钻杆扶正器钻具组合详解

单扶组合的力学分析
• 单扶组合的钻头受力分析：
Q ( F )2 Po2

tg F Po
– 此只能定性说明问题，不可定量 计算。

tg F Fi Ff Fc Fb
Po
Po
P sin Ff M c / L 0.5W sin P cos
• 减小第一和第二扶正器之间的距离，B ； • 减小后，在第二扶正器之上，在加一个扶正器，C ；
多扶组合的力学特性
• 多扶增斜组合的结构：
– 柔性多扶增斜组合：
• 柔性组合A ，使用1根小尺寸钻铤。国外称作“giligan”。 若标准增斜组合的增斜率为20/30m ，则“giligan”增斜 率可达到30/30m 。
• 使用多扶组合的必要性：
– 1. 单扶组合仅用于增斜和降斜。由于单扶稳斜组合性能的 不稳定性，稳斜组合都是多扶正器组合。
– 2. 对于增斜、降斜组合，由于以下原因，也广泛使用多扶 组合：
• 单扶组合的钻柱可能大段与井壁接触，产生粘附卡钻 或压差卡钻的可能性较大，而多扶组合可大大减小钻 柱与井壁的接触；
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；
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
• 单扶组合的钻头受力分析： – 钻压：P
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
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
• 柔性组合B ，使用两根相应的钻杆或无磁钻杆。若标准 增斜组合的增斜率为20/30m ，则此种柔性组合增斜率可 达到40～50/30m 。
多扶组合的力学特性
• 多扶稳斜组合的结构：
– 标准多扶稳斜组合A ：三个扶正器组成； – 在标准增斜组合基础上，可以变化，适当改变增斜率；
• B：在三扶之上，每个10m 加第四甚至第五个扶正器。增大增斜率 ； • C：适当加大第一和第二扶正器之间的距离。减小增斜率 ；
• 增斜组合：
– 钻压对增斜组合侧向力的影响，是不显著的，是比较小的； – 在组合、钻压不变情况下，井斜角增大则侧向力增大；
• 稳斜组合：
– 钻压对稳斜组合性能的影响是很小的。所以在稳斜钻进中， 可以根据眼使性能改变钻压。
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，实在P和Q两个方向之 间。
多扶组合的力学特性
• 多扶降斜组合的结构：
– 标准多扶降斜组合A ：两个扶正器组成，钻头至一扶距离20m； – 在标准组合基础上以变化，适当改变降斜率；
• B：减小钻头至一扶的距离，减小降斜率； • C：在钻头上加一个欠尺寸扶正器，减小降斜率 ； • D：用一根小尺寸钻铤，增大降斜率；
影响多扶组合性能的因素
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。
多扶组合的力学特性
• 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；
– 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。
• 用单扶增斜或单扶降斜组合钻出的弯曲井眼，如果再 下入多扶组合（例如多扶稳斜组合），则容易出现阻 卡现象。使用多扶增降组合，则容易下入。俗称井眼 的相容性问题。
• 单扶组合的性能也很不稳定。
多扶组合的力学特性
• 多扶增斜组合的结构：
– 标准多扶增斜组合：A – 在标准增斜组合基础上，可以变化，适当减小增斜率；
Fb 。
Fb

1 2
F
– 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：
Fc

Mc 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， 也可能是降斜。
– 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

tg F Fi Ff Fc Fb
Po
Po
P sin Ff M c / L 0.5W sin P cos
• 井斜变化分析：
• γ为正则增斜， γ为负则降斜；
– 欲增斜：