可控鉆井系統(tǒng)（主要用于大位移鉆井）：AutoTrackRCLS系統(tǒng)PowerDriveSRD系統(tǒng)Geo-Pilot系統(tǒng)等

９．三維可控與可視化鉆井

井下測量與過程可視化：９．三維可控與可視化鉆井73測量與計(jì)算

測量與計(jì)算74現(xiàn)代測量工具主要以固態(tài)傳感器測量地球自然場（重力場、磁力場和旋轉(zhuǎn)場），與其相關(guān)的典型獨(dú)立誤差源有：原始傳感器誤差測量深度誤差磁偏角誤差磁干擾誤差磁化糾正誤差鉆具組合下垂不同軸誤差例如：井眼軌跡不確定性及其可視化現(xiàn)代測量工具主要以固態(tài)傳感器測量地球自然場（重力場、磁力場和75井下導(dǎo)向工具設(shè)計(jì)研究

——地面遙控可調(diào)彎接頭回轉(zhuǎn)軸線下彎短節(jié)軸線回轉(zhuǎn)錐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)遙控技術(shù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度井下導(dǎo)向工具設(shè)計(jì)研究76旋轉(zhuǎn)可控導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

（PowerDriveSRD系統(tǒng)）旋轉(zhuǎn)可控導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

（PowerDriveSRD系統(tǒng)）77旋轉(zhuǎn)可控導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

（AutoTrackRCLS系統(tǒng)）旋轉(zhuǎn)可控導(dǎo)向機(jī)構(gòu)

（AutoTrackRCLS系統(tǒng)）78旋轉(zhuǎn)可控導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（Geo-Pilot系統(tǒng)）旋轉(zhuǎn)可控導(dǎo)向機(jī)構(gòu)（Geo-Pilot系統(tǒng)）79歡迎批評指正！歡迎批評指正！80

定向、水平井眼軌跡控制技術(shù)

鉆井欠平衡井控技術(shù)服務(wù)公司

定向、水平井眼軌跡控制技術(shù)

鉆井欠平衡井控技術(shù)服務(wù)公司81目錄特殊工藝鉆井概念井眼軌跡控制原理底部鉆具組合及其特性井下動力鉆具造斜率的預(yù)測方法轉(zhuǎn)盤鉆具組合的力學(xué)分析方法參數(shù)研究——影響因素分析高效防斜理論測量與計(jì)算方法目錄特殊工藝鉆井概念82特殊工藝鉆井概念預(yù)置軌道，是指按勘探或開發(fā)目標(biāo)要求設(shè)計(jì)出的井眼軌道，其基本類型包括直井，定向井或水平井，等等。沿預(yù)定軌道偏離垂直方向而鉆達(dá)地下目標(biāo)層位的井，稱為定向井；將定向井的井斜增大到86度以上（90度左右）并在油藏內(nèi)部鉆進(jìn)一定長度的井，稱為水平井。定向井和水平井可通稱為斜井，其井眼形狀不同于傳統(tǒng)的直井，最明顯的特點(diǎn)是斜井從井口到井底有一個(gè)“大斜度水平位移”。在一個(gè)井場或海洋平臺上鉆出多口井，這些井組合起來稱為叢式井。在石油勘探開發(fā)過程中，由于經(jīng)常遇到種種客觀條件的限制，或出于經(jīng)濟(jì)和社會效益等方面的考慮，打直井難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，而打斜井及叢式井則可揚(yáng)長避短、興利除弊，獲得理想的效果。特殊工藝鉆井概念預(yù)置軌道，是指按勘探或開發(fā)目標(biāo)要求設(shè)計(jì)出的井83特殊工藝鉆井概念水平位移（displacementorcloseredistance）井眼軌跡上的任意一點(diǎn)與井口鉛錘的距離稱為該點(diǎn)的“水平位移”。也稱該點(diǎn)的閉合距視平移（verticalsection）水平位移在設(shè)計(jì)方位線上的投影長度，稱為視平移。如下圖所示。OQ為設(shè)計(jì)方位線，OT曲線為實(shí)鉆井眼軸線在水平面上的投影，其上任一點(diǎn)P的水平位移為OP，以Ap來表示。P點(diǎn)的視平移為OK。當(dāng)OK與OQ同向時(shí)為正值，反向時(shí)為負(fù)值。視平移是繪制垂直投影圖時(shí)重要的參數(shù)，單位為m。特殊工藝鉆井概念水平位移（displacementorc84定向、水平井軌跡控制課件85特殊工藝鉆井概念高邊（Highside）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。從井底圓心指向高邊連線的方向稱為高邊方向。高邊連線在水平面的投影線所指的方向線為井底方位線。工具面角（Toolfaceangle）它是表示造斜工具下到井底后，工具面角所在位置的參數(shù)。工具面角有兩種表示方法：1.重力工具面角(高邊工具面角)2.磁性工具面角特殊工藝鉆井概念高邊（Highside）86井眼曲率在定向鉆井中，井眼曲率是一個(gè)很重要的參數(shù)。井眼曲率過大會給鉆井、采油和修井作業(yè)造成困難。因此，在定向鉆井過程中，應(yīng)控制最大井眼曲率的最大值，一般取5°－12°/100m，最大不超過16°/100m。當(dāng)然，井眼曲率也不宜過小，這是因?yàn)榫矍氏拗铺。瑫黾觿恿︺@具造斜井段、扭方位井段和增（降）斜井段的井眼長度，從而增加了井眼軌跡控制的工作量，影響鉆井速度。

井眼曲率在定向鉆井中，井眼曲率是一個(gè)很重要的參數(shù)。井87為了保證造斜鉆具和套管安全、順利下井，必須對設(shè)計(jì)剖面的井眼曲率進(jìn)行校核，應(yīng)該使井身剖面的最大井眼曲率小于井下馬達(dá)組合和下井套管抗彎曲強(qiáng)度允許的最大井眼曲率值。井下馬達(dá)定向造斜及扭方位的井段井眼曲率Km應(yīng)滿足下式：式中：Km－井眼曲率，°/100m；Db－鉆頭直徑，mm；DT－井下馬達(dá)外徑，mm；LT－井下馬達(dá)長度，m。

為了保證造斜鉆具和套管安全、順利下井，必須對88下套管允許的最大井眼曲率Km應(yīng)滿足下式：式中：Km－井眼曲率，°/100m；δc－套管屈服極限，PaC1－安全系數(shù)，一般取1.2－1.25C2－絲扣應(yīng)力集中系數(shù)，一般取1.7－2.5Dc－套管外徑，cm下套管允許的最大井眼曲率Km應(yīng)滿足下式：式中：89特殊工藝鉆井概念1.高邊工具面角:指以高邊的方向線為始邊,順時(shí)針轉(zhuǎn)到工具面與井底圓平面交線上,所轉(zhuǎn)過的角度。2.磁北工具面角:高邊工具面角加井底方位角。磁偏角（Declination）在某一地區(qū)內(nèi)，其磁北極方向線與地理北極方向線的夾角。計(jì)算方法是以地理北極方向線為始邊，磁北極方向線為終邊。順時(shí)針為正，逆為負(fù)。特殊工藝鉆井概念1.高邊工具面角:指以高邊的方向線90定向、水平井的主要用途在地面上難以建立或不允許建立井場的地區(qū)，要勘探開發(fā)地下的石油等資源，唯一的辦法是從該地區(qū)附近打定向井；在海洋或湖泊等水域上勘探開發(fā)石油時(shí)，最好是建立固定平臺或從岸邊打定向井和叢式定向井；可使用定向井饒過所鉆遇的地下復(fù)雜地層或障礙物等；打定向水平井和復(fù)雜結(jié)構(gòu)井，可擴(kuò)大勘探效果及提高開發(fā)效益和采收率；在發(fā)生卡鉆、斷鉆及井噴著火等惡性鉆井事故的情況下，用側(cè)鉆井、救援井來處理這類事故最有效。定向、水平井的主要用途在地面上難以建立或不允許建立井場的地區(qū)91SelectionofWellProfilesSelectionofWellProfiles92復(fù)雜結(jié)構(gòu)井示意圖復(fù)雜結(jié)構(gòu)井示意圖931、井眼軌跡控制原理1、鉆頭與地層相互作用因素：鉆頭：特殊結(jié)構(gòu)，側(cè)切特性，各向異性地層：巖性，可鉆性，各向異性，幾何產(chǎn)狀鉆頭作用力：鉆壓，側(cè)向力，鉆頭轉(zhuǎn)角，扭矩高壓射流作用：清洗碎屑，輔助軸向破巖2、鉆柱及其底部鉆具組合（BHA）分析確定鉆頭對地層的機(jī)械作用力：井斜力和方位力確定鉆頭指向：轉(zhuǎn)角確定鉆壓及鉆頭扭矩確定鉆柱或BHA任一點(diǎn)內(nèi)力和撓度3、鉆頭與地層相互作用模型——三維鉆速方程1、井眼軌跡控制原理1、鉆頭與地層相互作用因素：94石油鉆井中使用的牙輪鉆頭石油鉆井中使用的牙輪鉆頭95改進(jìn)后的171/2FS2663在迪那2井1325-3129m井段共計(jì)4次入井，累計(jì)進(jìn)尺1723.48m，累計(jì)純鉆711.9h，平均鉆速2.42m/h，171/2PDC鉆頭在塔里木油田首次取得突破針對山前構(gòu)造地層變化頻繁，夾層研磨性強(qiáng)的特點(diǎn)，選用了DS66GJNSW鉆頭，在柯深101井81/2井段應(yīng)用，累計(jì)進(jìn)尺1098.27m，平均鉆速1.15m/h，與柯深1井同井段相比節(jié)約周期165天，節(jié)約成本1160萬塔里木鉆井使用的鉆頭改進(jìn)后的171/2FS2663在迪那2井1325-312996鉆頭的各向異性鉆井特性鉆頭的各向異性鉆井特性97地層的各向異性鉆井特性

地層的各向異性鉆井特性98實(shí)鉆地層的各向異性劃分FormationA:Ir1<Ir2<1(Ddip<Dstr<Dn)FormationB:Ir1=Ir2<1(Ddip=Dstr<Dn)FormationC:Ir1=Ir2>1(Ddip=Dstr>Dn)FormationD:Ir1>Ir2>1(Ddip>Dstr>Dn)FormationE:Ir2<Ir1<1(Dstr<Ddip<Dn)FormationF:Ir1<1<Ir2(Ddip<Dn<Dstr)FormationG:Ir1<Ir2=1(Ddip<Dstr=Dn)FormationH:Ir2>Ir1>1(Dstr>Ddip>Dn)FormationI:Ir2<1<Ir1(Dstr<Dn<Ddip)FormationJ:Ir1>Ir2=1(Ddip>Dstr=Dn)FormationK:Ir1=1>Ir2(Ddip=Dn>Dstr)FormationL:Ir1=1<Ir2(Ddip=Dn<Dstr)實(shí)鉆地層的各向異性劃分FormationA:I99鉆頭與地層相互作用矢量鉆頭與地層相互作用矢量100鉆頭與地層相互作用模型鉆頭與地層相互作用模型101井眼軌跡預(yù)測與定向控制方法井眼軌跡的主要影響因素分析：鉆頭、BHA結(jié)構(gòu)及操作參數(shù)的影響（可控制因素）地層因素的影響（不可改變的客觀因素）井眼幾何參數(shù)的影響，以及動態(tài)因素的影響井眼軌跡預(yù)測方法：有效鉆力與“平衡曲率法”結(jié)合，進(jìn)行定量預(yù)測定向控制方法：底部鉆具組合（BHA）和鉆頭的優(yōu)選方法隨鉆井眼軌跡監(jiān)視與操作參數(shù)控制方法利用地層自然造斜規(guī)律進(jìn)行控制井眼軌跡預(yù)測與定向控制方法井眼軌跡的主要影響因素分析：1022、底部鉆具組合及其特性1.底部鉆具組合（BHA）系統(tǒng)：鉆頭，鋼鉆鋌，無磁鉆鋌，螺旋鉆鋌，加重鉆桿等穩(wěn)定器，減振器，震擊器，擴(kuò)大器等井下動力馬達(dá)，彎接頭，彎外殼，可變徑穩(wěn)定器等測量系統(tǒng)2.BHA荷載及約束：地層對鉆頭的反作用力，動力載荷橫向和軸向分布載荷，扭矩，摩擦阻力，液力井眼約束：井徑，井斜，曲率和撓率，井壁支撐荷載及井眼約束條件隨鉆變化2、底部鉆具組合及其特性1.底部鉆具組合（BHA）系統(tǒng)：103井下動力鉆具組合井下動力鉆具組合104轉(zhuǎn)盤鉆具組合（BHA）BHA參數(shù):穩(wěn)定器的安放位置；穩(wěn)定器與井眼的間隙；鉆鋌的抗彎剛度；鉆鋌的每米有效重量；鉆鋌的剛?cè)峤M合；鉆頭的各向異性特性；特殊接頭等。轉(zhuǎn)盤鉆具組合（BHA）BHA參數(shù):105轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與滑動鉆進(jìn)特性旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式：主要有如下兩種轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式（如：ERD偏愛此種）井下動力滑動鉆進(jìn)方式（如：CTD最典型）轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)：軸向阻力小，便于施加鉆壓及大位移延伸排量大，鉆柱渦動，洗井效果較好便于修整井壁，井眼光滑，質(zhì)量較好一般情況下機(jī)械鉆速較大轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與滑動鉆進(jìn)特性旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式：主要有如下兩種106轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的缺點(diǎn)：鉆柱旋轉(zhuǎn)與振動，損失大量機(jī)械能量扭矩?fù)p失巨大，要求鉆柱抗扭強(qiáng)度高井下工具（包括鉆頭等）的使用壽命降低管柱摩擦磨損嚴(yán)重，特別是套管磨損定向控制精度較低，特別不利于方位控制鉆柱刮拉和撞擊井壁，不利于井壁穩(wěn)定控制要求鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動功率較大要求無線隨鉆測量鉆進(jìn)間斷較多，等等轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的缺點(diǎn)：107井下動力滑動鉆進(jìn)方式井下動力滑動鉆進(jìn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)井下動力滑動鉆進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)：定向控制精度高，可有效地控制方位漂移鉆柱振動很小，機(jī)械能量損失少管柱摩擦磨損少，鉆具非正常失效少扭矩很小，一般不需要鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動鉆柱不旋轉(zhuǎn)，有利于井壁穩(wěn)定可以進(jìn)行有線隨鉆測量或測井井下動力滑動鉆進(jìn)方式井下動力滑動鉆進(jìn)方式的優(yōu)缺點(diǎn)108井下動力滑動鉆進(jìn)方式井下動力滑動鉆進(jìn)目前存在的缺點(diǎn)：鉆柱滑動，受到較大的軸向阻力，不利于施加鉆壓及大位移延伸受井下馬達(dá)排量限制，洗井效果不佳沒有鉆柱旋轉(zhuǎn)，不利于修整井壁在有些情況下，機(jī)械鉆速較慢井下馬達(dá)性能的不斷改進(jìn)井下動力滑動鉆進(jìn)系統(tǒng)的改進(jìn)井下動力滑動鉆進(jìn)方式井下動力滑動鉆進(jìn)目前存在的缺點(diǎn)：109智能鉆井系統(tǒng)的概念

（英國）InglisTA.：定向鉆井，石油工業(yè)出版社，1995智能鉆井系統(tǒng)的概念

（英國）InglisTA.：定向鉆110智能鉆井系統(tǒng)——未來鉆井的核心智能鉆井系統(tǒng)的組成：執(zhí)行機(jī)構(gòu)（好象人的手，硬件）測量系統(tǒng)（好象人的眼睛，硬件）控制決策系統(tǒng)（好象人的腦，軟件）兩大類導(dǎo)向工具：角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)：彎接頭等；徑向尺寸可調(diào)的非彎曲結(jié)構(gòu)：可變徑穩(wěn)定器等。智能鉆井系統(tǒng)——未來鉆井的核心智能鉆井系統(tǒng)的組成：111角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)包括：彎接頭\彎外殼等。其中，目前實(shí)現(xiàn)了井下角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)，只有彎接頭一種。角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)：與徑向尺寸可調(diào)的非彎曲結(jié)構(gòu)相比，彎曲結(jié)構(gòu)的定向控制性能可調(diào)范圍大，適應(yīng)性強(qiáng)；便于同其它井下工具進(jìn)行組合，靈活，可靠；既可用于定向控制，也可用于高效防斜及穩(wěn)斜控制；既可用于井下動力滑動鉆進(jìn)，也可用于轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)。角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)角度可調(diào)的彎曲結(jié)構(gòu)包括：彎接頭\彎1123、井下動力鉆具造斜率的預(yù)測方法3、井下動力鉆具造斜率的預(yù)測方法113井下動力鉆具造斜率預(yù)測S1=DH-DS1:distanceclearanceoffirststabilizer,inS2=DH-DS2:diametricalclearanceofsecondstabilizer,inB1=angleadjustmentforunder-gaugeof1ststabilizer,degB2=angleadjustadjustmentforunder-gaugeof2ndstabilizer,degB=Equivalentangleforsinglebend,degθ=effectivemotorangle,deg井下動力鉆具造斜率預(yù)測S1=DH-DS1:distance114Principlefordirectionaldrilling

3-pointgeometry

200xAngleofmotorBendAngleBitBendAngleBitUpperSTUpperSTDogleg/100ft.

Near-bitSTNear-bitST115PrinciplefordirectionaldrilA型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)A型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)116B型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)B型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)117C型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)C型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)118D型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)D型動力鉆具組合及其造斜率(BUR)119實(shí)例分析：單彎雙穩(wěn)螺桿鉆具組合實(shí)例分析：單彎雙穩(wěn)螺桿鉆具組合1204、轉(zhuǎn)盤鉆具組合的力學(xué)分析方法1.縱橫彎曲力學(xué)模型：三維縱橫彎曲梁柱問題2.三維非線性變形控制方程：四階偏微分方程3.三維彎曲井眼幾何約束方程及邊界條件4.數(shù)值求解方法：加權(quán)殘值法和有限差分法5.三維大撓度力學(xué)分析：中小曲率半徑水平井6.BHA簡化模型的半解析解7.BHA渦動特性分析8.BHA分析程序（軟件）研制4、轉(zhuǎn)盤鉆具組合的力學(xué)分析方法1.縱橫彎曲力學(xué)模型：三維縱121轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—基本假設(shè)1)底部鉆具組合各結(jié)構(gòu)單元均處于彈性狀態(tài)；2)底部鉆具組合各結(jié)構(gòu)單元可以具有任意幾何尺寸和材料性質(zhì),但分段保持為常數(shù)；3)鉆頭居井底中心,鉆頭與地層間無力偶作用；4)鉆壓分段保持常數(shù),沿井眼軸線方向作用；5)井眼為圓形,井壁為剛性體;6)穩(wěn)定器與井壁之間的接觸為點(diǎn)接觸;7)在切點(diǎn)以上,鉆柱因自重躺在下井壁;8)忽略鉆柱與鉆井液的動力效應(yīng)。轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—基本假設(shè)1)底部鉆具組合各結(jié)構(gòu)單元均處122轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—坐標(biāo)系轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—坐標(biāo)系123轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—變形控制方程轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—變形控制方程124轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—坐標(biāo)系轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—坐標(biāo)系125轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—井眼約束轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—井眼約束126轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—通解方程轉(zhuǎn)盤鉆具組合力學(xué)分析—通解方程127轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—撓度計(jì)算轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—撓度計(jì)算128轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)盤鉆具組合兩維分析—目標(biāo)函數(shù)129鉆具組合兩維分析—鉆頭側(cè)向力及轉(zhuǎn)角鉆具組合兩維分析—鉆頭側(cè)向力及轉(zhuǎn)角1305、井眼軌跡控制計(jì)算系統(tǒng)

井眼軌跡定向控制計(jì)算系統(tǒng)，是在鉆頭與地層相互作用模型及ＢＨＡ分析程序的基礎(chǔ)上，從實(shí)際工程的需要出發(fā)，采用新方法研發(fā)的井眼軌跡定向預(yù)測和控制的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，主要計(jì)算功能包括：底部鉆具組合力學(xué)特性分析；井斜變化預(yù)測計(jì)算；穩(wěn)定器安放位置優(yōu)化計(jì)算；鉆壓法控制計(jì)算；地層各向異性評估，地層造斜規(guī)律圖形分析。5、井眼軌跡控制計(jì)算系統(tǒng)井眼軌跡定向控制計(jì)算系統(tǒng)，是在鉆1316、參數(shù)研究——影響因素分析穩(wěn)定器位置對鉆頭力學(xué)行為影響很大。所謂“鐘擺作用”、“杠桿作用”及“滿眼穩(wěn)斜作用”等，主要取決于穩(wěn)定器位置。計(jì)算表明，近鉆頭穩(wěn)定器及其相鄰的穩(wěn)定器，其安放位置對鉆頭力學(xué)行為影響較大，而其余的則影響較小。另一方面，穩(wěn)定器位置的改變主要影響鉆頭井斜力，而對鉆頭方位力的影響則較小。穩(wěn)定器間隙對鉆頭力學(xué)行為具有不可忽略的影響。對于具有三個(gè)穩(wěn)定器的穩(wěn)斜鉆具組合而言，其鉆頭力學(xué)行為受近鉆頭穩(wěn)定器間隙的影響最大，受中穩(wěn)定器間隙的影響次之，而受上穩(wěn)定器間隙的影響最小。6、參數(shù)研究——影響因素分析穩(wěn)定器位置對鉆頭力學(xué)行為影響很大132參數(shù)研究——影響因素分析鉆鋌的影響：ＢＨＡ的受力和變形，均直接與其鉆鋌的自重和抗彎剛度密切相關(guān)。研究表明，在鐘擺鉆具組合中采用大重度及高抗彎剛度的鉆鋌，將會產(chǎn)生較好的防斜效果；當(dāng)需要鉆較小曲率半徑的增斜井段時(shí)，在增斜鉆具組合中宜采用較柔性的鉆鋌；“剛性滿眼”鉆具組合一般具有較好的穩(wěn)斜能力。總之，在井眼軌跡控制中，選配適當(dāng)尺寸及材質(zhì)的鉆鋌，是優(yōu)選底部鉆具組合的重要內(nèi)容之一。參數(shù)研究——影響因素分析鉆鋌的影響：ＢＨＡ的受力和變形，均直133參數(shù)研究——影響因素分析鉆頭的影響。鉆頭各向異性可用鉆頭各向異性指數(shù)（Ib）來表征。Ib的大小主要取決于鉆頭的類型，結(jié)構(gòu)和尺寸，可通過室內(nèi)試驗(yàn)測定。由于鉆頭各向異性的影響，鉆頭即使在均質(zhì)各向同性地層里鉆進(jìn)，也不能按著鉆頭機(jī)械合力方向鉆進(jìn)。在這種情況下，鉆頭轉(zhuǎn)角也影響鉆進(jìn)方向。由Ib的定義（即Ib為鉆頭側(cè)向切削效率與其軸向鉆進(jìn)效率的比值）可知：當(dāng)Ib＜１時(shí)，則鉆頭側(cè)向切削效率較低；當(dāng)Ib＞１時(shí)，則鉆頭側(cè)向切削效率較高；當(dāng)Ib＝0時(shí)，則鉆頭只有軸向鉆進(jìn)效率；當(dāng)Ib＝１時(shí)，則鉆頭呈各向同性；當(dāng)Ib→∞時(shí)，則鉆頭軸向鉆進(jìn)效率趨于零。目前常用牙輪鉆頭和PDC鉆頭在鉆井條件下的Ib值，一般均在（0，1）范圍內(nèi)。參數(shù)研究——影響因素分析鉆頭的影響。鉆頭各向異性可用鉆頭各向134參數(shù)研究——影響因素分析帶彎接頭的井下動力鉆具組合。研究結(jié)果表明，彎接頭的彎曲角（ψ）及其相對鉆頭的間距（Lt）均對這種鉆具組合的造斜特性影響較大，即增大ψ或減小Lt勻可增強(qiáng)造斜效果；此外，這種鉆具組合下井后的裝置角（ω）也對鉆頭井斜力和方位力的影響很大。因此，當(dāng)使用帶彎接頭的井下動力鉆具組合造斜或糾斜時(shí)，通過合理選配彎接頭或采用適當(dāng)長度的井下馬達(dá)，并同時(shí)嚴(yán)格控制裝置角的大小，便可有效地控制井眼軌跡。參數(shù)研究——影響因素分析帶彎接頭的井下動力鉆具組合。研究結(jié)果135參數(shù)研究——鉆壓的影響規(guī)律降斜鉆具組合（ＤＡ）?？偟闹v，鉆壓對它的力學(xué)特性有較大的影響。在斜直井眼中，鉆頭的降斜力隨鉆壓加大而減小，原有的變方位趨勢亦隨之削弱。在彎曲井眼中，鉆頭的井斜力和方位力隨鉆壓的變化規(guī)律，分別取決于井斜變化率（Kα）和井斜方位變化率（Kφ）。無論Kφ的正負(fù)，當(dāng)Kα>０時(shí)，鉆頭井斜力隨鉆壓增大而降低，當(dāng)Kα<０時(shí)，則相反；無論Kα的正負(fù)，當(dāng)Kφ＞０時(shí)，鉆頭原有的變方位趨勢隨鉆壓增大而增強(qiáng)，當(dāng)Kφ＜０時(shí)亦然。參數(shù)研究——鉆壓的影響規(guī)律降斜鉆具組合（ＤＡ）。總的講，鉆壓136參數(shù)研究——鉆壓的影響規(guī)律增斜鉆具組合（ＢＡ）?？偟闹v，它受鉆壓的影響較大，鉆頭力學(xué)行為隨鉆壓的變化規(guī)律也與井眼幾何形狀有關(guān)。在斜直井眼中，鉆頭增斜力隨鉆壓加大而增強(qiáng)（在無穩(wěn)定器間隙時(shí)則相反），原有的變方位趨勢隨之削弱。在彎曲井眼中，無論Kφ的正負(fù)，當(dāng)Kα＞0時(shí)，鉆頭井斜力隨鉆壓增加而變大，當(dāng)Kα＜０時(shí)，則相反；無論Kα的正負(fù)，當(dāng)Kφ＞０時(shí)，鉆頭原有的變方位趨勢隨鉆壓的增加而減弱，當(dāng)Kφ＜０時(shí)亦然。參數(shù)研究——鉆壓的影響規(guī)律增斜鉆具組合（ＢＡ）?？偟闹v，它受137參數(shù)研究——鉆壓的影響規(guī)律穩(wěn)斜鉆具組合（ＨＡ）。在斜直井段，鉆壓對鉆頭井斜力影響很小，而對方位力影響較大（增加鉆壓可減弱原有的變方位趨勢）。在彎曲井段，鉆壓對鉆頭方位力影響甚小，而對井斜力影響較大：當(dāng)井眼為增斜增方位或降斜增方位時(shí)，鉆壓增加使鉆頭井斜力變??；當(dāng)井眼為降斜減方位或增斜減方位時(shí)，鉆壓增加使井斜力變大。參數(shù)研究——鉆壓的影響規(guī)律穩(wěn)斜鉆具組合（ＨＡ）。在斜直井段，138參數(shù)研究——鉆頭扭矩的影響規(guī)律鉆頭扭矩是影響鉆頭力學(xué)行為的又一個(gè)重要參數(shù)。由于它的作用，使得井斜方向和方位方向的變形相互耦合，因而使變形分析復(fù)雜化。當(dāng)令扭矩等于零時(shí)，則井斜方向和方位方向的變形互不干擾，從而使問題的求解大為簡化（變?yōu)槎S變形問題的求解）。鉆頭扭矩雖然對三類鉆具組合的鉆頭井斜力影響很小，但對鉆頭方位力影響很大。在鉆井過程中，鉆頭扭矩與鉆壓密切相關(guān)。當(dāng)其它因素固定時(shí)，鉆頭扭矩是鉆壓的線性函數(shù)。因此在計(jì)算中，鉆頭扭矩和鉆壓應(yīng)同時(shí)確定。參數(shù)研究——鉆頭扭矩的影響規(guī)律鉆頭扭矩是影響鉆頭力學(xué)行為的又139參數(shù)研究——影響因素分析鉆井液的浮力影響。底部鉆具組合在充滿鉆井液的井眼里工作，必然受到浮力的作用。研究結(jié)果表明，浮力作用使鉆柱單位長度重量減輕，即鉆柱在鉆井液里的單位長度重度q＝Kf

q0（其中q0表示鉆柱在空氣中的單位長度重量；Kf為浮重系數(shù)，取決于鉆井液和鉆柱材料的重度）。參數(shù)研究——影響因素分析鉆井液的浮力影響。底部鉆具組合在充滿140參數(shù)研究——井眼幾何的影響井斜角的影響。底部鉆具組合（BHA）橫向分布載荷不僅源于鉆鋌的自重，而且