复合钻井技术研究及应用

华北石油管理局钻井工艺研究院
Drilling Technology Research Institute of Huabei Petroleum Administeration Bureau
动力学模型
钻柱振动物理模型：
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准动力学模型
合导向力仿真结果：
：
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增加；随远钻头稳定器距井壁间隙的增加，降斜侧向力逐
渐减小。
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F2
远钻头稳定器与井壁间隙对侧向力的影响
à ò ¦ ¨ © ² Ï Á £ KN£ -8.5 -8.3 -8.1 -7.9 -7.7 -7.5 -7.3 -7.1 2 2.5 3 3.5 4 Ä ¨ © ¦ 2£ mm£
L2
F1 L1
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地层的扭方位作业；
• 4、是在防碰绕障井应用，下入合适的钻具组合复合钻 井，绕障时不需起下钻作业，方便准确。
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复合钻井技术研究及应用
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F1 L1
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技 术 优 势
• 复合钻井的技术优势有：
• 1、实现复合钻井增斜，缩短滑动钻进井段，增斜率最
高可达到5~6°/100米； • 2、明显改善井身质量，不但保证中靶，而且缩小全角
变化率，起下钻变得相对容易；
• 3、在直井防斜打快中应用，在上部或中部井段应用复 合钻井技术，先期控制井眼轨迹，减少在可钻性差的
技 术 优 势
• 5、在长稳斜井段应用复合钻井技术，利用其较好的稳 斜稳方位效果，既可不下入三稳定器满眼钻具组合， 还可有效控制井眼轨迹； • 6、在三开井中应用复合钻井技术，既可提高机械钻速， 又可减少对技术套管的磨损；
• 7、 减少了钻具失效：在定向井中应用提高了机械钻
速，减少了钻具在弯曲井段的磨损时间，降低了转盘 转数，大大减少了钻具受交变应力次数，使用螺杆配
合欠尺寸的稳定器稳斜钻进，与满眼钻具相比大大减
少了钻具所受扭矩，从而整体改善了钻具受力情况。
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复合钻井钻具组合特性分析
单稳定器钻具组合井斜对侧向力的影响
à ò ¦ ¨K N © ² Ï Á £ £ -2.5
-2
-1.5 0 1 ® ±¨ã © ¾ Ð £ ¡ £ 2 3
à ò ¦ ¨ © ² Ï Á £ KN£ 3 2 1 0 5 6 7 8 9 10 11 12 13 ® ±¨ã © ¾ Ð £ ¡ £ 14 15 16 17 18 19 20
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概 述
复合钻井技术依靠转盘与井下动力钻具的复合运动，驱动钻
头共同破岩，提高破岩效率，应用预弯曲井下动力钻具，增加了
复合钻井钻具组合特性分析
该钻具组合在非易斜地区钻进，直井段有防斜作用， 可直接定向，井斜达到一定程度后复合钻井可增斜。 增斜侧向力随井斜角的增加而增加。随稳定器与井
壁间隙的增加降斜侧向力逐步增加，随稳定器与井
底距离的增加侧向力逐渐减小。
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2 exp( i i 0 ) iQg
连续导向钻具组合动力学模型：
[ ( r ' 'ir ' '2ir' ' r ' 2 ) r 'ir ' ( r 'ir ' ) Qk ] exp( i ) ( a ) 2 exp( i i 0 ) iQ g
F 6b13 Ei I i 2b12 M t1 a11 B1
利用以上方程组就可求解出连续导向钻具组合在某一瞬时的钻头 侧向力 。
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动力学模型
钻柱振动物理模型：
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动力学模型
常规钻具组合动力学模型：
[ (r ' '2ir ir r ' 2 ) | r 'ir | (r 'ir ) Qk ] exp(i )
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复合钻井钻具组合特性分析
双稳定器钻具组合参数对侧向力的影响
近钻头稳定器距井底距离对侧向力的影响
侧向力（KN） -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 L1（m）
准动力学模型
复合钻井导向钻具组合的
特点可以归纳为一个导向工具
面不断有规律改变的过程，其 总体导向效果可用钻柱旋转一 周内钻头上的合导向力矢量来 表述。
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F2 L2
稳定器之间距离对侧向力的影响
à ò ¦ ¨ © ² Ï Á £ KN£ -10 -9 -8 -7 5.5 L2£ m£ ¨ ©
F1 L1
6 6.5 7 7.5 8
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准动力学模型
导向力计算模型：
1 Fs n
Fs
wenku.baidu.com
2
Fs
2
s arctan(Fs / Fs )
Fs
F
0 (
2
)
Fs
F
0 (
2
)
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汇报主要内容
• 概述
• 复合钻井技术优势
• 理论研究情况
• 钻具组合特性
• 现场应用效果
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对钻头的导向能力控制，通过对复合运动情况下钻柱准动力学、 动力学原理分析，使钻头的产生的侧向力克服地层造斜力，从而
推动钻头沿设计轨迹的方向运动，实现直井中防斜打快，斜井中
轨迹控制。配合高效PDC钻头与MWD等工具，可简化施工工序、实 现一套钻具组合完成定向、增斜、稳斜、降斜钻井施工工序，从
而缩短钻井周期、提高机械钻速，节约钻井成本。
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复合钻井钻具组合特性分析
• 双稳定器单弯螺杆钻具做力学分析结论如下： • 1）、稳定器直接接在螺杆两端，无论是直井段还是在一定 井斜情况下，钻具体现降斜特征。 • 2）、随近钻头稳定器距井底距离的增加，降斜侧向力逐渐 减小；随两稳定器间距离的增加，降斜侧向力逐渐减小。 • 3）、随近钻头稳定器距井壁间隙的增加，降斜侧向力逐渐
三维静力学模型

钻头侧向力：
S x1 E1 I1U1
0 M tiV1 0 B1U1 0

S y1 E1 I 1V1''' 0 M ti U 1'' 0 B1V1' 0
钻头侧向力加权余量解：
F 6a13 Ei I i 2b12 M t1 a11 B1
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复合钻井钻具组合特性分析
双稳定器钻具组合参数对侧向力的影响
近钻头稳定器与井壁间隙对侧向力的影响
侧向力（K N ） -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 2 2.5 3 3.5 4 δ 1 （m m ）