钻井防斜打直

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（2）、因稳定器井眼存在间隙 C，C使钻头处产生的偏转 角 c大小为： c C / Lc ——————————（3-10d）
式中：C——稳定器外径井径差的一半，C =（Dh – dc）/2。
显然，将起叠加后，得钻头处的总偏斜角 z
z b c 2 L3 c q mc Sin( )
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稳定器的位置——如：四川管杨勋尧的受纵横弯曲等截面 梁、60年代 Hoch 的能量法（即用弹性变形、纵横弯曲梁 应力-应变理论）法等。下面以杨勋尧法为例说明确定稳定 器的方法，如图（3-4、5）所示。
地 层 抵 抗 侧 向 力
井 壁 Wb
RA
qmSin()
RB
MB
Wb A L B
侧向力
图3-4a：近钻头稳定器
MB
Wb A L B
W b
图3-4 b：等截面梁的力学模型
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基本物理模型：一端固定，一端铰支的纵横弯曲梁。 钻头方向与井眼轴线的偏移角： c q
L p 增大， c 减小， q 增大， L p 减小， c 增大， q 减小
存在一个最优的 L p 可使 最小。
图3-4 b：等截面梁的力学模型
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1、杨勋尧法基本观点或思路：
杨勋尧总工程师指出：造成井斜的原因是：一是由于下部钻柱弯曲和 倾斜、使钻头中心线偏离了井眼中心线，所钻出的井眼轴线偏离原井 眼轴线。图（3-4b）中的钻头倾角以 角表示的。二是由于钻柱上部 受到横向造斜力（来自地层的造斜力、钻具的弹性力、钻压的分量、 钻具的自重和钟摆力）， RA R 因此钻头的综合倾角 []z = + 。由此可知：当[]z 0时 Wb ,井眼增斜；[]z 0时，井眼 A 降斜； []z = 0时，钻头倾角 与附加偏斜角互相抵消，井眼稳 斜。从防斜角度来看，采用这种 方法的知道思想是：通过分别控 制钻头倾倾角，附加偏斜角 ；使和 达到最小。 qmSin()
48 2 EI Wb L2 c



C —（3-10e） Lc
（3）、只要对（3-10e）式进行微分，：dz /dLc = 0， 可得确定中稳定器理想位置的代数方程。
4 4 2 4 2 Wb 2 q mc Sin L6 ( 3 EI q Sin 48 W C ) L c mc b c4 2 96 2 EI C Wb 2 L2 48 ( EI ) C = 0——（3-11a） c 26
7
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5、影响井斜平衡角的因素 在各向同性地层中，井斜平衡角的数值主要取决于钻压、 钻铤尺寸和井眼尺寸。因为钻压增加，钻铤弯曲程度加大 （即钻头倾角加大），切点下移；结果增井斜力变大，切 点以下钻铤重量减小，减井斜力变小。因此为增大减斜力 ，往往在切点位置以上适当位置加稳定器，需用钻头侧向 力理论模型进行计算分析,以实现防斜作用。（例如：1962 、霍奇公式；四川管局杨勋尧的满眼钻具），
Hoch hmin 3.39
(1 a ) C 2 (1 a ) a
杨氏 hop
16 EI C Байду номын сангаас q Sin m
1 4
式中：C——井眼和稳定器（外径）之差，（mm）； qm——单位钻铤长度重量，（kg/m）； a——钻头到中稳定器的距离与至下稳定器距离的比；
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二、满眼钻具组合控制井斜
由钻具引起井斜的原因可归结为： 钻头对井底的不对称切削。 钻头轴线相对于井眼轴线发生倾斜 钻头上侧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3~4个扶正器。
2、钟摆力（pendulum Force）:
井斜后，斜井内钻柱与下井壁形成切点，以下的钻柱的重 量 W 势必在垂直于井壁的方向上产生一个横向分力 FH。 该横向力与钟摆作用相似，它使钻头破碎井眼低侧岩石， 6
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使井眼恢复垂直状态。按几何重心概念，重心应落在切点 以下钻铤长度的1/3处。为简便计算，Fd 的大小为
式中：——井斜角； EI——钻铤的抗弯刚度； ——支坐系数，此模型取2/3； ——Wb 与 Lc 段钻铤临界钻压（轴载Pk）的比值。
将式（3-10b）代入（3-10a），得钻头处 q 的表达式
2 L3 c q mc Sin( ) b ——（3-10c） q 48 2 EI W L2 25 b
表（3-1）
钻铤尺寸 （mm） 228.676.2 (93) 177.8571.44 (93) 备注 井斜 角,度 3 6 9 3 6 9
中稳定器理想高度计算值
0 6.47 5.44 4.92 5.77 4.86 4.39 50 6.46 5.43 4.91 5,75 4.84 4.38 100 6.45 5.43 4.91 5.74 4./87 4.37 泥浆密度 = 钻压（kN） 150 200 6.44 6.43 5.42 5.42 4.91 4.90 5.72 5.70 4.82 4.81 4.37 4.36 12000（N/m3） 250 6.42 5.41 4.90 5.68 4.80 4.35 300 6.41 5.41 4.90 5.67 4.79 4.34
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16C E J Lp qm sin
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把中稳定器（B）点模拟成固定端。实际上是把该力学模型看承是一个 一端固定、一端绞支的、简单的纵横弯曲梁模型。由材料力学知识， 可有：
（1）、钻头处（A点）的偏斜角 []z = + 。
q = [L3cqmcSin()]/（48EI(1-) ———（3-10a）
其中： = Wb / Pk = Wb L3c/（2 EI）—（3-10b）
直井防斜技术
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
• 钻具和井眼有一定的空隙
• • 钻压的作用，钻柱受压靠近井壁或发生弯曲 钻具本身的弯曲，转盘安装不平、井加安装不正等。 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。
3、井眼扩大
（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。
地质因素、钻具因素、井眼扩大、钻压等。 1、地质因素
地层倾斜和地层可钻性不均匀两个方面
（1）地层可钻性各向异性因素 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度时，钻头偏向垂直地层层面的方向。地层 倾角超过60度时，钻头沿着平行地层层面方向下滑，地 层倾角在45~60度之间时，井斜方向属不稳定状态。
钻柱的弯曲位置示意图
井眼轴线 Mc2 Lc2、qmc2
N1

T切点
地层造斜力Ff 增井斜力Fi
一次弯曲 Mc1 Lc1、qmc1
O
T1
横向力FH
钻柱轴线

切点以下重量W
图3-2b： 下部钻柱弯曲与切点
钻压W0
降井斜力Fd
图 3-2a： 斜井内钻柱和钻头上的作用力
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1、钻压（Bit Weight）：
Fd W Sin / 2——————————（3-2）
3、地层造斜力（Deflecting
Force of the Formation）：
地层造斜力取决于地层倾角、地层的各向异性。在大多数 情况下它起增斜作用。也有可能起降斜作用（当钻水平地 层时）。综合上述各力的作用，在钻头上作用有一对相互 矛盾的力，即：增井斜力和降井斜力， Fi = W Sin + Ff； Fd W Sin/2。
4、平衡井斜角概念（在上述两种力的作用下）
1）、当 Fi = Fd时，保持原井斜角方向钻进； 2）、 当 Fi Fd 时，井斜角增大，同时，钟摆力也增大。所以井眼 将达到一个大于原井斜角（）的新的平衡角。 3）、 当 Fi Fd 时，井斜角减小，井眼将达到一个小于原井斜角（ ）的新的平衡角。
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对钻头偏斜角 的影响就很小了。
为计算方便，一般不考虑Wb的影响。令 Wb = 0 或 Wb/Pk = 0时，由（3-11a）式可导出计算 Lop（理论最优高度：
Lop = [16 C EI/ (qmc Sin)]1/4——（3-11c）
表（3-1）给出了常用两种尺寸钻铤（当 C = 0.5mm）时 中稳定器理想高度的计算值。
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（4）、如果令：x = L2 上式可简化为：
Ax3 + Bx2 + Cx + D = 0——————（3-11b） 解（3-11b）式得满足钻头总偏斜角最小的理想高度 Lop。
3、计算结果简单分析
实际计算结果表明：钻铤尺寸、稳定器与井眼之间的间隙 以及井斜角对以及井斜角对中稳定器的理想位置（高度） 的影响较大，而钻压的变化对中稳定器的理想位置影响却 很小。原因在于： 1）、实际钻压 Wb 要比 L 段钻铤的临界钻压 Pk 小的多（ 要小好多倍）。 2）、钻铤的抗弯刚度越大，中稳定器以下钻铤长度越短， Pk也越大； 3）、钻压影响也越小（即 Wb/Pk 比值很小）。所以钻压 27
图 5－12 地层可钻性的各向异性导致井斜
（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
2、钻具因素
主要原因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；
• 使钻头受侧向力作用，产生侧向切削。
“底部钻具组合”（Bottom Hole Assembly）,简称 BHA 导致钻具倾斜和弯曲的原因：
由于钻铤弯曲，钻压不沿井眼轴线方向施加给钻头，而是 偏离一个角度（钻头倾角）。 在这种情况下，钻压可一分解成两个力：即： 一个沿原来井眼轴线方向的钻压分力 W0。 一个垂直于井眼轴线的分力（增井斜力）Fi。大小为 W0 = W Cos； Fi = W Sin————————（3-1） 式中：Fi——钻头偏离原井眼轴线造成井斜的增井斜力。
B
MB
Wb L B
图3-4 b：等截面梁的力学模型
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2、稳定器位置的确定方法
1）、近钻头稳定器的安放位置：在杨勋尧的满眼钻具组合
井 壁
地 层 抵 抗 侧 向 力
侧向力
近钻头稳定器
第一个稳定器成为近钻头稳定器（Near bit Stabilizer），直接安装 在钻头接头上；它即可以抵抗钻头上所承受的（地层）造斜力（或横向 力），又可限制钻头对井壁的横向切削作用（横向移动），见图（3-4a 23 ），也就是限制了钻头的附加偏斜角 。
扶正器尺寸：
d dh d s 1.0 ~ 2.0mm
1、YXY组合的结构 近钻头扶正器、中扶正器、上扶正器、第四扶正器等。 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：保证中扶正器和钻头之间的钻具不发生弯曲，其 安放位置需要格计算。 上扶正器：保证钻具上至少有三个稳定点与井壁接触，从而 保证井眼的直线性，距中扶 1 钻铤单根。 第四扶正器：增大下部钻柱的刚度，协助中扶防止钻柱弯曲。
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2）、中稳定器理想位置的确定：为了分析中稳定器的理想高度，必须 研究钻头与中稳定器之间一段钻铤的变形，当不考虑近钻头稳定器的影 响，仅将其看成是一等截面梁时，可建立如图（3-4b）所示的力学模型 。 按一般处理方法，可把钻头（A）点模拟成绞支。考虑到在中稳定器以 上还要安装一个到两个稳定器，以防止和减轻中稳定器以上钻铤的弯曲 及其对钻头偏斜的影响，有时也考虑稳定器的刚度以及它在满眼钻井条 件下的工作状态。 RA RB qmSin()