第三节---定向井-直井段防斜打直--04

定向钻井直井(段)防斜打直第一节直井(段)防斜技术井斜的危害：1、在地质勘探方面：造成地质资料失真；打乱合理的地下井网和开发方案。2、在钻井施工方面：恶化钻柱工作条件；易造成井壁坍塌和卡钻；易造成固井下套管困难和注水泥窜槽；纠斜侧钻增加成本。3、在开发采油方面：影响分层开采；影响修井工作；影响采收率（死油区）。一．井斜的原因地质因素，钻具因素。(一)地质因素地层倾斜和地层可钻性不均匀性两个方面。1.地层可钻性的各向异性因素沉积岩特性：垂直层面方向的可钻性高，平行层面方向的可钻性低。钻头总是有向着容易钻进的方向前进的趋势。地层倾角小于45°时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层倾角超过60°时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地层倾角在45°～60°之间时，井斜方向属不稳定状态。2.地层可钻性的纵向变化地层倾斜且软硬交错，钻头偏向垂直地层层面方向。软地层硬地层硬地层软地层3.地层可钻性的横向变化垂直于钻头轴线方向上可钻性的变化。如：在钻头的一侧下面钻遇溶洞或较疏松的地层，而另一侧则钻遇较致密的地层。(二)钻具因素主要因素是钻具的倾斜和弯曲。引起钻头倾斜，在井底形成不对称切削。使钻头受侧向力的作用，产生侧向切削。“底部钻具组合”(BottomHoleAssembly)，简称BHA。导致钻具倾斜和弯曲的原因：钻具和井眼之间有一定间隙。钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲。钻具本身弯曲；转盘安装不平、井架安装不正等。(三)井眼扩大钻头在井眼内左右移动，靠向一侧，钻头轴线与井眼轴线不重合，导致井斜。二．防斜打直技术常规防斜纠斜技术满眼钻具组合控制井斜√满眼钻具组合控制井斜√偏轴组合防斜打快技术√导向钻具防斜打快技术-双驱复合钻井自动垂直钻井系统√㈠．常规防斜纠斜技术1.满眼钻具组合控制井斜由钻具引起井斜的原因可归结为：①钻头对井底的不对称切削；②钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜；③钻头上的侧向力导致对井底的侧向切削。解决这些问题的方法之一是让钻具填满井眼，即满眼钻具组合。基本原理：增大下部钻具组合的尺寸和刚度，近似“填满井眼”，防止钻柱弯曲和倾斜。方法：在下部钻具适当位置上安装3～4个扶正器。扶正器尺寸：Δd=dh-ds=1.0～1.6mm常用的稳斜钻具组合(满眼组合)作用：近扶正器：抵抗侧向力，防止侧向切削和不对称切削。中扶正器：保证中扶正器与钻头之间的钻柱不发生弯曲。其安放位置需严格计算。上扶正器：保证钻具上至少有3个稳定点与井壁接触，从而保证井眼的直线性。第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。“中扶”位置的计算公式根据等截面梁纵横弯曲理论中的挠度计算公式和压杆稳定的临界载荷计算公式，并进行处理求导可得最优位置：Lp--中扶距钻头的最优长度，m；C--扶正器与井眼的半间隙，C=(dh-ds)/2，m；dh－井眼直径，m；dm－扶正器外径，m；E--钻铤钢材的杨氏模量，kN/m2；J--钻铤截面的轴惯性矩，m4；qm--钻铤在钻井液中的线重，kN/m；α--允许的最大井斜角，(°)。4sin16mqJECpL64)(44cicoddJ例题：已知钻头直径216mm，扶正器直径215mm，钻铤钢材的杨氏模量为2.0594×108kN/m2，钻铤外径178mm，内径71.4mm，钻井液密度1.25g/cm3，钻铤线重1.6kN/m，允许的最大井斜角3°，求中扶距钻头的最优长度。解：根据给定条件，可求得：J=（dco4-dci4）/64=0.48×10-4m4,qm=1.6（1-d/s）=1.34kN/m,c=（dh-ds）/2=0.0005mLp=[(16C·E·J)/(Qm·sinα)]0.25=5.789m。满眼钻具组合的使用(1)只能控制井眼曲率，不能控制井斜角的大小。不能纠斜。(2)“以快保满，以满保直”。间隙对满眼钻具组合性能影响显著。设计间隙一般为Δd=dh-ds=0.8～1.6mm。当间隙Δd达到或超过两倍的设计值时，应及时更换或修复扶正器。在井径扩大井段不适用。要抢在井径扩大以前钻出新的井眼。(3)不宜在井眼曲率大的井段使用。防止卡钻。(4)在钻进软硬交错，或倾角较大的地层时，要注意适当减小钻压，勤划眼，以便消除可能出现的“狗腿”。(5)为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有3个稳定点。即：至少要安放3个稳定器。2.钟摆钻具组合控制井斜⑴钟摆钻具组合的原理在下部钻柱的适当位置安装一个扶正器，当发生井斜时，该扶正器支撑在井壁上形成支点，使下部钻柱悬空。则该扶正器以下的钻柱就好象一个钟摆，产生一个钟摆力。钻头在此钟摆力的作用下切削下井壁。从而使新钻的井眼不断降斜。⑵常见的几种钟摆钻具⑶钟摆钻具组合设计钻头上的钟摆力：可产生最大钟摆力的最优扶正器安放位置计算：W----钻压，kN；dh----井径，m；dc----钻铤直径，m。考虑到扶正器磨损和井径扩大，使用距离比计算距离适当减小。LS=（0.9～0.95）Lzsin21zmdLqF222246.18404.82sin2chddmABACBzrrJECrWBqAL⑷钟摆钻具组合的使用多数用于井斜角较大的井纠斜。直井内无防斜作用.其性能对钻压特别敏感。钻压增大，则增斜力增大，钟摆力减小。使用时必须严格控制钻压。只能使用小钻压“吊打”。如果使用大钻压,可能形成新的支点。应在降斜过程开始吊打20m.不能有效控制井眼曲率，易形成“狗腿”。间隙对钟摆钻具组合性能的影响比较明显。3.其它常规防斜斜技术⑴塔式钻具（钟摆原理）。⑵偏心钻铤（形成公转和钟摆力）。⑶方钻铤（满眼钻具原理）。⑷钻铤偏心短节（形成钻铤公转）。传统思想减压吊打，以牺牲机械钻速来换取直井的井身质量，导致井越钻越慢研究思想新认识加大钻压，使下部钻具由自转变成稳定的公转回旋运动，钻头均匀切削地层，克服地层的造斜，实现既能使井打直，又能打快，达到防斜与打快的统一。弓形回旋，以稳求降。㈡偏轴组合防斜打快技术组合的原理图偏轴组合示意图组合的工作原理组合在井底形成稳定的公转回旋，钻头均匀切削井壁四周，实现稳斜。该组合可加大钻压和使用高转速，且在一定钻压范围内钻压越高，钻速越快，降斜效果越好。实践证明，该组合具有结构简单，使用方便，可减少井下事故等。偏轴接头钻杆钻铤偏轴接头钻铤钻头偏心距偏轴接头示意图、连接位置偏轴钻具组合为：(1)444.5mm钻头+228.6mm钻铤x1根+265mm偏轴接头(偏心距30mm)+228.6mm钻铤x2根+203.2mm钻铤x3根+Ф232mm悬浮器+203.2mm钻铤x11根+203.2mm随钻震击器+203.2mm钻铤x3根+127mm加重钻杆x15根+127mm钻杆(2)311.1mm钻头+228.6mm钻铤x1根+252mm偏轴接头(偏心距24mm)+228.6mm钻铤x2根+203.2mm钻铤x3根+Ф232mm悬浮器+203.2mm钻铤x11根+203.2mm随钻震击器+203.2mm钻铤x3根+127mm加重钻杆x15根+127mm钻杆在依南5井中的应用依南5井是塔里木盆地库车坳陷克-依构造带东段依南断鼻构造上的一口预探井，实际井深5030米，海拨1843米，地层倾角55º-65º，地质条件复杂，易产生井斜，影响钻井效率。表1为依南5井常规钟摆钻具组合与偏轴钻具组合使用对比情况。表1井眼尺寸（mm）钻具组合使用井段m钻压kN转速rpm机械钻速m/h井斜(º)地层倾角(º)444.5钟摆102.5-922140853.924.72º/82555-65-97580902.534.68º/900-102660901.154.12º/1000444.5偏轴1026-1098180802.404.01º/1075偏轴1098-1290200802.443.5º/1250偏轴-13701401002.073.15º/1350在克孜1井中的应用井眼尺寸（mm）钻具组合使用井段m钻压kN转速rpm机械钻速m/h井斜(º)地层倾角(º)311.15钟摆2030-2160.580700.756.64º/18757.21º/20005.66º/215050-70偏轴2160.5-2229.7160701.855.23º/21755.20º/2200克孜-1井是塔里木盆地库车坳陷克依构造带克孜勒努尔背斜高点上的一口预探井，实际井深4446米，海拨1940米，地层倾角50-70º，是易斜的一口复杂井。㈢自动垂直钻井系统国际上已商业化的导向钻井系统1、VDS自动垂直钻井系统20世纪90年代初德国KTB项目组与EastmanTeleo公司联合开发研制2、SDD自动直井钻井系统AGIP公司与BakerHughesInteq公司合作在VDS系统的基础上开发研制。近来又研制了VertiTrak闭环直井钻井系统3、ADD自动定向钻井系统1991年美国能源部资助研制，目前已达到商业应用阶段。4、AGS和Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统Sperry-sun公司1993年研制了AGS；1999年又推出新一代的Geo-Pilot旋转导向自动钻井系统。5、RCLS旋转闭环自动钻井系统AGIP公司与BakerHughesInteq公司合作研制，注册为AutoTrak6、SRD全旋转导向自动钻井系统Camco公司研制，与Schlumberger的Anadrill公司合并后，SRD系统注册为PowerDrive•斯伦贝谢旋转导向系统－PowerDrive家族：PowerV－旋转导向垂直钻井系统PDXtra－定向井/水平井旋转导向系统PDVortex－与泥浆马达一体化的旋转导向系统PDX5－带有方位伽玛测井水平井旋转导向系统PDExceed－适用于造斜比较困难地层的旋转导向系统•井眼范围：57/8“－18¼”斯伦贝谢旋转导向家族以PowerV－旋转导向垂直钻井系统为例PowerV的特点钻具旋转时进行纠斜(不需滑动钻进)－主动防斜！在钻进时自动感应井斜，并进行自动化纠斜，无线控制所有部件都旋转–“EverythingRotates”减少摩擦力和阻力(钻压和扭矩传输更有效)降低卡钻风险井眼更平滑(低狗腿度)减少井眼净化问题最大限度提高钻速解放钻压,正常钻进提高钻速可以划眼和倒划眼提高井身质量，降低每米成本PowerV整体实效图BiasUnit－机械偏置单元ControlUnit－电子控制单元BiasUnitSteeringActuatorPad涡轮涡轮ControlUnit各种传感器及电子控制板PowerV整体组合示意图上/下转子、上/下扭矩仪、陀螺、传感器模块组、通讯控制模块组、存储器控制引鞋、发射天线等三个推力扳及活塞、控制阀、控制轴、泥浆分流器、泥浆导向器、PowerV机械偏置单元－BUPowerV入井前实际照片PowerV推力扳伸/缩示意图Pad开Pad关PowerV降斜原理推力扳Pad伸出，推顶上井壁从而使钻头产生一个指向下井壁的侧向力扶正器支点PowerV的导向控制阀DiskValve控制轴PowerV的电子控制单元－CUPowerV的电子控制单元－CU工作原理•入井后，开泵，CU测出井底井斜角和方位角。地面工程师根据需要，按照一定的时间编排方式，在不同的时间开不同的工作排量，就把指令传递给CU，CU接到指令后，通过控制轴控制BU，使BU的三个导向推块均在转动到该方位时有2-5%钻井液从导流阀孔冲出，推动该方位的导向推块打向井壁，对钻头产生侧向力，达到增斜、降斜或扭方位等目的。指令不同，导向推块伸出的机率不同。增加泵排量，可提高导向推块打向井壁的力量，但不能超过最大允许排量。工作原理•POWERV的钻进周期可以设定，常规设定为3min(180s)或5min(180s),即每3min或5min仪器重复实现预定的工作过程。如180/60%的设定，以钻进周期3min(180s)为例，在180×60%=108s内，仪器以180º的工具面工作