倒装钟摆钻具组合设计方法
倒装钟摆钻具组合设计方法
（ ）增 加稳定 器 以上钻铤 弯 曲程度 ； ２
（ ）降低 第 一跨钻 铤沿下井 壁重 力分量 。 ３
以 ６ １． ｍ ３１５ ｍ井眼为例 ， 如图 １ 所示 的倒装钟
摆钻具 ， 分析 各 因素 对 倒装 钟 摆 钻 具组 合 井 斜控 制 定器 以上采用 ６ ２ ． ｍ钻 铤和 ６ ０ ． ｍ 钻铤 。 ２ ８６ｍ ２３２ｍ
Ｄｅ ２ ｏ７ ｅ． ０
文章编 号：１０ ２ ３ （０ ７ ０ ０６ ０ ０ ０— ６ ４ ２０ ）６— １８— ３
倒装钟摆钻具组合设计方法
尹 虎 李 黔 ，
（ ． 川大 学 水 利 水 电学 院 ， １四 四川 成 都 ６ ０６ ； ．西 南 石 油 大 学石 油 工 程 学 院 ， １０ ５ ２ 四川 成 都 ６０ ０ ） １５ ０
摘要 ： 倒装钟摆 钻具 组合 是一 种新 型 的直 井防斜 钻具 组合 ， 小 井斜 角 高钻 压 下表 现 出 了较 好 的 防斜特性 。以 在
４ ｌ ． ｍ 井眼 为 例 对倒 装钟 摆 钻 具 组 合 的 设 计 方 法进 行 了研 究 。通 过 对 稳 定 器 上 下 钻 铤 尺 寸搭 配 以及 不 同钟 摆 ） １５ｍ ３
第 ６期
尹 虎等 ： 倒装钟摆钻具组合设计 方法
１９ ６
取 １ ０～ ０ Ｎ几 个 不 同 钻 压 值 ， 算 这两 套 钻 具 ４ ２ ０ｋ 计
组 合 的各 种力 学性 能 ， 进行 对 比。计 算 结 果 如 图 并
３所示 。
由计 算结 果可 知 ， 小 井 斜 角 高钻 压 条 件下 稳 在
响倒装 钟 摆 钻 具 组 合 防 斜 效 果 的主 要 因素 进 行 分 要 降低稳定 器 以下 钻 铤垂 直 下 井壁 重 力 分 量 ， 量 。也 可 以采用 尺寸较 小 的钻铤 ， 减小其 总 重量 ， 但 不宜采用 尺 寸过 小 的钻 铤 。 因为 尺 寸过 小 的钻 铤 ， 刚度较小 ， 在高钻 压下 容易 与井壁接 触 Ｊ 。而且 ， 一 析， 为倒装钟 摆钻 具 组合 的优 化设 计 和 正 确 使 用倒 可以减小第一跨钻铤长度 ， 降低其重力沿下井壁分
倒装钟摆钻具组合设计方法
２ 稳定器以上钻铤尺寸的影响
在 分析稳定器 以上钻铤尺寸不 同对倒装钻具 组合
１ 倒装钟摆钻具组合设计原则
倒装钟摆钻具组合防斜 机理 是钻头到稳定器之 间 钻铤靠上井壁向下弯曲，钻头转角指 向下井壁 ，使钻压 的作用变为降斜。要达到这样的效果，就必须使稳定器 处的弯矩足以克服稳定器 以下钻铤垂直下井壁的重力分
３稳定器以下钻铤尺寸的影响
在 图１ 示的倒装钟摆 钻具组合 中 ，稳定器 以下 所 钻铤尺寸 由①１ ８ ７ ｍｍ变为①１ ９ｍｍ和 ２ ３ ５ ０ ｍｍ。取 １０ ０ Ｎ ～２ ０ｋ 几个不同钻压值 ，计算这两套钻具组合的 ４ 各种力学性能，并进行对 比。 通过分析 比较 ，在相 同钻压 条件 下，钻头到稳定
５结论
（ 倒 装钟摆钻具组合设计 的核心是稳定器上下采 １ ） 用不同刚度 的钻铤 ，高钻压使钻铤弯曲 ，钻头转角指向 下井壁 ，达到控制井斜的 目的。 （） ２要提高倒装钻具组合的防斜能力可以从 以下几 个方面对钻具组合进行改进 ：增 加稳定器 以上钻铤尺 寸 ：降低稳定器 以下钻铤尺寸 ；增加第一跨钻铤长度。 （） ３进行倒装钟 摆钻具 组合 设计时 ，应避免稳定器 以下钻铤与井壁接触。 （） ４倒装钟摆钻具防斜效 果有待于现场实践进～步
拳 ｌ ｌ 黼ｎ ３ Ｉ ５ 链囊
稔定器
图 １ ①３ ．５ １ １ ｍｍ井眼倒装钟摆钻具组合 １
ｓ ｓ Ｐ Ａ Ｔｃ 系统实践 Ｙ Ｒ ｃ ，Ｅ
ｆ９ ３
器之间钻铤尺寸越小 ，钻头转角越大。钻压１ ０ｋ 时采 Ｎ ４ 用 １ ８ ｍｍ和 ＠２ ３ ｍ钻铤钻头转角分别是～Ｏ０ ２ ７ ０ｒ ａ ．３ 。 和一００ １ ． 。；钻压２ ０ Ｎ］钻头转角分别为一０１７ 和 ３ ０ｋＩ ￣ ． 。 ８ ００ ９ 。钻压越大 ，两者的差值越 大 ，说 明尺 寸越 ．５ 。 小 的钻铤对钻压的敏感程度越大 ，受钻压 的影响越大。 适 当减小钻头 到稳定器 之间钻 铤尺寸可 以增加钻头转 角 ，提高钻具纠斜能力。但钻铤尺寸也不宜太小 ，因为 尺寸太小的钻铤，刚度较小，在高钻压下容易与井壁接 触。因此在使用倒装钟摆钻具组合前 ，一定要根据钻具 组合和钻压条件进行仔细计算 ，防止钻头到稳定器之间 钻铤与井壁接触。
石油钻井钻具组合类型及选用
钻具组合一、钻柱组合1、钻具组合(钻具配合)：指组成一口井钻柱的各钻井工具的选择和连接。
2、下部钻具组合：指最下部一段钻柱的组成。
3、钻柱：是指自水龙头以下钻头以上钻具管串的总称。
由方钻杆、钻杆、钻铤、接头、扶正器等钻具所组成。
4、倒换钻具：下钻时，改变部分立根原先的下入顺序，以改变钻具的受力情况。
5、井下三器：指扶正器、减振器和震击器。
6、钻柱中和点：钻柱的总重量减去给钻头加压所用的那部分钻柱的重量，而形成一个即不受拉又不受压的位置，就叫钻柱的中和点。
二、主要钻具组合类型钻柱是联通地面与井下的枢纽。
不同的钻柱结构及在井下的受力状态，决定了钻头所受钻压的大小和方向。
如定向钻进或井斜较大时，钻头所受实际钻压比钻压表显示的数据要小，若钻柱组合中带有扶正器，实际钻压更小。
同时，由于扶正器与井壁的磨擦作用，使得钻头工作平稳性增强，有利于钻头的使用。
①(刚性)满眼钻具：由外径接近于钻头直径的多个稳定器和大尺寸钻铤组成的下部钻具组合。
用于防斜稳斜。
②塔式钻具：由直径不同的几种钻铤组成的上小下大的下部钻具组合。
用于防止井斜。
③钟摆钻具：在已斜井眼中，钻头以上，切点以下的一段钻铤犹如一个“钟摆”，钻头在这段钻铤的重力的横向分力——即钟摆力作用下，靠向并切削下侧井壁，从而起到减小井斜角的作用。
运用这个原理组合的下部钻具组合称钟摆钻具。
用于防斜和纠斜。
三、增、降、稳斜钻具组合1、降斜组合:类型L1 L2 强降斜组合9-27 /弱降斜组合0.8 18-272、增斜组合：类型L1 L2 L3 强增斜组合 1.0-1.8 / /中增斜组合 1.0-1.8 18-27 /弱增斜组合 1.0-1.8 9-18 93、稳斜组合:类型L1 L2 L3 L4 L5强稳斜组合0.8-1.2 4.5-6.0 9 9 9中稳斜组合 1.0-1.8 3-6 9-18 9-27 /弱稳斜组合 1.0-1.8 4.5 9 / /稳定器在钻具组合中的安放位置不同，钻具组合所表现的性质就不同，一般地将，近钻头稳定器离钻头越近，钻头的增斜力就越大，反之钻头的增斜力则越小。
中国石油大学钻井工程复习题终极版答案
一、名词解释1、岩心收获率：在取心钻井过程中，实际取出岩心的长度与本次取心钻进进尺的百分比。
2、装置角：在井底平面上，以高边方向线为始边，顺时针旋转到装置方向线所转过的角度。
3、拉力余量法：在钻柱设计过程中，考虑钻柱被卡时的上提解卡力，钻杆柱的最大允许静拉力应小于其最大安全拉伸力的一定值（拉力余量）的设计方法。
4、压持效应:在钻井过程中，井内存在一定压差，在压差作用下井底的岩石碎屑难以离开井底，造成钻头重复破碎而导致钻进效率下降的现象。
5、窜槽：指在注水泥过程中，由于水泥浆不能将环空中的钻井液完全替走，使环形空间局部出现未被水泥浆封固的现象。
6、门限钻压：指钻头牙齿刚刚吃入岩石时的钻压，其值的大小主要取决于岩石的性质。
7、上覆岩层压力：指该层以上岩石基质和岩石孔隙内流体的总重力造成的压力。
8、先期裸眼完井：钻至油气层上部下套管固井，然后钻开生产层的完井方法。
9、水泥稠化时间：指水泥浆从配置开始到其稠度达到其规定值（API规定水泥浆稠度达100BC）所用的时间。
10、钻柱中和点：指钻柱上轴向力为零的点。
11、岩屑运载比：岩屑在环空的实际上返速度与钻井液在环空上返速度之比。
12、欠平衡压力钻井：指在钻井过程中保持井内钻井液柱压力小于地层压力的钻井技术。
13、岩石可钻性：岩石被钻头破碎的难易性，反映了岩石的抗钻能力。
14、水锁效应：钻井液中的水侵入油层，封锁孔喉，使油流阻力增大的效应。
15、井漏：钻井过程中钻井液或水泥浆漏入地层中的现象。
16、气窜17井斜角：指该点在井眼轴线上的切线与铅垂线之间的夹角。
18、牙齿磨损量：钻头牙齿磨损掉的高度与牙齿原始高度之比。
19、工具面：弯接头的轴线是一条折线，折线构成的平面称为弯接头的工具面。
20、地层破裂压力：在井下一定深度裸露的地层，承受流体压力的能力是有限的，当液体压力达到一定数值时会使地层破裂，这个液体压力叫地层破裂压力。
21、表观粘度：在某一流速梯度下，剪切应力与相应流速梯度的比值。
各种钻井条件下的钻具组合
各种钻井条件下的钻具组合一、常规钻井（直井）钻具组合：BIT钻头；DC钻鋌；SDC 螺旋钻鋌；LZ螺杆钻具；SJ双向减震器；DP 钻杆；HWOP加重钻杆；STB或LF钻具稳定器；LB随钻打捞杯；DJ震击器；1、塔式钻具组合：Φ444.5mmBIT×0.50m+Φ229mmDC×27.24m+Φ203mmDC×54.94m+Φ165mmDC×54.51m+Φ139.7mmDP Φ311.1mmBIT×0.40m+Φ229mmDC×54.38m+Φ203mmDC×82.23m+Φ165m mDC×81.83m+Φ139.7mmDPФ311.1mmBIT×0.32m+Ф244.5mm LZ×9.50m+Ф229mmDC×45.40m+Ф203 mmDC×73.13m+Ф165mmDC×81.83m+Ф139.7mmDPΦ311.1mmBIT×0.30m+Φ229mm SJ×6.62m+Ф229mmDC×53.94m+Ф203mm DC×81.75m+Ф165mmDC×81.83m+Ф139.7mmDP钻头FX1951X0.44 m（Φ311.1mm）＋6A10/630×0.61 m＋9″钻铤×52.17m （6根）＋6A11/5A10×0.47 m+ 8″钻铤×133.19m（9根）＋410/5A11×0.49 m＋61/2″钻铤×79.88m（9根）＋51/2″HWOP×141.88m（15根）＋51/2″钻杆（＊＊根）＋顶驱Φ215.9mmBIT×0.25m+430/4A10+Ф165mmSDC×161.56m+4A11/410+Ф165 mmDJ×8.81m+411/4A10＋61/2″钻铤×79.88m（9根）＋51/2″HWOP×141.88m （15根）＋51/2″钻杆（＊＊根）＋顶驱2、钟摆钻具组合：Φ660.4mmP2×0.50m+730/NC61母+Φ229mm SJ×9.24m+Φ229mmSDC×1 8.24m+730/NC61公+26″LF+731/NC61母+Φ229mmSDC×9.24m+730/NC61公+ 26″LF+731/NC56母+Φ203mmDC×94.94m+410/NC56公+Φ139.7mmDP+顶驱Φ444.5mmGA114×0.50m+730/NC61母+Φ229mmSJ×9.24m+Φ229mm SDC ×18.24m+171/2″LF+Φ229mmSDC×9.24m+171/2″LF+NC61公/NC56母+Φ2 03mmDC×121.94m+8″随震+8″DC×18.94m+410/NC56公+Φ127mmH WOP×141. 94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ311.1mmBIT×0.46m+Φ229mmDC×18.08m+Φ308mmLF×1.82m+Φ203 mmDC×9.10m+Φ308mmLF×1.51m+Φ229mmDC×27.32m+203mmDC×73.13m+Φ178mmDC×81.83m+Φ139.7mmDP+顶驱Φ311.1mmDB535Z×0.50m+630/NC61母+Φ229mmSJ×9.24m+Φ229mm SDC ×18.24m +NC61公/NC56母+121/4″LF + NC56 公/ NC61母+Φ229mm SDC×9. 24m +NC61公/NC56母+121/4″LF+Φ203mmDC×121.94m+8″随震+8″SDC×27.9 4m+410/NC56公+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ311.1mmDB535FG2×0.50m+630/731+95/8″LZ+Φ229mmSJ×18.64m+ 12 1/4″LF ++Φ229mm SDC×9.24m +121/4″LF+Φ203mmDC×148.94m+410/NC56公+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ215.9mmBIT×0.33m+Φ172mmLZ×8.55m+Φ165mmSDC×1.39m+Φ165mmSD C×1.39m+Φ214mmSTB×1.38m+Φ165mmDC× 236.14m+Φ139.7mmHWOP×141.94 m +Φ139.7mmDP+顶驱3、满眼钻具组合：Φ311.1mmH136×0.30m+121/4″LF +NC56 公/ NC61母+Φ229mmSJ×9.2 4m+NC61公/NC56母+121/4″LF + NC56 公/ NC61母+Φ229mm SDC×18.24m+N C61公/NC56母+121/4″LF+Φ203mmDC×121.94m+8″随震+8″SDC×18.94m+41 0/NC56公+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ215.9mm牙轮BIT×0.24m+Φ190mm LB×1.10m+Φ214mmSTB×1.39m+Ф16 5mm SDC×1.39m+Φ214mmSTB×1.40m+Ф165mm DC×8.53m+Φ214mmSTB×1.39m+Φ165mm SJ×5.08m+Ф165mm DC×244.63m+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7m mDP+顶驱Φ215.9mm牙轮BIT×0.24m+Φ214mmLF×1.49m+Ф165mmSDC×1.39m+Φ21 4mmLF×1.40m+Ф165mmDC×8.53m+Φ214mmLF×1.39m+Φ165mm SJ×5.08m+Ф16 5mmDC×244.63m+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱Φ215.9mm牙轮BIT×0.25m+Φ214mmSTB×1.50m+Ф165mmSDC×1.38m+Φ2 14mmSTB×1.40m+Ф165mmDC×8.81m+Φ214mmSTB×1.40m+Ф165mm SJ×6.11m+Ф165mmDC×229.22m+Φ139.7mmHWOP×141.94m +Φ139.7mmDP+顶驱二、定向井（水平井）钻具组合：1、直井段钻具组合：采用塔式钻具组合、钟摆钻具组合、满眼钻具组合。
5种常规钻具组合的不同特点
钻具组合
对于定向井常规钻具组合1、增斜钻具（一般增斜率6゜/100m）增斜钻具组合一般采用双稳定器组合。
是利用杠杆原理设计的，它有一个近钻头足稳定器作为支点，第二个稳定器与近钻头稳定器之间的距离应根据两稳定器之间的刚性（尺寸）大小和要求的增斜率的大小确定，一般为20m（两根钻铤长度），两稳定器之间的钻铤在钻压下，产生向下的的弯曲变形，使钻头产生斜向力。
例如：1.1 对于9 5/8″井眼增斜钻具组合：9 5/8″Bit+Φ244mmSST+挡板+7″NMDC×1根+7″DC×1根+Φ244mmSST+ 7″DC×1根+Φ244mmSST +7″DC×2柱+5″DP（常规）9 5/8″Bit+Φ244mmSST+挡板+5″NMDP×1根+7″DC×1根+Φ244mmSST+ 7″DC×1根+Φ244mmSST +7″DC×2柱+5″DP（参考）9 5/8″Bit+Φ244mmSST+挡板+5″NMDP×1根+5″DP×1根+Φ244mmSST+ 7″DC ×1根+Φ244mmSST +7″DC×2柱+5″DP（参考）1.2 对于8 1/2″井眼增斜钻具组合：8 1/2″Bit+Φ214mmSST+挡板+6 1/4″NMDC×1根+6 1/4″DC×1根+Φ214mmSST+ 6 1/4″DC×1根+Φ214mmSST +6 1/4″DC×2柱+5″DP（常规）8 1/2″Bit+Φ214mmSST+挡板+5″NMDP×1根+6 1/4″DC×1根+Φ214mmSST+ 6 1/4″DC×1根+Φ214mmSST +6 1/4″DC×2柱+5″DP （参考）8 1/2″Bit+Φ214mmSST+挡板+5″NMDP×1根+5″DP×1根+Φ214mmSST+ 6 1/4″DC×1根+Φ214mmSST +6 1/4″DC×2柱+5″DP（参考）2、微增斜钻具（一般增斜率3゜/100m）微增斜钻具组合在井下的受力情况和增斜钻具相同，主要是通过减小近钻头稳定器与2号稳定器的距离或者减小近钻头稳定器的外径尺寸（欠尺寸稳定器），以减小钻具的造斜能力。
钻柱与下部钻具组合设计
表3 防止卡瓦挤毁钻杆的σy/σt比值
横 向 卡瓦 摩 擦 负 载 60.3 长度 系 数 系 数 /mm (μ) (Ks) 0.06 4.35 1.27 0.08 304.8 0.10 0.12 0.14 0.06 4.00 3.68 3.42 3.18 4.36 1.25 1.22 1621 1.19 1.20
89(31/2)
89,108(31/2, 41/4)
从上表可以看出，一种尺寸的钻头可以 使用两种尺寸的钻具，具体选择就要依据 实际条件。选择的基本原则是： 1.钻杆由于受到扭矩和拉力最大，在供 应可能的情况下，应尽量选用大尺寸方钻 杆。
2.钻机提升能力允许的情况下，选择大尺寸钻杆是 有利的。因为大尺寸钻杆强度大，水眼大，钻井 液流动阻力小，且由于环空较小，钻井液上返速 度高，有利于携带岩屑。入境的钻柱结构力求简 单，以便于起下钻操作。国内各油田目前大都用 127mm(5 in)钻杆。 3.钻铤尺寸决定着井眼的有效直径，为了保证所钻 井眼能使套管或套铣筒的顺利下入，钻铤中最下 部一段（一般应不少一立柱）的外径应不小于允 许最小外径，其允许最小钻铤外径为 允许最小钻铤外径＝2×套管接箍外径－钻头直径
pca = p/Sc 式中：pca——钻杆许用外挤压力，Mpa； p ——钻杆的最小抗挤强度，Mpa； Sc ——安全系数，一般应不小于1.125。
4）抗扭强度。在钻斜井、深井、扩眼和处理卡钻 事故时，钻杆受到的扭矩很大，抗扭强度计算也 就显得极其重要。APIRP7G标准给出了各种尺 寸、钢级及不同级别钻杆的抗扭强度数据。 在钻井过程中，钻杆承受的实际扭矩很难准确计算， 可用下式近似估算： M = 9.67P/n 式中：M——钻杆承受的扭矩，kN•m； P——是钻柱旋转所需的功率，kw； n——转速，r/min。
07底部钻具组合设计
07底部钻具组合设计
底部钻具组合是一种使用不同类型的钻具组合在一起的方法，以深入
地路口进行钻探作业。
它也被称为多点集中钻探。
底部钻具组合设计有多
种形式，可以根据钻井要求或钻井工程的专业性来进行组合，以更好地达
到钻探的目的。
为钻井项目组合底部钻具，要根据钻井要求和实际情况来组合。
首先，根据钻井要求，确定底部钻具组合的类型，然后根据实际情况，确定具体
组合钻具的型号，比如，如果钻探要求的凿岩连接应该比较牢固，就可以
考虑选择项点式把手钻具；如果钻探要求穿越比较深而又有起伏的地形，
就可以考虑选择抽油机或者顶杆；如果钻探要求比较深而又地形比较坦平，就可以考虑选择钢板或钢套管。
其次，组合的底部钻具的类型和数量也需要根据实际情况来确定。
比如，如果钻探要求起伏较高，需要多点同时进行，就需要两个以上的钻具
组合；如果钻探要求只单点，就只使用一支钻具；如果钻探要求有结构的
连接，可以使用两支不同的钻具。
因此，组合的底部钻具数量和类型需要
根据钻井要求和实际情况来确定。
【钻井工程】第五章 钻柱及钻具组合设计
（3）钻柱由于旋转产生的离心力。
① 离心力的作用加剧下部钻柱的弯曲，使弯曲半波长度缩 短。
② 钻柱轴线呈变节距的空间螺旋弯曲曲线形状。
6
5.1钻柱的工作状态及受力分析
5.1.1钻柱的工作状态
（4）钻柱旋转运动4种形式 ① 钻柱围绕自身弯曲轴线旋动； ② 钻柱围绕井眼轴线旋转并沿着井壁滑动； ③ 钻柱围绕井眼轴线旋转，沿着井壁反向滚动； ④ 整个钻柱或部分钻柱作无规则的旋转摆动。
1258.82 267.39 266.42
165
0.4
1214.30
0.49
36.91
165
71.4
165
71.4
214
71.4
165
71.4
214
71.4
165
71.4
165
83.0
214
71.4
215. 9
9.0
1214.30
5.2
1214.30
1.5
1214.30
9.0
1214.30
1.5
1214.30
循环液体时的水力载荷所形成
t
1 F
K
d
q
n1 i1
Li
K
i
qc Lc
Qi
K
a
K
f
Qh
10
4
Qh Pt Pb F0 104
24
5.2钻井过程中各种应力的计算
5.2.1钻柱轴向应力的计算
2）钻柱下部压应力的计算
（1）在钻柱空悬或小钻压钻柱仍能保持直线状态的情况下， 泥浆浮力是集中作用在钻柱最下部端面上，此时钻柱最 下端所受的压应力为
定向井常用钻具组合
定向井常用钻具组合定向井常用钻具组合反钟摆钻具组合，用于钻油气直并进行防斜打快的井底钻具组合，即其结构特征是：自下而上由钻头、加重钻杆(或细钻铤)、稳定器、短重钻铤、稳定器和长重钻铤串组成。
具有第一跨弓形向上和钻头倾角为负的变形行性，降斜力随钻压增大而增加和防斜打快的功能。
与现有常规纠斜技术的钟摆钻具相比，反钟摆钻具组合具有更好的纠斜效果，而且钻压越大其纠斜效果越好，达到防斜与打快的统一，能显著提高井身质量和降低钻井成本。
该项技术也可广泛用于地质钻探、地热钻井及其他地下工程施工中要求打直打快的场合。
（l）弯接头带动力钻具——造斜钻具目前，最常用的造斜钻具组合是采用弯接头和井下动力钻具组合进行定向造斜或扭方位施工。
这种造斜钻具组合是利用弯接头使下部钻具产生一个弹性力矩，迫使井下动力钻具（螺杆钻具或涡轮）驱动钻头侧向切削，使钻出的新井眼偏离原井眼轴线，达到定向造斜或扭方位的目的。
造斜钻具的造斜能力与弯接头的弯曲角和弯接头上边的钻铤刚性大小有关。
弯接头的弯曲角越大，弯接头上边的钻铤刚性越强则造斜钻具的造斜能力也越强，造斜率也越高。
弯接头的弯曲角应根据井眼大小，井下动力钻具的规格和要求的造斜率的大小选择。
现场常用弯接头的角度为1°～2.5°，一般不大于3°弯接头在不同条件下的造斜率。
造斜钻具组合使用的井下动力钻具型号应根据造斜井段或扭方位井段的井深选择。
使用井段在1000m以内，一般采用涡轮钻具或螺杆钻具，深层定向造斜或扭方位应使用耐高温的井下马达。
造斜钻具组合、钻井参数设计和钻头水眼应根据厂家推荐的钻井参数设计。
由于井下动力钻具的转速高，要求的钻压小（一般3～8t），因此，使用的钻头不宜采用密封轴承钻头，尤其是在浅层，可钻性好的软地层应使用铣齿滚动轴承钻头或合适的复合片PDC钻头。
（2）增斜钻具增斜钻具组合一般采用双稳定器钻具组合。
增斜钻具是利用杠杆原理设计的。
它有一个近钻头足尺寸稳定器作为支点，第二个稳定器与近钻头稳定器之间的距离应根据两稳定器之间钻铤的刚性（尺寸）大小和要求的增斜率大小确定。
钻具组合设计
第四章轨迹控制钻具组合设计4．1 下部钻具组合设计原则（1）虔诚水平机下部钻具组合设计的首要原则是造斜率原则，保证所有设计组合的造斜率到要求是井眼控制轨迹控制的关键。
为了使所设计的钻具组合能够对付在实钻过程中造斜能力又是难以发挥的意外情况，往往有意识在设计时使BHA得造斜能力比井深设计造斜率搞20％~30％。
（2）在设计水平井下部钻具组合时，要考虑和确定测量方法、仪器类别及型号。
水平井用最普遍的是MWD，即无线传输的随钻测斜仪，它允许工作在定向钻进和转盘钻进两种情况，但是由于信号靠泥浆脉冲来进行运输，工程参数传输慢，而浅层水平井由于地层软进尺快；为了提高定向精度，实验之初的1~2口井可在定向钻进的起始井段所用的钻具组合中，考虑采用有线随钻测斜仪，形成经验后全部推广MWD。
（3）在设计水平井钻具组合时，考虑到井底温度较低，一般选用常温型螺杆钻具；而在常规水平井中有时井底温度高于125℃，此时应考虑选用高温型螺杆钻具。
（4）在设计水平井下部钻具组合时，也要考虑工作排量和螺杆钻具许用最大排量之间的关系。
如果排量明显大于螺杆钻具的额定排量和最大排量时，应考虑选用中空转子螺杆钻具。
（5）在设计水平井下部钻具组合时，为了安全生产，组合必须保证足够的强度、工作可靠性，并满足井下事故处理作业队钻具组合的结构要求。
图4-1为螺杆钻具基本形式。
/由于浅层水平井井眼长度太短，一旦预测的井眼轨迹与设计不一致，几乎没有纠正的余地，而且还无法填井重钻，因此，运用科学合理的方法，准确地计算造斜能力、按设计要求完成完成轨迹是浅层大位移水平井成功的关键。
4·2 钻具组合造斜率预测4·2·1现有的方法评价三点定圆法的优点在于计算简单，强调了结构弯曲对工具造斜率的影响，并在一定程度反映了稳定器位置的影响。
但该方法的缺点也十分突出，如；（1）未考虑钻具的受力与变形对造斜率的影响，即把造斜率计算建立在绝对刚性的条件下的几何关系基础上；（2）未考虑钻具刚度对造斜率所得结果的影响，用该式计算γ、L 1、L2相同的两种直径，不同刚度的钻具的造斜率所得结果相同；（3）未考虑近钻头稳定器位置（L1）对造斜率的影响。
关于钻具组合，你必须知道这些…
关于钻具组合，你必须知道这些…钻柱的概念钻柱是方钻杆到钻头全部井下钻具的总称，由方钻杆、钻杆、钻铤、稳定器接头及其他各种附件组成。
作用是起下钻头，向钻头传递破碎岩石所需的机械能量，给井底施加钻压，向井内输送洗井液及进行其他井下作业。
钻柱一旦出现事故，会带来一定的经济损失。
因此管理好、使用好、选择合理的钻具组合在钻井过程中尤为重要。
钻柱的功能1）提供钻井液流动通道；2）给钻头提供钻压；3）传递扭矩；4）起下钻头；5）计量井深。
6）观察和了解井下情况（钻头工作情况、井眼状况、地层情况）；7）进行其它特殊作业（取芯、挤水泥、打捞等）；8）钻杆测试 (Drill-Stem Testing),又称中途测试。
钻柱工作状态在钻井过程中，钻柱是在起下钻和正常钻进两种工序中交替工作的。
在起下钻时，钻柱处于受拉状态；而在钻进时状态比较复杂，处于受拉、压、扭等状态。
在转盘钻进时，钻柱的工作状态和受力尤其复杂，钻柱好似一根细长的旋转轴。
在部分自重产生的轴向压力作用下，下部钻柱不稳定而呈弯曲状态，由于受到井眼的限制，可产生多次弯曲；上部钻柱由于旋转产生的离心力作用也不保持直线状态，再加上扭距的作用，整个钻柱呈一个近似螺旋曲线的形式进行着复杂的旋转运动。
常用钻具1、方钻杆(kelly)方钻杆位于钻柱的最上端，其主要作用是传递扭距和承受钻柱的总量。
方钻杆的驱动部分端面分为正方形和正六边形，石油钻井中用的最多的是正方形，水眼为正六边形，由于壁厚比钻杆大三倍左右，并用高强度的合金钢制造,因此具有较高的抗拉强度与抗扭强度。
2、钻杆(drill pipe)钻杆是钻柱的基本组成部分，它主要用于传递扭距和输送钻井液。
现用钻杆的管体与接头是采用对焊方法连接在一起的。
为了增大接头处的强度，管体两端对焊部分是加厚的，加厚形式有内加厚、外加厚、内外加厚三种。
内加厚的缩小管体两端的内径以增加管壁厚度，这种钻杆外径是一致的，接头外径也不太大，在井中旋转时，接头与井壁接触较小，磨损也较小，但因其加厚部分内径较管体内径小,增加了钻井液循环时的流动阻力。
常见钻具组合及定向井
一、满眼钻具组合又称刚性配合钻具或刚性满眼钻具,是一种安装在钻柱下部的刚度较大而且井径与钻柱外径之间间隙较小的防止井斜角和井眼曲率变大的一种钻具组合。
刚性满眼钻具一般是由几个外径与钻头直径相近的扶正器与一定长度外径较大的钻铤所组成。
它的防斜原理是在钻头以上的下部钻柱上安装一定数量的扶正器，以扶正合钻铤；提高下部钻柱的刚度，减少其弯曲程度，以消除钻头的严重倾斜，使其能减小和限制由于钻柱弯曲而产生的增斜力，同时扶正器能支撑在井壁上，抗衡地层自然造斜力，以达到控制井斜在最小范围内变化的目的。
为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有三个稳定点，除在靠近钻头处有一个扶正器外，其上面应再安放两个扶正器才能保持有三点接触井壁。
如果只有两点接触，钻柱就能循沿一条曲线，不能保证井眼的直线性。
如果有三点接触，就能保证井眼的直线性和限制钻头的横向移动。
具体如下：1.在垂直或接近垂直的井眼中钻具的防斜作用：当钻具在垂直或接近垂直的井眼中工作时，它的作用是保持井眼沿直线方向加深。
上扶正器能抵消由于上扶正器以上的钻柱弯曲所产生的横向力，使上扶正器以下的钻柱居中，同时也帮助下扶正器抵消地层横向力。
下扶正器的作用抵消地层横向力，限制钻头的横向移动，当地层造斜力不大时，满眼钻具能保持刚直居中状态，使钻头沿铅直方向钻进。
2. 增斜时钻具的防斜作用：当钻进时井斜较大的地层时，满眼钻具能有力地抵抗地层横向力，减小井斜的变化。
在地层横向力的作用下，下扶正器和钻头靠向井壁高的一侧，抵抗地层横向力，限制钻头横向移动。
同时地层横向力势必要扭弯下扶正器上的短钻铤，由于钻铤刚度大，能有力地抵抗此地层的横向力。
中扶正器也帮助中扶正器以下的钻柱抵抗地层横向力。
因此，限制了钻头的横向移动和侧斜。
在已斜井眼内，钻具还有一个纠斜作用，这是由于上扶正器以上的钻铤因自重的作用靠在井壁低侧，并以上扶正器为支点将力下传，作用于上扶正器下的一根钻铤上有一个弯矩，此弯矩使中扶正器靠井壁高的一侧，再以中扶正器为支点将力下传使钻头趋向于井壁低的一侧，产生一个纠斜力。
各种钻具组合设计方法
一、直井下部钻具组合设计方法(一)钻铤尺寸及重量的确定1.钻铤尺寸的确定(1)为保证套管能顺利下入井内，钻柱中最下段（一般不应少于一立柱）钻铤应有足够大的外径，推荐按表1选配。
表1：与钻头直径对应的推荐钻铤外径钻头直径钻铤外径142.9～152.4 104.7～120.6158.8～171.4 120.6，127.0190.5～200.0 127.0～158.8212.7～222.2 158.8～171.4241.3～250.8 177.8～203.2269.9 177.8～228.6311.2 228.6～254.0374.6 228.6～254.0444.5 228.6～279.4508.0～660.4 254.0～279.4(2)钻铤柱中最大钻铤外径应保证在打捞作业中能够套铣。
(3)在大于190.5mm的井眼中,应采用复合(塔式)钻铤结构(包括加重钻杆)，相邻两段钻铤的外径差一般不应大于25.4mm。
最上一段钻铤的外径不应小于所连接的钻杆接头外径。
每段长度不应少于一立柱。
(4)钻具组合的刚度应大于所下套管的刚度。
2.钻铤重量的确定：根据设计的最大钻压计算确定所需钻铤的总重量,然后确定各种尺寸钻铤的长度,以确保中性点始终处于钻铤柱上，所需钻铤的总重量可按式(1)计算：Wc= PmaxKs/K f (1)其中：K f=1-ρm/ρs式中：Wc——所需钻铤的总重力，kN；Pmax——设计的最大钻压，kN；Ks——安全系数，一般条件下取1.25，当钻铤柱中加钻具减振器时，取1.15；K f——钻井液浮力减轻系数；ρm——钻井液密度，g/cm3；ρs——钻铤钢材密度，g/cm3。
(二)钟摆钻具组合设计1.无稳定器钟摆钻具组合设计：为了获得较大的钟摆降斜力,最下端1～2柱钻铤应尽可能采用大尺寸厚壁钻铤。
2.单稳定器钟摆钻具组合设计(1)稳定器安放高度的设计原则：a.在保证稳定器以下钻铤在纵横载荷作用下产生弯曲变形的最大挠度处不与井壁接触的前提下,尽可能高地安放稳定器。
气体钻井钟摆钻具组合的有限元分析法
第36卷第6期2008年11月 石 油 钻 探 技 术PETROL EUM DRILL IN G TECHN IQU ES Vol 136,No 16Nov.,2008收稿日期:2008204218;改回日期:2008206205基金项目:国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目“超深井钻井技术研究”(编号:2006AA06A109)、中国石化“十条龙”科攻关项目“南方复杂深井钻井关键技术研究”(编号:J P06006)及胜利博士后项目“气体钻井井斜机理研究”联合资助作者简介:唐波(1973-),男,四川安岳人,1997年毕业于西南石油学院机械制造专业,2006年获西南石油大学油气井专业博士学位,工程师,从事钻井工艺、钻柱力学方面的研究工作。
联系电话:(0546)8797403#“863”计划专栏!气体钻井钟摆钻具组合的有限元分析法唐 波1,2 赵金海2 王敏生2 闫振来2(11胜利油田博士后科研工作站,山东东营 257000;21胜利石油管理局钻井工艺研究院,山东东营 257017)摘 要:在现行的钟摆钻具设计过程中,将第一个稳定器及其以下钻铤简化为简支梁进行计算。
常规钻井液钻井时,钻压常远远大于稳定器以下钻铤浮重,忽略钻柱自身重力对轴向力的影响;而气体钻井时,钻压小,钻铤浮重大,此时钻铤自身重力的影响不得不考虑。
以管单元模拟钻具的物理及几何特性,以间隙单元模拟钻具与井壁接触,采用有限元法,对气体钻井过程中下部钻具组合受力及变形进行了动态数值模拟,对单稳定器及双稳定器钟摆钻具组合进行了分析。
该有限元模型不仅考虑了钻铤自身重力的影响,而且考虑了钻铤自转对其变形的影响,为钻柱力学分析提供了一种有效的手段,也为气体钻井防斜打直提供了理论依据。
关键词:气体钻井;钟摆钻具;钻具组合;有限元法中图分类号:TE24216;TE921+12 文献标识码:A 文章编号:100120890(2008)0620020205 1 问题的提出在钟摆钻具组合的设计中,稳定器安装位置的设计原则是[1]:单稳定器钟摆钻具组合主要是确定稳定器的安装高度(与钻头的间距),保证稳定器以下的钻铤在纵横弯曲载荷作用下产生弯曲变形,其最大挠度处在不与井壁接触的前提下,尽可能高地安装稳定器。
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倒装钟摆钻具组合设计方法
倒装钟摆钻具是一种常用于岩层钻探的工具，它通过在井口设置钻台
和旋挖台，使得钻杆能够下垂到井底。
倒装钟摆钻具和常规钻具相比，具
有更广泛的适用性和更高的效率。
在设计倒装钟摆钻具组合时，需要考虑
多种因素，包括井口状况、岩层性质和钻具性能等。
1.井口状况分析：首先需要对井口进行详细的调查和分析，包括井口
尺寸、地形条件、井口设备和周围环境等。
这些信息对于确定钻台和旋挖
台的位置和大小至关重要。
2.岩层性质分析：了解岩层性质对倒装钟摆钻具组合设计至关重要。
岩层的硬度、厚度和稳定性等因素都会影响钻具的选择和设计。
3.钻具选择和设计：根据井口状况和岩层性质，选择适当的钻具。
常
用的倒装钟摆钻具包括钻台、旋挖台、钻杆、套管和钻头等。
钻具的尺寸、材质和刚度需要根据实际情况进行选择和设计。
4.钻井液设计：钻井液在倒装钟摆钻具组合中起着重要的作用。
它不
仅需要提供足够的冲刷和冷却能力，还需要保持井底稳定。
钻井液的密度、粘度和循环能力等参数需要根据岩层性质和井口状况进行合理的设计。
5.施工方案设计：根据倒装钟摆钻具组合的设计，制定详细的施工方案。
包括实施步骤、操作流程、作业参数和安全措施等。
确保施工按照设
计要求进行，达到预期的钻井效果。
6.检测和调整：在施工过程中需要进行实时的监测和调整。
监测包括
各种参数的记录和分析，如钻杆下垂、钻进速度和钻头进度等。
根据监测
结果进行必要的调整，保证施工的顺利进行。
7.结束和总结：施工结束后，对整个倒装钟摆钻具组合的设计和施工进行总结和评估。
分析施工中的问题和不足，并提出改进意见。
这些经验和教训对于今后的倒装钟摆钻具组合设计具有重要的参考价值。
综上所述，倒装钟摆钻具组合的设计方法包括井口状况分析、岩层性质分析、钻具选择和设计、钻井液设计、施工方案设计、检测和调整以及结束和总结。
这些步骤相互关联，需要综合考虑各种因素，以确保倒装钟摆钻具组合能够在复杂的工况下有效地进行钻探作业。