造斜工具及原理

定向井轨迹控制原理和计算2008年11月主讲人：蒋元全长庆培训中心第三讲定向井轨迹控制原理和计算定向井轨迹控制，是用一定的造斜工具，根据设计轨道的要求，不断地控制钻头前进方向，形成实钻井眼轨迹，最终钻达设计预定的目标。定向井轨迹控制是定向钻井施工最基本的作业内容，是定向钻井最核心也是最重要的技术。第一节造斜工具及其造斜原理看到“造斜工具”这个术语，切不可望文生义，不可简单地理解为只是从没有井斜的垂直井眼造出井斜的工具，也不可理解为只是改变井斜角的工具。准确地说，造斜工具是指能够改变井眼方向的工具。如前所述，井眼方向可以用井斜角和井斜方位角表示。所以，造斜工具应该是指既能改变井斜角，又能改变井斜方位角的工具。代表工具造斜能力的造斜率，就等于用该工具钻出的井眼的曲率。造斜工具的造斜原理，是根据井眼方向变化原理设计的。下面首先研究井眼方向变化的原理．一、井眼方向变化的原理井眼方向发生变化的基本原理有两种：一是钻头对井底的不对称切削，二是钻头对井壁的侧向切削。1．钻头对井底的不对称切削如图3—1—1所示，在钻进时，如果钻头一侧切削速度快，一侧切削速度慢，则井眼方向就会改变，向着切削速度慢的一侧弯曲。导致钻头不对称切削的原因可以归纳为3类：钻头、钻柱和地层。(1)钻头原因：钻头破碎井底岩石的能力一侧强、一侧弱。例如偏喷嘴钻头就是这个原理。(2)钻柱原因：靠近钻头的钻柱发生弯曲或倾斜，使钻头轴线与井眼轴线偏离，从而导致钻头对井底的不对称切削。钻柱弯曲或倾斜主要取决于造斜工具的结构和有关钻进参数。(3)地层原因：井底地层的可钻性不均匀，一侧容易破碎，另一侧不容易破碎，导致不对称切削。引起井底地层可钻性不均匀的原因很多，主要包括：地层的倾斜，地层可钻性的各向异性，可钻性在垂向、横向的变化，地层中裂缝、孔洞的存在等。地层因素是客观因素，在使用造斜工具时要考虑地层因素对造斜工具造斜能力的影响2．钻头对井壁的侧向切削钻头发生侧向切削的根本原因在于作用在钻头上有一个侧向力。当然，钻头还要具有侧向切削的能力(如图3—1—2)。在侧向切削和轴向切削的联合作用下，钻头前进的方向发生了变化，向着钻头侧向力的方向弯曲。二、造斜工具的发展历程自上世纪30年代初定向井出现以来，出现了多种形式的造斜工具，可以划分为四代，如图3—l—3所示。1．第一代造斜工具最先出现的造斜工具，是适用于旋转钻井方式的斜向器。实际上是以斜向器为主，辅以射流钻头和肘节工具等。斜向器的结构如图3—1—4所示，它的主要结构是在一个圆柱体的一侧加工出的一个导斜面。导斜面是一个倾斜的不完整的圆柱面，主要结构参数是导斜面的导斜角γ。导斜角等于导斜面的中心线与斜向器中心线的夹角。导斜面的长度大约为4—5m。斜向器的造斜原理，是钻头对井底的不对称切削。它的造斜过程(如图3—1—5)分为3步：下入并安置斜向器；加钻压剪断销钉，沿导斜面钻出一个行程长度的小井眼；起出斜向器，更换扩眼钻头扩眼。若需要继续造斜，则再重复上述3步。显然，斜向器属于断续造斜工具，每一个造斜行程约为10m。斜向器的平均造斜率K可表示为：斜向器的造斜效率很低，只能钻小斜度定向井；钻出来的井眼轴线大体上是折线形，不利于钻柱运动和下套管作业。2．第二代造斜工具第二代造斜工具的主流工具是弯接头+井底动力钻具，同时还有弯钻杆+井底动力钻具及带垫块的动力钻具等。弯接头+井底动力钻具出现于上世纪40年代，其结构和造斜原理如图3—1—6所示。开始用的动力钻具是涡轮钻具，之后又出现了螺杆钻具。此类造斜工具主要的结构参数是弯接头的弯曲角γ和动力钻具的长度LT。此类造斜工具由于受井眼的约束，弯接头以上钻具出现弹性变形，在钻头处产生侧向力，对井壁进行侧向切削。同时，由于钻头中心线偏离井眼轴线，产生对井底的不对称切削。钻头对井壁的侧向切削可以看做是“力学因素”；钻头对井底的不对称切削可以看做是“几何因素”。对于弯接头+井底动力钻具来说，力学因素是主要的，几何因素是次要的。钻头侧向力Fc的大小可用如下定性公式表示：根据上式，可以调整造斜工具的结构参数，改变造斜工具的造斜能力。第二代造斜工具用于井下动力钻具钻井方式，可以连续造斜钻进，所钻出的井眼轴线乃是连续曲线，造斜能力和造斜效率都大大提高，因而可以钻出小、中、大斜度定向井，甚至可以钻出水平井。20世纪50—60年代，我国和前苏联钻的水平井就是采用此类造斜工具钻出的。第二代造斜工具出现的同时，还出现了罗盘照相测量仪器和无磁钻铤，可以在下钻后进行井底定向，极大地促进了定向钻井技术的发展，特别是丛式井的广泛应用。3．第三代造斜工具第三代造斜工具的主要代表是弯外壳螺杆钻具，出现于上世纪70年代，其结构如图3—1—7所示。自左至右为：单弯、柔性单弯、带垫块的单弯、同向双弯、反向双弯。同时出现的还有铰接螺杆钻具等。单弯柔性单弯带垫块的单弯同向双弯反向双弯弯外壳螺杆钻具的出现，是井下动力钻具的设计、制造技术的突破。因为外壳的弯曲要求螺杆轴线也要弯曲，弯曲处需要使用万向节连接。第三代造斜工具的核心技术是把弯曲点从弯接头上移到螺杆钻具的外壳上。这一“移动”看似简单，却是具有划时代意义的重大技术革命。首先，这一移动使弯曲点到钻头的距离大大缩短，从而使造斜能力大大提高。过去使用弯接头+动力钻具，弯曲点到钻头的距离约为10m，最大造斜率不超过5°／30m。弯外壳螺杆钻具的弯曲点距离钻头可以小到1—2m，造斜率可以达到30°／30m。对于水平井来说，弯曲井段可以大大缩短，钻柱摩阻力大大减小。更重要的是，弯曲点距离钻头近了，在弯曲角相等的情况下，钻头偏离井眼中心的距离会大大减小。这就使弯外壳螺杆钻具受井眼的约束较小，在结构和弯角合适的情况下，弯外壳螺杆钻具有可能旋转起来。这种可以旋转的弯外壳螺杆钻具被称为导向螺杆钻具，俗称“导向马达”。单弯和反向双弯螺杆钻具就是目前用得最多的导向马达。导向马达具有两种钻进方式：滑动钻进方式和旋转钻进方式。在滑动钻进方式下，可以改变井眼方向，钻出增斜井段、降斜井段，可以扭方位。在旋转钻进方式下，可以不改变井眼方向，钻出稳斜井段。而且，把两种钻进方式进行恰当组合，一套造斜工具还可以钻出不同曲率的井眼来。从造斜原理来说，弯外壳螺杆钻具既有对井壁的侧向切削，也有对井底的不对称切削。前者是力学因素，后者是几何因素。与弯接头+井底动力钻具有所区别，对于弯外壳螺杆钻具的造斜，几何因素是主要的，力学因素是次要的。所以，有人根据几何因素采用“几何定圆法”计算弯外壳螺杆钻具的造斜率。具有这样特点的导向马达，配合以MWD随钻监测井眼轨迹参数，再配合以高效能的钻头，在一次下钻后，可以完成增斜、降斜、扭方位、稳斜等各种轨迹控制任务。只要钻头不坏，就可以不更换造斜工具而继续钻进。弯外壳螺杆钻具不仅造斜率很高，而且钻进效率比弯接头+动力钻具要高得多。人们把这种钻井方式称为“导向钻井”，把导向马达+MWD+高效能钻头组成的钻具组合称为“导向钻井系统”。由于这种导向钻井系统改变井眼方向要靠滑动钻进方式，所以称为“滑动导向钻井系统”。滑动导向钻井系统的出现，导致了现代水平井和大位移井等新技术的诞生和发展。4．第四代造斜工具第四代造斜工具是上世纪末出现的。由于结构复杂，而且从诞生开始就与MWD和高效能钻头相结合，以旋转导向钻井系统的形式出现，所以第四代造斜工具不能简单地用某个“工具”来命名，而是称为“旋转导向钻井系统”。旋转导向钻井系统的出现，在于克服滑动导向钻井的缺点。滑动导向钻井存在的主要缺点有：(1)在滑动钻进方式下，钻柱不旋转，钻柱与井壁的摩阻力完全在钻柱轴向，导致钻柱屈曲甚至自锁，送钻困难，加不上钻压，钻速很低，容易出现粘卡。动力钻具反扭角严重干扰工具面角的稳定，形成井眼扭曲。(2)在旋转钻进方式下，弯曲外壳旋转会造成井眼扩大，加快钻头磨损。正是由于这些缺点，1997年使用滑动导向钻井系统钻大位移井的最大水平位移只有8000m多点。正是由于旋转导向钻井系统的出现，1998年大位移井的最大水平位移很快超过了10000m，显示了巨大的优越性。按照造斜原理划分，旋转导向钻井系统有两大类：一类称为“侧推钻头式(pushthebitorbiasthebit)”，一类称为“指引钻头式(pointthebit)”。侧推钻头式，以PowerDrive工具为例。侧推总成上有3个支撑块，间隔120°分布，随着钻柱旋转而旋转。侧推总成内有一个不旋转的静控阀，控制钻井液的流出方向。该方向由控制总成根据井眼方向变化的需要确定。每个支撑块平时是缩回状态。只有当旋转到与静控阀的液流方向一致时，在液流压力作用下，支撑块才伸出，给井壁以支撑力；其反作用力把钻头推向井眼的另一侧，造成侧向切削井壁，从而改变井眼方向。如图3—1—8所示。指引钻头式，以AGS工具为例，如图3—1—9和3—1—10所示。在靠近钻头处有一个非旋转套筒，内有两个偏心环，外偏心环和内偏心环。在钻进过程中，偏心环和非旋转套筒都不旋转。驱动钻头旋转的旋转轴在内、外偏心环的不同组合下，可以偏向井壁的任何给定方向。它像船舶的“舵”一样，为钻头指引方向。钻头偏斜方向和偏转角度依靠井下控制总成改变内、外偏心环的不同转动角度调整，造斜率的大小则依靠钻头轴线偏离角度的大小调整。三、造斜率、工具面与工具面角1．造斜率造斜工具最重要的性能，是它的造斜能力。表达造斜能力的参数是造斜率。各种造斜工具，由于结构的不同和造斜原理的差别，造斜率大小有很大差别。造斜率是轨迹控制的有关计算中最重要的一个依据参数。怎样知道造斜工具的造斜率呢?前面已经讲过，斜向器的造斜率主要取决于斜向器的几何结构因素，可以直接用式(3—1—1)进行计算。除斜向器外，其他所有造斜工具的造斜率计算则都是非常困难的。这是因为这些工具的造斜率不仅与工具的几何结构有关，而且与工具下井后的受力和变形条件有关，还与钻头切削能力的各向异性和地层可钻性的各向异性有关。许多学者对造斜率进行了研究，提出了计算方法，给出了计算公式，编写了计算软件等。应该说，这些计算公式和软件，大体上预测造斜率是可以的，因为在工具下井前，也需要大体上知道造斜率有多大，但是要准确计算是不可能的。由于工具造斜率等于用该工具钻出的井眼的曲率，所以，在工程上可以通过钻后实测井眼曲率求得工具的造斜率。某种造斜工具，经过在某地层的多次使用，积累数据和经验，可以更准确地掌握其造斜率。在轨迹控制有关计算中，工具的造斜率是按照已知量处理的。2．工具面各种造斜工具的结构可以说是千差万别，其造斜原理也各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是都具有一个工具面，如图3—1—11所示。斜向器的工具面，即斜向器本体轴线与导斜面的中心线构成的平面。对弯接头+井底动力钻具来说，弯接头的轴线与动力钻具的轴线构成的平面就是它的工具面。对弯外壳螺杆钻具来说，工具面是指弯曲点上、下钻具的轴线构成的平面。对侧推钻头式的旋转导向造斜工具来说，工具面是指工具的中心线与支撑块伸出方向线构成的平面。对指引钻头式的旋转导向造斜工具来说，工具面是指工具的中心线与钻头中心线构成的平面。综上所述，我们看到所有造斜工具的工具面有一个共同的特点：都是一个直角三角形。为了叙述方便，将不再特指某种造斜工具，而是将造斜工具“抽象化”，如图3—1—12所示。工具面三角形的一个直角边是工具的中心线；另一个直角边是钻头相对于井眼轴线的偏离方向线，或是作用于钻头的侧向力方向线。我们把这个方向线称为“工具面向线”。根据图3—1—12中的工具面三角形，工具面向线也可以定义为：处在工具面上、垂直于工具中心线、指向离开工具中心线的有向线段。需要说明的是，在英文中只有toolface这个术语，可以直译为“工具面向”，即工具的面对方向。英文中没有与“工具面”和“工具面向线”对应的术语。这两个术语是我们为了讲清楚有关概念而提出来的。工具面向是一个非常重要的概念。如果以工具中心线为轴，转动工具面向，就可以使造斜工具向不同的方位造斜。3．工具面角工具面角，英文称为toolfaceangle，是用角度具体描述“工具面向”的方向的术语。工具面角有两种模式表示，一种称为“