4扶正器钻具组合解析

扶正器钻具组合
1. 单扶组合的力学分析；
2. 单扶组合的力学特性； 3. 多扶组合的力学特性； 4. 扶正器组合使用注意事项； 5. 实用扶正器钻具组合；
石油大学（华东） 韩志勇
转盘钻扶正器组合
此类工具不能用于改变井眼方位，仅能在已有一定斜度的井眼内



改变井斜，即进行增斜、降斜或稳斜。 此类工具是在转盘钻的基础上，利用靠近钻头的钻铤部分，巧妙 地使用扶正器，得到各种性能的组合。 20世纪80年代以来，国内外对扶正器钻具组合的研究逐步深入。 运用数学、力学和计算机工具，出现了微分方程法、有限元法、 纵横连续梁法、加权余量法等等方法，且都需要使用较复杂的计 算机程序。 在没有计算机软件计算在情况下，可使用现场常用的经验数据。 转盘钻扶正器组合有三种： – 增斜组合； – 稳斜组合； – 降斜组合；
单扶组合的力学分析
钻压对钻头侧向力的影响： – 增斜组合：
• 规律性：在一定的组合、一定的井斜 角和井眼尺寸下，钻压对侧向力的影 响是很微小的。 • 为什么？
– 在一定井斜角下，Lg长度是由切点一 下扶正器以上钻柱重力的分量决定的。 – 在增斜钻进时，钻压远远大于切点以 下钻柱的重量。 – 钻压的变化，只是引起切点以上躺在 井壁下侧的钻柱长度的变化。不影响 Lg长度钻柱的重量。 – 所以， 侧向力不随钻压的大小而变化。
单扶组合的力学分析
tg
F Po

Fi F f Fc Fb Po P cos
P sin F f M c / L 0.5W sin
井斜变化分析：
γ为正则增斜， γ为负则降斜； – 欲增斜：
• 增大β ：用小钻铤，大钻压，压 弯钻柱； • 增大Mc，缩短L; • 减小W：用小钻铤；
单扶组合的力学分析
井眼前进的方向：
– 井眼前进的方向，不是钻头 轴线方向，即钻压P的方向， 因为在钻头上还作用有其他 横向力； – 井眼前进的方向，也不是钻 头上所有力的合力Q的方向。 因为钻头具有各向异性，轴 向和侧向的切削能力是不同 的。 – 一般来说，侧向切削能力小 于轴向，所以，实际的井眼 前进方向，是在P和Q两个 方向之间。 – γ越大，则井眼增斜越强。 由下页公式可以分析如何控 制增斜、降斜。
单扶组合的力学分析
单扶组合的钻头受力分析：
2 Q ( F ) Po2 F tg Po
– 此只能定性说明问题，不可定量 计算。
tg
F Po

Fi F f Fc Fb Po P cos
P sin F f M c / L 0.5W sin
单扶组合的力学分析
扶正器距钻头的距
离L对侧向力的影 响：
– 在A点以前，随 着L增大，组合 产生增斜力，且 随L增大而减小； – 在A点和B点之 间，组合产生降 斜力，且随L增 大而增大到最大 值，然后又逐渐 减小。 – 过了B点，扶正 器不起作用，相 当于光钻铤产生 负侧向力。
单扶组合的力学分析
单扶组合的力学分析
单扶组合的钻头受力分析：
– 钻压：P
• 上部钻柱在泥浆中的重力，通过 钻柱传递到钻头上。方向与钻头 轴线一致。 • 钻压P可分解为平行井眼轴线和 垂直井眼轴线的两个分量：
Po P cos
Fi P sin
• β角是钻头轴线与井眼轴线的 夹角。Fi 构成钻头侧向力的 一部分。
单扶组合的力学分析
单扶组合的钻头受力分析：
– 钟摆力：Fb
• 扶正器以下钻柱的重量为W，作 用点在该段钻柱的中点a 点。 • W可以分解为平行钻柱轴线和垂 直钻柱轴线的两个分量：
Pa W cos Fa W sin
• α角是扶正器以下钻柱所在的 井斜角。Fa 即是钟摆力。 Fa 作用到钻头上即为Fb 。
• 但不可形成错觉：P=0时，侧向力也会 是那么大！此使整个钻柱的重力全被 大钩承担，形不成切点。
单扶组合的力学特性
钻压对钻头侧向力的影响： – 降斜组合：
单扶组合的力学分析
侧向力与井斜角的关系： – 对于接近中性的组合（L=7米为例），井斜角减小，可能成为增斜组 合；井斜角增大，可能成为降斜组合。 理论上讲，单扶组合 可以用作增斜组合、降 斜组合，也可用于稳斜 组合。 但实际上不能用于稳 斜组合。因为用于稳斜 组合，性能是不稳定的， 不是增，就是降。 单扶组合实际上仅用 于增斜或降斜。
– 欲降斜：
• 减小β ：用大钻铤，小钻压，不 要压弯钻柱； • 减小Mc，增大L; • 增大W：用大钻铤；
– 井斜角α也影响γ ；
单扶组合的力学分析
三种组合： – A组合：增斜组合。组合产生正向侧向力。第一杠杆原理。 – B组合：降斜组合。产生负向侧向力。第二杠杆原理。 – C组合：可能增斜，也可能降斜，也可能是不增不降的稳斜。
侧向力与井斜角的关系： – 增斜组合：井斜角增大，则增斜力增大；Fc – α↑，则Fg↑，Fc↑； Nhomakorabea
A Fg L
A W sin L
单扶组合的力学分析
侧向力与井斜角的关系： – 降斜组合：井斜角增大，则降斜力增大； – α↑，则Fg↑，Fc↑；
Fc
1 1 Fg W sin 2 2
Fb
1 Fa 2
单扶组合的力学分析
单扶组合的钻头受力分析：
– 弯矩Mc：
• 扶正器以上到切点的钻柱的重力， 在垂直钻柱轴线方向的分量，相 当一个杠杆力，通过扶正器形成 弯矩Mc 。 • Mc 作用到钻头上，形成钻头的 侧向力Fc ，是钻头上侧向力的 一部分：
Mc Fc L
• L是钻头至扶正器的距离，但 Mc的大小是不知道的，所以 Fc难以计算。
单扶组合的力学分析
单扶组合的钻头受力分析：
– 地层横向力：Ff • 地层横向力是由于地层的倾 斜以及地层可钻性的各向异 性造成的。 • Ff可能是增斜，页可能是降斜。 – 作用在钻头上的所有垂直与井眼 轴线的横向力，与平行井眼轴线 的钻压的合力，以Q表示，即为 作用于钻头上的所有力的合力。 – Q与井眼轴线的夹角，以γ表示。 – Q 和γ可用下页公式定性表示：