造斜工具及原理

指引钻头式，以AGS工具为例，如图 3—1—9和3—1—10所示。在靠近钻头处 有一个非旋转套筒，内有两个偏心环，外 偏心环和内偏心环。在钻进过程中，偏心 环和非旋转套筒都不旋转。驱动钻头旋转 的旋转轴在内、外偏心环的不同组合下， 可以偏向井壁的任何给定方向。它像船舶 的“舵”一样，为钻头指引方向。
定向井轨迹控制原理和计算
主讲人：蒋元全 长庆培训中心
2008年11月
第三讲 定向井轨迹控制原理和计算 定向井轨迹控制，是用一定的造斜工
具，根据设计轨道的要求，不断地控制钻 头前进方向，形成实钻井眼轨迹，最终钻 达设计预定的目标。定向井轨迹控制是定 向钻井施工最基本的作业内容，是定向钻 井最核心也是最重要的技术。
导向马达具有两种钻进方式：滑动钻 进方式和旋转钻进方式。在滑动钻进方式 下，可以改变井眼方向，钻出增斜井段、 降斜井段，可以扭方位。在旋转钻进方式 下，可以不改变井眼方向，钻出稳斜井段。 而且，把两种钻进方式进行恰当组合，一 套造斜工具还可以钻出不同曲率的井眼来。
从造斜原理来说，弯外壳螺杆钻具既有 对井壁的侧向切削，也有对井底的不对称切 削。前者是力学因素，后者是几何因素。与 弯接头+井底动力钻具有所区别，对于弯外 壳螺杆钻具的造斜，几何因素是主要的，力 学因素是次要的。所以，有人根据几何因素 采用“几何定圆法”计算弯外壳螺杆钻具的 造斜率。
滑动导向钻井系统的出现，导致了现 代水平井和大位移井等新技术的诞生和发 展。
4．第四代造斜工具 第四代造斜工具是上世纪末出现的。
由于结构复杂，而且从诞生开始就与MWD和 高效能钻头相结合，以旋转导向钻井系统 的形式出现，所以第四代造斜工具不能简 单地用某个“工具”来命名，而是称为 “旋转导向钻井系统”。
(3)地层原因：井底地层的可钻性不 均匀，一侧容易破碎，另一侧不容易破碎， 导致不对称切削。引起井底地层可钻性不 均匀的原因很多，主要包括：地层的倾斜， 地层可钻性的各向异性，可钻性在垂向、 横向的变化，地层中裂缝、孔洞的存在等。 地层因素是客观因素，在使用造斜工具时 要考虑地层因素对造斜工具造斜能力的影 响
更重要的是，弯曲点距离钻头近 了，在弯曲角相等的情况下，钻头偏离 井眼中心的距离会大大减小。这就使弯 外壳螺杆钻具受井眼的约束较小，在结 构和弯角合适的情况下，弯外壳螺杆钻 具有可能旋转起来。这种可以旋转的弯 外壳螺杆钻具被称为导向螺杆钻具，俗 称“导向马达”。单弯和反向双弯螺杆 钻具就是目前用得最多的导向马达。
斜向器的造斜效率很低，只能钻小斜 度定向井；钻出来的井眼轴线大体上是折 线形，不利于钻柱运动和下套管作业。
2．第二代造斜工具 第二代造斜工具的主流工具是弯接头+
井底动力钻具，同时还有弯钻杆+井底动力 钻具及带垫块的动力钻具等。
弯接头+井底动力钻具出现于上世纪40 年代，其结构和造斜原理如图3—1—6所示。 开始用的动力钻具是涡轮钻具，之后又出现 了螺杆钻具。此类造斜工具主要的结构参数 是弯接头的弯曲角γ和动力钻具的长度LT。
许多学者对造斜率进行了研究，提出了 计算方法，给出了计算公式，编写了计算软 件等。应该说，这些计算公式和软件，大体 上预测造斜率是可以的，因为在工具下井前， 也需要大体上知道造斜率有多大，但是要准 确计算是不可能的。
由于工具造斜率等于用该工具钻出的井 眼的曲率，所以，在工程上可以通过钻后实 测井眼曲率求得工具的造斜率。某种造斜工 具，经过在某地层的多次使用，积累数据和 经验，可以更准确地掌握其造斜率。
此类造斜工具由于受井眼的约束，
弯接头以上钻具出现弹性变形，在钻头 处产生侧向力，对井壁进行侧向切削。 同时，由于钻头中心线偏离井眼轴线， 产生对井底的不对称切削。钻头对井壁 的侧向切削可以看做是“力学因素”； 钻头对井底的不对称切削可以看做是 “几何因素”。对于弯接头+井底动力 钻具来说，力学因素是主要的，几何因 素是次要的。
斜向器的造斜原理，是钻头对井底的不 对称切削。它的造斜过程(如图3—1—5)分 为3步：下入并安置斜向器；加钻压剪断销 钉，沿导斜面钻出一个行程长度的小井眼； 起出斜向器，更换扩眼钻头扩眼。若需要继 续造斜，则再重复上述3步。
显然，斜向器属于断续造斜工具，每一 个造斜行程约为10 m。斜向器的平均造斜率 K可表示为：
钻头偏斜方向和偏转角度依靠井下控制 总成改变内、外偏心环的不同转动角度调整， 造斜率的大小则依靠钻头轴线偏离角度的大 小调整。
三、造斜率、工具面与工具面角 1．造斜率 造斜工具最重要的性能，是它的造斜能力。
表达造斜能力的参数是造斜率。各种造斜工具， 由于结构的不同和造斜原理的差别，造斜率大 小有很大差别。
首先，这一移动使弯曲点到钻头的距 离大大缩短，从而使造斜能力大大提高。 过去使用弯接头+动力钻具，弯曲点到钻头 的距离约为10 m，最大造斜率不超过5°／ 30m。弯外壳螺杆钻具的弯曲点距离钻头可 以小到1—2 m，造斜率可以达到30°／30m。 对于水平井来说，弯曲井段可以大大缩短， 钻柱摩阻力大大减小。
旋转导向钻井系统的出现，在于克服 滑动导向钻井的缺点。滑动导向钻井存在 的主要缺点有：
(1)在滑动钻进方式下，钻柱不旋转， 钻柱与井壁的摩阻力完全在钻柱轴向，导 致钻柱屈曲甚至自锁，送钻困难，加不上 钻压，钻速很低，容易出现粘卡。动力钻 具反扭角严重干扰工具面角的稳定，形成 井眼扭曲。
(2)在旋转钻进方式下，弯曲外壳旋转会 造成井眼扩大，加快钻头磨损。
具有这样特点的导向马达，配合以MWD 随钻监测井眼轨迹参数，再配合以高效能 的钻头，在一次下钻后，可以完成增斜、 降斜、扭方位、稳斜等各种轨迹控制任务。 只要钻头不坏，就可以不更换造斜工具而 继续钻进。
弯外壳螺杆钻具不仅造斜率很高，而 且钻进效率比弯接头+动力钻具要高得多。 人们把这种钻井方式称为“导向钻井”， 把导向马达+MWD+高效能钻头组成的钻具组 合称为“导向钻井系统”。由于这种导向 钻井系统改变井眼方向要靠滑动钻进方式， 所以称为“滑动导向钻井系统”。
导致钻头不对称切削的原因可以归纳 为3类：钻头、钻柱和地层。
(1)钻头原因：钻头破碎井底岩石的 能力一侧强、一侧弱。例如偏喷嘴钻头就 是这个原理。
(2)钻柱原因：靠近钻头的钻柱发生 弯曲或倾斜，使钻头轴线与井眼轴线偏离， 从而导致钻头对井底的不对称切削。钻柱 弯曲或倾斜主要取决于造斜工具的结构和 有关钻进参数。
侧推钻头式，以PowerDrive工具为例。 侧推总成上有3个支撑块，间隔120°分布， 随着钻柱旋转而旋转。侧推总成内有一个 不旋转的静控阀，控制钻井液的流出方向。 该方向由控制总成根据井眼方向变化的需 要确定。
每个支撑块平时是缩回状态。只有当 旋转到与静控阀的液流方向一致时，在液 流压力作用下，支撑块才伸出，给井壁以 支撑力；其反作用力把钻头推向井眼的另 一侧，造成侧向切削井壁，从而改变井眼 方向。如图3—1—8所示。
2．钻头对井壁的侧向切削 钻头发生侧向切削的根本
原因在于作用在钻头上有一个 侧向力。当然，钻头还要具有 侧向切削的能力(如图3—1— 2)。在侧向切削和轴向切削的 联合作用下，钻头前进的方向 发生了变化，向着钻头侧向力 的方向弯曲。
二、造斜工具的发展历程 自上世纪30年代初定向井出现以
来，出现了多种形式的造斜工具，可 以划分为四代，如图3—l—3所示。
3．第三代造斜工具 第三代造斜工具的主要代表是弯外壳
螺杆钻具，出现于上世纪70年代，其结构 如图3—1—7所示。自左至右为：单弯、柔 性单弯、带垫块的单弯、同向双弯、反向 双弯。同时出现的还有铰接螺杆钻具等。
单弯 柔性单弯 带垫块的单弯
同向双弯
反向双弯
弯外壳螺杆钻具的出现，是井下动力钻 具的设计、制造技术的突破。因为外壳的弯 曲要求螺杆轴线也要弯曲，弯曲处需要使用 万向节连接。第三代造斜工具的核心技术是 把弯曲点从弯接头上移到螺杆钻具的外壳上。 这一“移动”看似简单，却是具有划时代意 义的重大技术革命。
第一节 造斜工具及其造斜原理 看到“造斜工具”这个术语，切不可
望文生义，不可简单地理解为只是从没有 井斜的垂直井眼造出井斜的工具，也不可 理解为只是改变井斜角的工具。准确地说， 造斜工具是指能够改变井眼方向的工具。
如前所述，井眼方向可以用井斜角和 井斜方位角表示。所以，造斜工具应该是 指既能改变井斜角，又能改变井斜方位角 的工具。代表工具造斜能力的造斜率，就 等于用该工具钻出的井眼的曲率。
对侧推钻头式的旋转导向造斜工具来 说，工具面是指工具的中心线与支撑块伸 出方向线构成的平面。对指引钻头式的旋 转导向造斜工具来说，工具面是指工具的 中心线与钻头中心线构成的平面。
综上所述，我们看到所有造斜工具的
工具面有一个共同的特点：都是一个直角 三角形。为了叙述方便，将不再特指某种 造斜工具，而是将造斜工具“抽象化”， 如图3—1—12所示。
正是由于这些缺点，1997年使用滑动 导向钻井系统钻大位移井的最大水平位移 只有8000m多点。正是由于旋转导向钻井 系统的出现，1998年大位移井的最大水平 位移很快超过了10000m，显示了巨大的优 越性。
按照造斜原理划分，旋转导向钻井系统
有两大类：一类称为“侧推钻头式(push the bit or bias the bit)”，一类称为“指 引钻头式(point the bit)”。
1．第一代造斜工具 最先出现的造斜工具，是适用于旋转钻
井方式的斜向器。实际上是以斜向器为主， 辅以射流钻头和肘节工具等。斜向器的结构 如图3—1—4所示，它的主要结构是在一个 圆柱体的一侧加工出的一个导斜面。导斜面 是一个倾斜的不完整的圆柱面，主要结构参 数是导斜面的导斜角γ。导斜角等于导斜面 的中心线与斜向器中心线的夹角。导斜面的 长度大约为4—5 m。
造斜工具的造斜原理，是根据井眼方 向变化原理设计的。下面首先研究井眼方 向变化的原理．
一、井眼方向变化的原理 井眼方向发生变化的基
本原理有两种：一是钻头对 井底的不对称切削，二是钻 头对井壁的侧向切削。
1．钻头对井底的不对称切 削如图3—1—1所示，在钻进 时，如果钻头一侧切削速度 快，一侧切削速度慢，则井 眼方向就会改变，向着切削 速度慢的一侧弯曲。
造斜率是轨迹控制的有关计算中最重要的 一个依据参数。
怎样知道造斜工具的造斜率呢?前面 已经讲过，斜向器的造斜率主要取决于 斜向器的几何结构因素，可以直接用式 (3—1—1)进行计算。除斜向器外，其他 所有造斜工具的造斜率计算则都是非常 困难的。这是因为这些工具的造斜率不 仅与工具的几何结构有关，而且与工具 下井后的受力和变形条件有关，还与钻 头切削能力的各向异性和地层可钻性的 各向异性有关。
工具面三角形的一个直角边是工具的 中心线；另一个直角边是钻头相对于井眼 轴线的偏离方向线，或是作用于钻头的侧 向力方向线。我们把这个方向线称为“工 具面向线”。根据图3—1—12中的工具面 三角形，工具面向线也可以定义为：处在 工具面上、垂直于工具中心线、指向离开 工具中心线的有向线段。
钻头侧向力Fc的大小可用如下定性公式表示：
根据上式，可以调整造斜工具的结构参数，改 变造斜工具的造斜能力。
第二代造斜工具用于井下动力钻具钻井方式， 可以连续造斜钻进，所钻出的井眼轴线乃是连续 曲线，造斜能力和造斜效率都大大提高，因而可 以钻出小、中、大斜度定向井，甚至可以钻出水 平井。20世纪50—60年代，我国和前苏联钻的水 平井就是采用此类造斜工具钻出的。第二代造斜 工具出现的同时，还出现了罗盘照相测量仪器和 无磁钻铤，可以在下钻后进行井底定向，极大地 促进了定向钻井技术的发展，特别是丛式井的广 泛应用。
在轨迹控制有关计算中，工具的造斜率 是按照已知量处理的。
2．工具面 各种造斜工具的结构可以说是千差万别，
其造斜原理也各有不同，但它们都有一个共 同的特点，就是都具有一个工具面，如图 3—1—11所示。
斜向器的工具面，即斜向器本体轴线与 导斜面的中心线构成的平面。
对弯接头+井底动力钻具来说，弯接 头的轴线与动力钻具的轴线构成的平面就 是它的工具面。对弯外壳百度文库杆钻具来说， 工具面是指弯曲点上、下钻具的轴线构成 的平面。