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。

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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。由此式可得出：在上稳定器位置固定的前提下（L1 + Ｌ２＝Ｃonstant）,移动近钻头稳定稳定器（L1变化）不改变工具的造斜率。这一结论与钻井实践明显相悖。

（4）未考虑井眼扩大对工具造斜率的影响；

（5）由此公式可推出转盘钻BHA（无结构弯角即γ= 0 ）不会变更井斜的推论（r = 0则k =0，必然稳斜），但实际上转盘钻BHA有降斜、稳斜、增斜之分；

（6）当不接上稳定器时，因只有“两点”而无法用该式计算造斜率。

由现场钻井实践验证，用上式求出的造斜率与实际造斜率存在较大的误差。另外，国内在计算同向双弯组合造斜率时采用的“双半径法”（根据上述三点定圆法演变而来），验证也有明显误差。

极限曲率法（Kc法）是建立在BHA受力变形分析基础上，综合考虑了工具或BHA的诸多

的结构参数（如结构弯角的位置及大小，上、下稳定器位置和外径，钻具刚度等）、工艺参数（如钻压）和井深几何参数（如井斜角、井径等）对工具或BHA造斜能力的影响，基本上确定了它与极限曲率（Kc）值的比例关系。通过机理研究表明，工具造斜能力（造斜率）是一个低于极限曲率（Kc）的量。在此基础上，考虑到实钻过程中低层因素和工艺参数（主要是工具面角的对正程度）的影响，再次对造斜率系数加以修正。

此方法对于预测工具造斜率的准确性较好，但是对于现场应用来说，由于Kc值是根据下部钻具组合受力与变形的计算确定的，其计算过程复杂，一般都需软件计算，所以其应用有一定的局限性。

4·2·2浅层水平钻具组合造斜率的预测方法

由于三点定圆法无法预测不加稳定器的钻具组合造斜率。现在极限曲率法的基础上提出一种半经验方法。该方法可预测不加稳定器的单弯壳体动力钻具或接头-动力钻具组合的造斜率的，其φ165mm螺杆钻具平均造斜率Kta的半经验公式为：

2.916[r + 28.65( Db —0.165 )/L1 ]

Kta = ——————————————————

Db[L1 +1.5 + ( 0.178 —Dc)/2sin r ]

式中Kta——螺杆钻具平均造斜率，°/30m ；

Db——钻头直径，m；

r ——弯角（玩壳体或弯接头），°；

L1——弯点到钻头底面距离，m；

Dc——动力钻具上部配接的钻铤外径，m。

该方法比起极限曲率简单实用，对于现场操作和选用钻具组合有重要意义。

4·2·3预测准确性评价

由于极限曲率法具有一定的准确性，预测结果的准确性可通过与极限曲率法对比验证。

列表1，为使用上述半径验公式预测的螺杆钻具平均造斜率，列表2是半经验法与极限曲率法预测平均造斜率的对比。从表中可以看出该方法对于预测钻具组合造斜率有较好的准确性。现场井眼轨迹控制者可用来简单而有效预测钻具组合造斜率，从而优选钻具组合、准确控制井眼轨迹。