直井下部钻具组合设计方法
石油钻井工程设计
2
尽量采用定向井、丛式井技术设计。对井斜严重的地区用一般的方法控制井斜困难时，应利用地 层自然造斜规律，移动地面井位，采用“中靶上环”的方法，使井底位置达到地质设计要求。 （14）费用预算和施工进度计划应建立在本地区切实可靠的定额基础上。每隔二至三年要对 定额指标进行修订与核算。
Байду номын сангаас
三、钻井工程设计的基本方法
一、钻井设计的内容
现场钻井设计的内容包括地质设计和钻井工程设计两大部分,其中地质设计的基本内容包括： （1）区域地质概况； （2）地理及环境资料； （3）设计依据与钻井目的； （4）设计地层、油气水及岩性矿物、物性； （5）取资料要求； （6）地层孔隙压力、破裂压力预测； （7）技术说明及要求； （8）地质附图。 钻井工程设计的基本内容包括： （1）确定合理的井身结构； （2）选择钻机类型； （3）钻柱组合和强度设计； （4）钻井参数设计； ①机械破岩参数：包括钻头类型、尺寸、数量、钻压、转数、洗井液排量等。 ②钻井液性能； ③水力参数设计； （5）固井工程： ①固井要求； ②套管柱强度设计； ③水泥浆性能参数设计； ④流变学注水泥浆设计； （6）油气井压力检测； （7）环境保护要求 （8）成本及材料预算； （9）技术经济指标及时效分析。
3
3．钻头资料 收集 3～5 口设计区块的全井实际钻头使用资料，包括每只钻头的类型，所钻地层井深、层、 段、主要岩性，钻头进尺、钻头工作时间，主要技术参数（钻压、转速、排量、钻井液密度） ，钻 头磨损特点，钻头成本。 4．钻井液资料 收集 1～2 口井的钻井液的资料，总结对分层钻井液性能的要求，使用过程中遇到的问题，如 何处理维护钻井液性能，全井钻井液材料及处理剂消耗情况，钻井液成本，钻井液净化系统情况、 数量、规格、使用效果和存在问题。 5．技术参数 收集 3～5 口井的钻井技术参数资料（钻压、转速、排量、钻井液密度、泵压、钻头尺寸） ， 同时，收集喷射钻井资料，钻具及井眼尺寸，钻头水眼尺寸，泵排量和泵压，喷射钻井的效果。 6．钻具结构资料 收集设计井油田的钻头尺寸与钻具尺寸的配合，常用钻具尺寸、类型、钢级、壁厚、国别、 合理使用钻具的措施，易斜井段所用的钻具结构的防斜效果，稳定器的使用情况。 7．压力控制资料 包括设计区块各地层的地层压力值，所采用的附加压力数值，井口装置及防喷设备、规格、 类型，除气设备，除气措施。 8．套管柱设计及注水泥 收集设计井油田所用的各种载荷的安全系数、设计方法，实际套管柱的区域、套管柱下部结 构，所用注水泥措施（替钻井液速度，隔离液、水泥浆密度，速凝剂，缓凝剂，放压与环空蹩压 候凝，注水泥计算，水泥量附加数，井径扩大情况，注水泥泵压的计算方法，提高固井质量的措 施与方法。 ）
钻具组合
常用钻具组合导向钻井技术的钻具组合选择1．单弯螺杆角度的选择，根据井眼曲率，最大井斜参数确定单弯螺杆的度数，根据经验，一般在0.75°~1.25°之间。
单弯螺杆是在两种工况下使用，造斜段滑动钻进单弯螺杆不仅提供井下动力，同时其单弯部分相当于原造斜段使用的单弯接头，其单弯角度决定了造斜率的大小。
复合钻进阶段单弯螺杆不仅提供井下动力和转盘一起工作提高钻头的转速，同时，其单弯部分相当于直井使用的偏轴接头，具有一定的防斜作用。
单弯角度过大，会使钻具承受较大的交变应力，而遭受疲劳破坏。
常规216mm井眼钻井参数的选择钻井方式钻压（kN）转盘转速（r）排量（L/s）立管压力（MP钻头转速（r）复合0~80≤8028~328~16转盘+螺杆滑动30~120028~328~16螺杆2．稳定器尺寸的选择：常规钻井中，216mm井眼稳定器外径一般要大于等于210mm；在导向钻井中单弯螺杆，上下两个稳定器如果同常规井一样大小，，会使钻具承受过大的弯曲应力，通过室内分析与实践，使用范围为208~210mm。
3．钻具结构的选择：常规定向井，在不同的工况段，是通过多次改变钻具而实现的，每改变一次钻具结构，就要起下一趟钻。
而导向钻井是造斜、增斜、稳斜、降斜几个工序使用一套钻具组合，而不用起下钻改变钻具结构。
因此，导向钻进的钻具结构要满足定向井不同工序的要求，不仅提高钻井速度，减少起下钻次数，在控制井身质量方面，更要优于常规钻井的井身质量。
“双稳定器稳斜型”：216mmPDC钻头+单弯螺杆（自带208~210mm上下扶正器）+159mm无磁钻铤+159mm钻铤15根+127mm钻杆4．钻头类型的选择：一般使用PDC钻头。
不仅速度快，在复合钻进中，也不存在掉牙轮的风险。
5．泥浆参数的选择：在滑动钻进阶段，要求摩擦阻力系数小于0.15。
防止粘钻具，造成钻压加不到钻头上，影响钻进速度。
使用到向钻进技术后，钻井速度明显提高，整个节奏加快，要求泥浆性能的调整满足快速钻井的需求。
钻井设计
钻井工程设计指导前言一、钻井设备二、井身结构设计三、钻具组合设计四、钻井液设计五、钻井参数六、油气井压力控制七、固井设计前言钻井是石油、天然气勘探与开发的主要手段。
钻井工程质量的优劣和钻井速度的快慢，直接关系到钻井成本的高低，油田勘探开发的综合经济效益及石油工业发展速度。
钻井程设计是钻井施工作业必须遵循的原则，是组织钻井生产和技术协作的基础，搞好单井预算和决算的唯一依据。
钻井设计的科学性，先进性关系到一口井作业的成败和效益。
科学钻井水平的提高，在一定程度上依靠钻井设计水平的提高。
搞好钻井工程设计也是提高技术管理和加强企业管理水平的一项重要措施，是钻井生产实现科学化管理的前提。
钻井工程设计应包括以下方面的内容：1.地面井位的选择及钻井设备的确定；2.井身结构的确定；3.钻柱设计与下部钻具的组合；4.钻井参数设计；5.钻井液设计；6.油气井压力控制；7.固井设计；一钻井设备(一) 钻进设备的选择钻井设备可以按设计及分类细分为若干部件系统。
这些系统可分为：1.动力系统；2.起升系统；3.井架及井架底座；4.转盘；5.循环系统；6.压力控制系统。
这些系统是选择钻井设备的基础。
钻井设备的选择主要依据钻机类型，地表条件及钻井设计所确定的最大载荷而定。
(二) 钻井设备选择实例表1-1是大庆地区45110钻井队芳深三井的钻进设备记录。
二井身结构设计(一) 井身结构确定的原则1.能有效的保护油气层，使不同压力梯度的油气层不受泥浆污染损害。
2.应避免漏、喷、塌卡等情况发生，为全井顺利钻进创造条件，使钻井周期最短。
3.钻下部高压地层时所用的较高密度泥浆产生的液柱压力，不致压裂上一层管鞋处薄弱的露地层。
4.下套管过程中，井内泥浆液柱压力之间的压差，不致产生压差卡套管事故。
(二) 井身结构设计步骤1.根据地区特点和井的自身条件，确定在保证工程需要的条件下应下几层套管，做出井身结构设计图。
2.确定套管尺及相应钻头尺寸。
3.确定各层套管的下入深度。
三扶“四合一”钻具的优化
三扶“四合一”钻具的优化摘要：在陇东部分区块上部洛河地层增斜能力较强，延安中上部及长2以下地层降斜较快，增大了轨迹控制难度。
致使四合一钻具在实际的使用中轨迹控制表现为洛河大增、下部地层增降斜规律不稳定，导致下部大幅度滑动，低效施工，严重影响钻井速度及一趟钻的实现，进而试验推广三扶四合一钻具组合。
关键词：轨迹控制三扶四合一PDC钻头泥浆性能一、三扶“四合一”钻具组合1.四合一钻具的原理四合一钻具本身为双扶稳斜钻具，目前使用的四合一钻具组合为：PDC钻头+单弯螺杆+短钻铤+稳定器+钻铤+钻杆，其依靠单弯螺杆的滑动能力实现定向增斜，在洛河地层复合钻进微增斜，进入安定、直罗稳斜，延安及下部地层稳、微降斜。
通过调节短钻铤的长度，选择合适的钻具结构、造斜点、初始井斜角及钻进过程中的及时微调，达到实现二开一趟钻的目的。
四合一钻具的精髓在于钻具结构本身要体现“稳-微降斜”的特性，其目的是为了提高下部轨迹的可预见性，减少下部井段的调整，提高钻井的效率。
2.三扶四合一的理论依据四合一钻具组合本身相当双扶稳斜钻具组合，三扶四合一钻具相当于三扶稳斜钻具结构。
理论上三扶四合一稳斜钻具较四合一钻具下部刚性更强，钻具更居中，其稳斜、稳方位的能力较四合一钻具更强。
二、三扶四合一钻具组合的选择1.三扶四合一钻具的选择考虑到四合一钻具中单弯螺杆的长度及长井段稳斜的难度，借鉴常规三扶稳斜钻具组合②，优选三扶四合一钻具组合为：Φ222mmPDC+7LZ172mm*1.25°+Φ165SDC*1.5-3m+Φ212-213mmSTAB+Φ165无磁+Φ210-212mmSTAB+Φ165DC9～11根+……单弯螺杆扶正器外径>212mm。
螺杆扶正器的外径偏小会影响到三扶四合一钻具组合稳斜、稳方位的能力。
中稳定器外径要大于上稳定器。
三、施工要点及保障技术措施1.优化钻井设计三扶四合一钻具的设计思路与四合一基本一致，在防碰许可的情况下，尽量提高造斜点，一般放在二开后30~100m，最大井斜尽量控制在15度以下，大位移井通过提高初始井斜角，最大井斜控制在20度左右。
定向井钻井工艺及井身质量要求
条文。本标准出版时，所示版本均为有效。所有标准都会被修订，使用 本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可能性。
SY/T5088—93 评定井身质量的项目和计算方法 SY/T5416—1997 随钻测斜仪测量规程 SY/T5472—92 电子陀螺测斜仪测量规程 SY/T5619—1999 定向井下部钻具组合设计方法 SY/T5955—1999 定向井钻井工艺及井身质量要求 3 定义 本标准采用下列定义。 3.1 中靶 targeting 实钻井眼轨迹进入预定的靶区。 3.2 靶区 target area 包括通常意义的靶圆以及地质规定的特殊目标范围。 3.3 中靶预测 target prediction 根据实钻井眼轨迹达到的位置及方向，对靶前待钻井眼的造斜率、方 位调整率、井斜角和井斜方位角和长度进行预测。
4.3.1 配备动力钻具、弯接头、无磁钻铤、螺旋稳定器、随钻震击器、 加重钻杆和短钻铤等。
4.3.2 根据实际需要，可选用螺旋钻铤、无磁承压钻杆、高强度铝合金 钻杆等新型钻具和可变径稳定器、导向钻具、键槽破坏器等新型工具。 5 井眼轨迹控制
5.1 直井段钻进过程中按设计要求监测井眼轨迹，严格控制井身质量。 5.2 造斜点 根据设计及造斜点实测井斜角、井斜方位角，计算出井底位置坐标，结 合地层方位漂移规律确定定向方位角。 5.3 斜井段 5.3.1 井眼轨迹的计算和作图按 ST/T5435 的规定进行。 5.3.2 根据测斜数据和轨迹图，参照邻井资料，预测待钻井眼轨道，及 时改变钻进参数或钻具组合。 5.3.3 定向、扭方位装置角可按沙尼金图解法确定。 5.3.4 造斜和扭方位角施工时，测斜间距不超过 30m；增斜、降斜施工 时，测斜距不超过 50mm；稳斜段施工时，测斜间距不超过 80m，必要时 加密测点。 5.3.5 防碰井段施工中，有磁干扰时应用陀螺测斜仪监测井眼轨迹。 5.3.6 三维绕障井的实钻垂直投影图采用沿设计铅垂曲面投影展开的方 法作出。 5.3.7 施工中随钻作图分析井眼轨迹。 6 施工要求
钻具的识别、组成及组合
目录
• 钻具的识别 • 钻具的组成 • 钻具的组合 • 钻具的选择与使用 • 钻具的发展趋势
01
钻具的识别
钻具的种类
钻头
01
根据地层和钻井需求选择不同类型的钻头，如刮刀钻头、牙轮
钻头和金刚石钻头等。
钻柱
02
包括钻杆、钻铤和钻杆扶正器等，用于传递扭矩和承受钻压。
井口工具
03
钻杆的维护和保养对于保证钻 井安全和提高钻井效率具有重 要意义。
钻铤
钻铤是用于增加钻柱刚性和提供一定重量的工具，通常 由厚壁钢管制成。
在深井和超深井钻井中，钻铤的使用更加重要，可以提 高钻柱的整体刚性和稳定性。
钻铤的重量和尺寸根据实际需要选择，其表面通常经过 防腐处理。
在使用过程中，应定期检查钻铤的磨损和腐蚀情况，及 时更换损坏的钻铤。
使用前应对钻具进行质量检查，包括外观、尺寸和性能等方 面的检测，以确保其符合标准和要求。
02
钻具的组成
钻头
钻头是钻具中最重要的组成 部分，负责破碎岩石，形成
井眼。
1
钻头有多种类型，如刮刀钻 头、牙轮钻头和金刚石钻头 等，根据地层特性和钻井要
求选择合适的钻头。
钻头的质量和性能直接影响 到钻井效率、钻井成本和井 身质量。
对钻具进行清洗、润滑、 保养和维修，延长其使
用寿命。
合理存放钻具，避免潮 湿、腐蚀和碰撞，保持
其性能稳定。
05
钻具的发展趋势
高强度钻具的发展
高强度钻具能够承受更高的钻压和扭矩，提高钻井效率，减少钻具磨损和损坏。
高强度钻具的发展主要依赖于材料科学的进步，如高强度钢材、合金钢等材料的研 发和应用。
高强度钻具的应用范围不断扩大，不仅用于石油和天然气钻井，还可用于地热井、 水井等领域的钻井作业。
螺杆加PDC钻头复合钻进技术
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第 9 卷第 4 期 陈养龙等. 螺杆加 PDC 钻头复合钻进技术 2002 年 7 月
进时的砂样较细 ,使用先进的录井仪可以帮助地 质人员更好地分析地层 ,同时有助于钻井操作人 员对井下工作状况进行正确地判断 。
关键词 钻井技术 螺杆钻具 PDC 钻头 技术应用
1 复合钻进技术
复合钻进技术 ,即螺杆加 PDC 钻头钻井技术 目前在一些油田被广泛使用 。其原因包括 :一是 高效 PDC 钻头对付某些地层的优势明显大于牙 轮钻头 ;二是近年来螺杆钻具的质量不断提高 ,寿 命大大加长 ,所以和 PDC 钻头匹配 ,可充分发挥 PDC 钻头的效能 ; 三是在深井 、小井眼中常规钻 井的动力损耗很大 ,并且容易出现套管磨损及钻 杆疲劳破坏 ,而复合钻进技术是利用井底马达直 接驱动钻头 ,动力损耗很小 ,改善了钻具在井下的 工况 ,从而提高了钻井的安全性 。螺杆钻进的同 时 ,启动转盘有以下目的 :防止钻具被卡 ,减少钻 具“偷压”;直井中防止井斜 ,维持钻头沿垂直方向 钻进 , 在定向井中的稳斜段维持钻头沿原井斜和 方位钻进 (使用弯螺杆) ;协助螺杆辅助钻进 。Ξ 复合钻进技术目前主要用于 : ①中深部地层 的快速钻进 ; ②大倾角易斜地层中的防斜快打 ; ③ 定向井中造完斜后原钻具的直接稳斜钻进 ; ④深 井 、小井眼中的高效钻进 。
57
2002 年 7 月 断
块
油
气
田 第 9 卷第 4 期
过螺杆钻具允许的最大排量 ,可考虑选用带分流 孔的空心转子螺杆钻具来解决大排量问题 。目前 所用的螺杆钻具主要有 L Z 系列钻具 、迪那 (D Y2
NA) 钻具和纳维 (NAV Y) 钻具等 ,表 1 是 L Z 系列 常用的直螺杆钻具的基本参数 ,基本型号相同的 弯螺杆也可以参考 。
“四合一”钻具组合在镇泾油田的应用
图５ 为对 地震 资料 解释层 面数 据进 行 拟合 后所 形
成 的构造形态 ， 其拟合 程度达 到 ９ ， ０／ 因此 能 够 比较 好 ９ ６
Ｅ － 应裕林． ｌ １ 微分几何Ｅ ． Ｍ］ 四川大学出版社 ，０ ６ ２０． ［ ］ ＯｚａａＳ ＵＲ Ｚａｐｏ ｒｍ ａｃｌ ｅ ｇ ｉ ｄ ｎ ２ ｋ ｙ ．Ｃ ＶＡ ｒｇａ ｔ ｃｌ ａ ｎｔ ｅ ｄ Ｏ ｕ ｔ ｍａ ｕ ａ
收 稿 日期 ：０ ９０—０ ２ ０ —４１
作者简介： 李小玉（ ９ ６） 男（ １ ７一 ， 汉族 ）陕西成 阳人 ， ， 石油钻井助理工程师 ， 现从事现场生产技术管理工作 。
（） ２钻井 时 间的压缩 ， 少 了钻 井 液对 低压 低渗 油 减
（ 上接 第 ４ ８页）
参考文献 ：
２１ ００年第 ５ 期
西 部探矿 工程
４ ９
“ 四合 一 ’ 具 组 合在 镇 泾油 田的应 用 ’ 钻
李 小 玉
（ 中国石化 华北石 油局 三普钻 井公 司 ４８ ９ ０ ３ ＨＢ井 队， 肃 西 峰 ７ ５Ｏ ） 甘 ４ ＯＯ 摘 要 ： 北石 油局镇 泾油田位 于甘 肃 省镇原 县和 泾川县 交界 处 ， 了节约钻 井成本 和减 少施 工 占用 华 为
期缩 短 ３ ｄ使 在本工 区施 工定 向井 “ ～５ ， 一趟 钻” 钻成 完 为可 能 ， 大大 提高 了钻 井速度 。
３ 结论与认 识
层 的污染 ， 对提 高单井 原油产 量有 明显的效果 。
参考文献 ：
［］ 黄文学． １ 长庆姬塬油 田定向井下部钻具组合研究 Ｉ３ 科技 －． Ｊ 信息 ，０ ７ ３ ） ２ ０ （４ ．
井深结构。井位布置均在黄土塬上或河床沟底位置 ， 表
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SY/T5172-1996
代替SY5172-87 直井下部钻具组合设计方法
1范围
本标准规定了石油与天然气钻井工程钻直井用下部钻具组合的设计原理及方法。
本标准适用于石油与天然气地层倾角小的常规直井钻井的下部钻具组合设计。
2钻铤尺寸及重力的确定
2.1钻铤尺寸的确定
2.1.1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
142.9～152.4 104.7，120.6
158.8～171.4 120.6，127.0
190.5～200.0 127.0～158.8
212.7～222.2 158.8～171.4
241.3～250.8 177.8～203.2
269.9 177.8～228.6
311.2 228.6～254.0
374.6 228.6～254.0
444.5 228.6～279.4
508.0～660.4 254.0～279.4
2.1.2钻铤柱中最大钻铤外径应保证在打捞作业中能够套铣。
2.1.3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。
2.1.4钻具组合的刚度应大于所下套管的刚度。
2.2钻铤重力的确定
根据设计的最大钻压计算确定所需钻铤的总重力,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
力可按式(1)计算：
PmaxKs
Wc= ……………………………
(1)
K f
其中：
ρm
K f=1－
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。
3钟摆钻具组合设计
3.1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。
3.2单稳定器钟摆钻具组合设计
3.2.1稳定器安放高度的设计原则：
3.2.1.1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。
3.2.1.2在使用牙轮钻头、钻铤尺寸小，井斜角大时，应低于理论高度安放稳定器，可参照表2安放稳定器。
表2 定长钻摆钻具组合的推荐稳定器高度
钻头直径稳定器高度
mm m
≥339.7 ≈36(四根钻铤单根)
244.5～311.2 ≈27(三根钻铤单根)
193.7～244.5 ≈18(两根钻铤单根)
≤152.4 ≈9(一根钻铤单根) 注:钻铤单根长度按9m计
3.2.2当稳定器以下采用同尺寸钻铤时,可用式(2)计算稳定器的理论
安放高度：
-b+ b2-4ac
Ls= (2)
2a
其中：
b=184.6P(0.667+0.333e/r)2(r-0.42e-0.08e2/r)
α=π2qsinα
c=-184.6π2EI(r-0.42e-0.08e2/r)
式中：Ls——稳定器的理论安放高度，m；
p——钻压，kN；
e——稳定器与井眼间的间隙值，即稳定器外径与钻头直径差值之半，m；
r——钻铤与井眼间的间隙值，即井眼直径与钻铤外径的差值。