《斜井基本常识精.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《斜井基本常识精.ppt（73页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、斜井基本常识第1页，本讲稿共73页定定向向井井普通定向井：普通定向井：一个井场内仅有一个井场内仅有1口最大井斜角小于口最大井斜角小于60的定向井。的定向井。斜直井：斜直井：用斜直钻机或斜井架完成，自井口开始井眼轨道一直是一段斜用斜直钻机或斜井架完成，自井口开始井眼轨道一直是一段斜井段的定向井。井段的定向井。大斜度井：大斜度井：最大井斜角在最大井斜角在6080范围内的定向井范围内的定向井水平井：水平井：最大井斜角大于或等于最大井斜角大于或等于86，并保持这种井斜角钻完一定长度，并保持这种井斜角钻完一定长度段的井。段的井。长曲率半径：长曲率半径：6/30m中曲率半径：中曲率半径：620/30m水平
2、井水平井中短曲率半径：中短曲率半径：120/30m短曲率半径：短曲率半径：110/m/m径向水平井：径向水平井：k=丛式井：丛式井：在一个井场内有计划地钻出两口或两口以上的定向井组，其中在一个井场内有计划地钻出两口或两口以上的定向井组，其中可含可含1口直井。口直井。多底井（分支井）：多底井（分支井）：一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。一个井口下面有两个或两个以上井底的定向井。第三章第三章第2页，本讲稿共73页第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法一、基本概念一、基本概念1.井眼轨道的基本要素井眼轨道的基本要素井眼轨道：井眼轨道：表示井眼轴线形状的图形。表示井眼轴线
3、形状的图形。第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法其它基本要素如下图所示：其它基本要素如下图所示：第3页，本讲稿共73页井深D ：转盘补心到井底的深度。测深m：某测点到转盘补心的井眼轴线实际长度。垂深：井眼轴线上某测点至井口转盘所在平面的垂直距离。井斜角i：轴线切向方向与垂线的夹角。方位角：正北顺时针转至轴线上某点切线在水平面的投影的夹角。井眼曲率Rh：单位长度井段井眼轴线的切线所转过的角度。井斜变化率Rn：单位长度井段井斜角变化值。方位变化率Ri：单位长度井段方位角变化值。井底闭合方位角h：从正北方向顺时针转至井口与井底的水平投影连线的夹角。井底水平位移Sh
4、：井口与井底两点在水平投影面上的直线距离。第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第4页，本讲稿共73页直井段直井段造斜点造斜点增斜段增斜段最大井斜角最大井斜角maxmax降斜段降斜段直井段直井段斜井深斜井深水平位移水平位移1)1)直井段直井段:设计设计井斜角井斜角为为零度的零度的井段。井段。2)2)造斜点（造斜点（）:开始定向开始定向造斜的位置称造斜的位置称为为造斜点。通常造斜点。通常以以该该点的井深来表示。点的井深来表示。3)3)造斜率（造斜率（）:造斜工具的造斜工具的造斜能力造斜能力,即即该该造斜工具所造斜工具所钻钻出出的井段的井眼曲率。的井段的井眼曲率。
5、4 4)造造(增增)斜段斜段:井斜角随井深井斜角随井深增加的井段。增加的井段。2.2.井身剖面井身剖面井身在垂直平面内的投影井身在垂直平面内的投影第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第5页，本讲稿共73页9)靶心距（）靶心距（）:在靶区平面上在靶区平面上,实钻井眼轴线与目标点之间的实钻井眼轴线与目标点之间的距离距离。6)降斜段降斜段:井斜角随着井深的增加而减小的井段。井斜角随着井深的增加而减小的井段。5)稳斜段稳斜段:井斜角保持不变的井段。井斜角保持不变的井段。7)目标点目标点:设计规定的、必须钻达的地层位置，通常以地面设计规定的、必须钻达的地层位置，通常以
6、地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示。井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示。8)靶区及靶区半径（）靶区及靶区半径（）:包含目标点在内的一个区域称为包含目标点在内的一个区域称为靶区。在大斜度井和水平井中，靶区为包含设计井眼轨道的一个柱靶区。在大斜度井和水平井中，靶区为包含设计井眼轨道的一个柱状体。状体。第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第6页，本讲稿共73页 1)1)工工具具弯弯角角（）:在在造造斜斜钻钻具具组组合合中中,拐拐弯弯处处上上下下两两段段的的轴轴线线间间的的夹夹角。角。2)2)工工具具面面:在在造造斜斜钻钻具具组组合合中中,由由弯弯曲
7、曲工工具具的的两两个个轴轴线线所所决决定定的的平平面面。3)3)反反扭扭角角（）:在在使使用用井井下下动动力力钻钻具具进进行行定定向向造造斜斜或或扭扭方方位位时时,动动力力钻钻具具启启动动前前的的工工具具面面与与启启动动后后且且加加压压钻钻进进时时的的工工具具面面之之间间的的夹夹角角。反反扭扭角角总总是是使使工工具具面面逆逆时针转动时针转动。3.3.井眼井眼轨轨道水平投影道水平投影第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第7页，本讲稿共73页5)工具面角（工具面角（）：）：造斜工具下到井底以后，工具面所在的角造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。它有度。它有两
8、种表示方法：高边工具面角和磁工具面角。两种表示方法：高边工具面角和磁工具面角。高边高边工具面角是以高边方向线为始边，顺时针转到工具面与井工具面角是以高边方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线所转过的角度；磁工具面角为以正北方向底圆平面的交线所转过的角度；磁工具面角为以正北方向线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线在水平线为始边，顺时针转到工具面与井底圆平面的交线在水平面上的投影线所转过的角度。面上的投影线所转过的角度。4)高边：高边：定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平面，称为定向井的井底是个呈倾斜状态的圆平面，称为井井底圆底圆；井底圆上的最高点称为；井底圆上的最高点称为高边高边；
9、从井底圆心至高边之间；从井底圆心至高边之间的连线所指的方向称为的连线所指的方向称为高边方向高边方向；从正北方向线顺时针转；从正北方向线顺时针转至高边方向在水平面上的投影所转过的角度称为至高边方向在水平面上的投影所转过的角度称为高边方位高边方位角角。第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第8页，本讲稿共73页6)6)装置角（装置角（）:在启在启动钻动钻具后且加具后且加压钻进时压钻进时,工具面所工具面所处处的角度，的角度，与工具面角一与工具面角一样样，既可用高，既可用高边边工具面表示，也可用磁工具面表示。工具面表示，也可用磁工具面表示。7)7)安置角（安置角（）：
10、）：在启在启动钻动钻具前具前,工具面所工具面所处处的角度。与工具的角度。与工具面角一面角一样样，既可用高，既可用高边边工具面表示，也可用磁工具面表示。工具面表示，也可用磁工具面表示。8)8)安全控制安全控制圆锥圆锥（柱）（柱）:以以设计设计井眼井眼轴线为轴线为中心所限定的中心所限定的圆锥圆锥（柱）空（柱）空间间。9)误差椭球误差椭球:由测量和计算误差引起的井底位置不确定性所构由测量和计算误差引起的井底位置不确定性所构成的以井底为中心的椭球体。成的以井底为中心的椭球体。第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第9页，本讲稿共73页井眼曲率的计算井眼曲率的计算1）简
11、单表示法）简单表示法方位角不变的井眼轴线方位角不变的井眼轴线此时：此时：若若AB弧有均匀曲率，则弧有均匀曲率，则根据定义：根据定义：第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第10页，本讲稿共73页对于空间井眼轴线，可以用两个平面来表示对于空间井眼轴线，可以用两个平面来表示垂直：垂直：水平：水平：第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第11页，本讲稿共73页空间曲率的计算空间曲率的计算第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法设有一空间曲线设有一空间曲线L，L上点上点A的的定向要素定向要素为：为：DA
12、、EA、NA、A、A、ShA；井深增加到；井深增加到B点，设点，设AB弧弧第12页，本讲稿共73页与整个井眼相比为小量，其长设为与整个井眼相比为小量，其长设为dl，B点的定向要素为点的定向要素为A+d。连接。连接AB两点，两点，AB线段水平投影为线段水平投影为AB线段长线段长=dl。DA+dD、EA+dE、NA+dN、A+d、ShA+dShA、线段。可以近似地认为：线段。可以近似地认为：AB弧长弧长=AB在垂直投影面中：在垂直投影面中：A、A+d在平面在平面AAB内，令内，令AAB=，则，则第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第13页，本讲稿共73页水平投影
13、面中：水平投影面中：第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法水平投影面中：水平投影面中：第14页，本讲稿共73页由于：由于：则：则：坐标参数与基本参数间的关系：坐标参数与基本参数间的关系：第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第15页，本讲稿共73页Rn、Ri对对Rh都有影响。都有影响。第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第16页，本讲稿共73页四、井眼轨道设计的原则和方法四、井眼轨道设计的原则和方法井井眼眼轨轨道道的的类类型型二维二维井眼井眼轨道轨道三维三维井眼井眼轨道轨道 设计井眼轴线仅在
14、设计方位线所在铅垂平面设计井眼轴线仅在设计方位线所在铅垂平面上变化的井眼轨道。上变化的井眼轨道。二二维维井眼井眼轨轨道由垂直井段、增斜井段、道由垂直井段、增斜井段、稳稳斜井段和降斜井段斜井段和降斜井段组组合而成。合而成。在设计井眼轴线上，既有江斜角在设计井眼轴线上，既有江斜角变化又有方位角变化的井眼轨道。变化又有方位角变化的井眼轨道。三维井眼轨道设计用于绕障井和三维井眼轨道设计用于绕障井和现场待钻修正井眼轨道设计。现场待钻修正井眼轨道设计。1.1.井眼轨道的类型井眼轨道的类型 第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第17页，本讲稿共73页1)1)根据油气田勘探
15、开根据油气田勘探开发发要求，保要求，保证实现钻证实现钻井目的；井目的；2)2)根根据据油油气气田田的的构构造造特特征征、油油气气产产状状，有有利利于于提提高高油油气气产产量和采收率，改善投量和采收率，改善投资资效益；效益；3)3)在在选选择择造造斜斜点点、井井眼眼曲曲率率、最最大大井井斜斜角角等等参参数数时时，有有利利于于钻钻井、采油和修井作井、采油和修井作业业；4)在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的剖面在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的剖面类型，力求使设计的斜井深最短，以减小井眼轨道控制的难类型，力求使设计的斜井深最短，以减小井眼轨道控制的难度和钻井工作量，有利于安全
16、、快速钻井、降低钻井成本。度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法2.设计井眼轨道的原则设计井眼轨道的原则第18页，本讲稿共73页造造斜斜点点的的选选择择原原则则3.3.井眼轨道设计中有关因素的选择井眼轨道设计中有关因素的选择1)1)造斜点的造斜点的选择选择在比在比较稳较稳定的地定的地层层，避免在岩，避免在岩石破碎石破碎带带、漏失地、漏失地层层2 2）地地层层可可钻钻性均匀，不性均匀，不应应有硬有硬夹层夹层；3 3）要要满满足采油工足采油工艺艺要求；要求；4)4)垂深大、水平位移小的井，造斜点垂深大、水平位移小
17、的井，造斜点应应深，以深，以简简化化井身井身结结构、加快构、加快钻钻速；速；5)5)垂深小、水平位移大的井，造斜点垂深小、水平位移大的井，造斜点应应浅，浅，以减少定向施工的工作量；以减少定向施工的工作量；6)6)在井眼方位漂移地区，在井眼方位漂移地区，应应使斜井段避开方位漂使斜井段避开方位漂移大的地移大的地层层。(1)第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第19页，本讲稿共73页(3)(3)井眼曲率井眼曲率 井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难，因井眼曲率过大会给钻井、采油和修井作业造成困难，因此，应根据具体情况，适当选择井眼曲率。此，应根据具体情况，
18、适当选择井眼曲率。(2)(2)最大井斜角最大井斜角 直井在规定井斜角内；常规井和水平井交斜角小于直井在规定井斜角内；常规井和水平井交斜角小于1515时，方位不稳定，因此，最大井斜角应时，方位不稳定，因此，最大井斜角应大于大于1515。4.4.井眼井眼轨轨道道类类型的型的选择选择设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道。二维轨设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道。二维轨道由垂直井段、造斜井段、稳斜井段、降斜井段组合而成，道由垂直井段、造斜井段、稳斜井段、降斜井段组合而成，最常用的有四种类型。最常用的有四种类型。第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第20页，本讲
19、稿共73页轨轨道道类类型型直井三段制五段制“S”型直井段直井段造斜造斜稳斜稳斜特点：特点：造斜点浅，施工简单，在表层套管内达造斜点浅，施工简单，在表层套管内达最大井斜角。常用于不下中间套管的单一油层最大井斜角。常用于不下中间套管的单一油层的中深井，也用于水平位移大的井和水平井。的中深井，也用于水平位移大的井和水平井。直井段直井段造斜段造斜段稳斜段稳斜段增斜段增斜段稳斜段稳斜段一般用于水平井一般用于水平井直井段直井段造斜段造斜段稳斜段稳斜段降斜段降斜段稳斜段稳斜段特点：特点：造斜深度浅，造斜完成后下表层套管，造斜深度浅，造斜完成后下表层套管，稳斜钻进，在达到一定水平位移后降斜，在达稳斜钻进，在达
20、到一定水平位移后降斜，在达到油层时井斜角符合要求。通常还要下一层中到油层时井斜角符合要求。通常还要下一层中间套管，最后稳斜钻穿油层。间套管，最后稳斜钻穿油层。第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第21页，本讲稿共73页1)1)掌掌握握原原始始资资料料主主要要是是该该地地区区的的地地质质剖剖面面、地地表表对对井井位位的的限限制制条条件件、目目的的层层位位的的垂垂直直井井深深和和总总水水平平位位移移、自自然然造造斜斜规规律律、工工具具造造斜斜能力、能力、钻钻井技井技术术水平以及故障提示等；水平以及故障提示等；2)2)根据井眼根据井眼轨轨道确定原道确定原则则，选选
21、定一个井眼定一个井眼轨轨道道类类型；型；3)3)根根据据原原始始资资料料选选定定造造斜斜点点的的位位置置，并并确确定定造造斜斜率率和和降降斜斜率率的的大小；大小；第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法5.二维定向井井眼轨道设计方法二维定向井井眼轨道设计方法4)确定最大井斜角；确定最大井斜角；5)5)计计算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、水平位移；水平位移；第22页，本讲稿共73页6)核算井眼曲率，使其满足对它的各种限制条件，并做出井核算井眼曲率，使其满足对它的各种限制条件，并做出井身的控制圆柱，即误差范围；身的
22、控制圆柱，即误差范围；7)绘制井眼轨道图，标出安全圆柱。绘制井眼轨道图，标出安全圆柱。第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法设计实例：设计实例：已知某设计井的垂深已知某设计井的垂深D=3000m，水平位移，水平位移Sh=1500m，方位角，方位角=30，造斜点垂直深度，造斜点垂直深度Dkop=400m=400m，造，造斜率斜率Rb1=2/30m=2/30m，降斜率，降斜率Rb2=1.5/30m=1.5/30m，油层垂直深度，油层垂直深度De=2700m=2700m，要求稳斜进入油层，井斜角不大于，要求稳斜进入油层，井斜角不大于e=8=8.目前常用的设计方法目前
23、常用的设计方法查图法查图法作图法作图法解析法解析法第23页，本讲稿共73页dDShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h hi ij jk kmemmeo o最大井斜角最大井斜角m的确定的确定:在在kjf中：中：第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第24页，本讲稿共73页若令：若令：She：油层内水平位移油层内水平位移De：油层深度油层深度第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法有有:第25页，本讲稿共73页造斜率与曲率半径的关系：造斜率与曲率半径的关系：计算：
24、计算：第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第26页，本讲稿共73页井段：井段：Oa最大井斜角最大井斜角:0方位角方位角:0垂直井深增量垂直井深增量D(m):Da=Dkop=400垂直井深垂直井深D(m):Da=Dkop=400水平位移增量水平位移增量Sh(m):Sha=0水平位移水平位移Sh(m):Sh=0段长段长l(m):la=Dkop=0井深井深Dw(m):Dw=Dkop=0第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法DShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h
25、 hi ij jk kmemmeo o第27页，本讲稿共73页水平位移增量水平位移增量Sh(m):Shab=R=R1 1(1-cos(1-cos m m)=206.03)=206.03水平位移水平位移Sh(m):Shb=Shab=206.03206.03段长段长l(m):lab=R R1 1m m/57.3=607.65/57.3=607.65井深井深Dw(m):Dwb=Dwa+lab=1007.65=1007.65第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法井段：井段：ab最大井斜角最大井斜角:40.51方位角方位角:30垂直井深增量垂直井深增量D(m):Dab=
26、R1sinm=558.31垂直井深垂直井深D(m):Db=Da+Dab=958.31DShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h hi ij jk kmemmeo o第28页，本讲稿共73页垂直井深垂直井深D(m):Dc=Db+Dbc=2115.072115.07水平位移增量水平位移增量Sh(m):Shbc=Dbctgtgm m=988.32=988.32水平位移水平位移Sh(m):Shc=Shb+Shbc=1194.351194.35段长段长l(m):lbc=Shbc/sin/sin m m=1521.47=1521.47井深
27、井深Dw(m)：Dwc=Dwb+lbc=2529.12=2529.12井段：井段：bc;最大井斜角最大井斜角:40.51 40.51 方位角方位角:30垂直井深增量垂直井深增量D(m):Dbc=De-Dkop-Dab-Dcd =1156.761156.76第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法DShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h hi ij jk kmemmeo o第29页，本讲稿共73页水平位移水平位移Sh(m):Shd=Shc+Shcd=1457.91457.9段长段长l(m):lc
28、d=R R2 2(m m-e e )/57.3=1521.47/57.3=1521.47井深井深Dw(m):Dwd=Dwc+lcd=3179.32=3179.32井段：井段：cd最大井斜角最大井斜角:40.51 40.51 方位角方位角:30垂直井深增量垂直井深增量D(m):Dcd=R R2 2(sin(sinm m-sin-sine e)=584.93584.93垂直井深垂直井深D(m):Dd=Dc+Dcd=27002700水平位移增量水平位移增量Sh(m):Shcd=R=R2 2(cos(cos e e-cos -cos m m)=263.35)=263.35第五章第五章第一节第一节井眼轨
29、道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法DShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h hi ij jk kmemmeo o第30页，本讲稿共73页水平位移水平位移Sh(m):Sht=Shd+Shdt=1500.061500.06段长段长l(m):ldt=Shdt/sin/sin e e=302.93=302.93井深井深Dw(m):Dwt=Dwd+ldt=3482.25=3482.25第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法井段：井段：dt最大井斜角最大井斜角:8 方位角方位角:30垂直井深增量
30、垂直井深增量D(m):Ddt=D-De=300垂直井深垂直井深D(m):Dt=Dd+Ddt=3000水平位移增量水平位移增量Sh(m):Shdt=Ddttge=42.16DShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h hi ij jk kmemmeo o第31页，本讲稿共73页6.井眼轨道随钻修正设计井眼轨道随钻修正设计7.井眼轨道绕障或防碰设计井眼轨道绕障或防碰设计8.丛式井总体设计的原则丛式井总体设计的原则(1)(1)丛丛式井位置、数量和井数的确定式井位置、数量和井数的确定(2)(2)防止井眼相碰防止井眼相碰 防止井眼相碰是丛
31、式井设计和施工的关键。为此，我们应该防止井眼相碰是丛式井设计和施工的关键。为此，我们应该注意下述几个方面。注意下述几个方面。1)井网类型。井网类型。2)井眼轨道设计。井眼轨道设计。3)井口布置井口布置第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第32页，本讲稿共73页4)造斜点位置造斜点位置5)造斜率与最大井斜角造斜率与最大井斜角6)钻井次序钻井次序7)控制安全圆柱控制安全圆柱8)提高测斜仪器的精度提高测斜仪器的精度9)使用电子计算机绘制井眼防碰图使用电子计算机绘制井眼防碰图第五章第五章第一节第一节井眼轨道设计的原则和方法井眼轨道设计的原则和方法第33页，本讲稿共7
32、3页第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计 钻柱的主要作用有钻柱的主要作用有:1)提供钻机到钻头的钻井液通道提供钻机到钻头的钻井液通道,即输送钻井液；即输送钻井液；2)把地面动力传递给钻头并给钻头加压把地面动力传递给钻头并给钻头加压,使钻头破碎岩石；使钻头破碎岩石；3)起下钻头；起下钻头；钻柱：是指自方钻杆至钻头以上的钻具管串的总称。钻柱：是指自方钻杆至钻头以上的钻具管串的总称。钻柱由钻柱由方钻杆、钻杆、钻铤、接头方钻杆、钻杆、钻铤、接头和和稳定器稳定器等钻具组成。在钻等钻具组成。在钻井过程中，通过钻柱把钻头和地面连接起来。井过程中，通过钻柱把钻头和地面连接起来。第五章第五章
33、第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计第34页，本讲稿共73页4)通过钻柱可以了解钻头工作情况、井眼状况及地层情况等；通过钻柱可以了解钻头工作情况、井眼状况及地层情况等；5)进行取心、处理井下事故与复杂情况、打捞；进行取心、处理井下事故与复杂情况、打捞；6)对地层流体及压力状况等进行测试与评价。对地层流体及压力状况等进行测试与评价。第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计一、一、常用钻井工具常用钻井工具 钻钻具具是是钻钻井井工工具具的的简简称称,常常用用钻钻具具包包括括钻钻头头、钻钻铤铤、稳稳定定器器、减减振振器器、震震击击器器、加加重重钻钻杆杆、
34、钻钻杆杆、方方钻钻杆杆、井井底底马达和连续导向动力钻具组合等。马达和连续导向动力钻具组合等。二、钻柱的工作状态及受力分析二、钻柱的工作状态及受力分析1、钻柱的工作状态、钻柱的工作状态起下钻起下钻:钻柱不接触井底，钻柱处于悬持状态，在自重钻柱不接触井底，钻柱处于悬持状态，在自重第35页，本讲稿共73页正常钻进：正常钻进：部分钻柱的重量作为钻压施加在钻头上，使得部分钻柱的重量作为钻压施加在钻头上，使得下部钻柱受压缩。下部钻柱受压缩。在钻压小和直井条件下，钻柱也是直的，而当压力达到某一在钻压小和直井条件下，钻柱也是直的，而当压力达到某一临界值时，下部钻柱将失去直线稳定状态，发生弯曲，并在某一临界值时
35、，下部钻柱将失去直线稳定状态，发生弯曲，并在某一点与井壁接触，称为钻柱的点与井壁接触，称为钻柱的第一次弯曲第一次弯曲；如果继续加大钻压则；如果继续加大钻压则弯曲形状改变，切点下移，当钻压增大到新的临界值时，钻柱弯弯曲形状改变，切点下移，当钻压增大到新的临界值时，钻柱弯曲出现第二个半波，着是钻柱的曲出现第二个半波，着是钻柱的第二次弯曲第二次弯曲。如果继续增大钻。如果继续增大钻压，则会出现压，则会出现第三次弯曲第三次弯曲。正常钻进过程中，钻柱处于不停的旋转状态，钻柱旋转运动的正常钻进过程中，钻柱处于不停的旋转状态，钻柱旋转运动的可能形式可能形式：自转、公转、公转自转、公转、公转+自转、不规则运动自
36、转、不规则运动第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。作用下，钻柱处于受拉伸的直线稳定状态。第36页，本讲稿共73页2 2、钻柱的受力分析及计算、钻柱的受力分析及计算、钻柱的受力分析及计算、钻柱的受力分析及计算不同的工作条件、不同部位，钻柱受不同的工作条件、不同部位，钻柱受载荷不同：载荷不同：拉、压拉、压扭矩扭矩弯矩弯矩内外压力内外压力1 1）轴向载荷）轴向载荷）轴向载荷）轴向载荷包括稳态载荷和动态载荷，一般除振动严重外，忽略包括稳态载荷和动态载荷，一般除振动严重外，忽略动态。动态。第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计
37、钻柱及下部钻具组合设计第37页，本讲稿共73页第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计钻钻钻钻柱柱柱柱轴轴轴轴向向向向载载载载荷荷荷荷钻柱重量钻柱重量钻井液浮力钻井液浮力钻压钻压钻压钻压与井壁摩擦与井壁摩擦与井壁摩擦与井壁摩擦第38页，本讲稿共73页拉力拉力0压力压力（-）（+）N（A）拉力0压力（-）（+）NZ（B）拉力0压力（-）（+）NW（C）拉力0压力（-）（+）NZW（D）中和点：中和点：轴向应力线轴向应力线与静液柱压力的交点。此点与静液柱压力的交点。此点的静液柱压力等于钻柱中压的静液柱压力等于钻柱中压缩应力。缩应力。中和点位置可以由钻中和点位置可以由钻压
38、压W除以单位长度浮重来除以单位长度浮重来确定。确定。第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计第39页，本讲稿共73页钻进过程中钻柱轴向载荷：钻进过程中钻柱轴向载荷：Wpt为任意截面处轴向载荷；为任意截面处轴向载荷；Wp为该截面以下钻柱在空为该截面以下钻柱在空气中的重量。若设分析截面距井底长度为气中的重量。若设分析截面距井底长度为L，则，则对于井口处：对于井口处：钻柱的平均应力：钻柱的平均应力：第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计第40页，本讲稿共73页2）扭矩）扭矩转盘钻进时，转盘钻进时，钻柱扭矩在井口处最大，钻头处最小。钻柱扭矩在井
39、口处最大，钻头处最小。采用井下动力钻具时，采用井下动力钻具时，钻头施加给钻柱反扭矩，扭矩在钻头钻头施加给钻柱反扭矩，扭矩在钻头处最大，井口处最小。处最大，井口处最小。当能够确定某一截面的钻柱承受的扭矩时，可以计算该截面当能够确定某一截面的钻柱承受的扭矩时，可以计算该截面上钻柱由于承受扭矩而产生的剪切应力上钻柱由于承受扭矩而产生的剪切应力转盘钻进时，转盘钻进时，钻柱所受的扭矩取决于转盘传给钻柱的功率钻柱所受的扭矩取决于转盘传给钻柱的功率第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计第41页，本讲稿共73页正常钻进时，正常钻进时，N的大小与的大小与钻头类型及直径、岩石性质、钻
40、柱钻头类型及直径、岩石性质、钻柱尺寸、钻压、转速、钻井液性能及井眼质量的功能因素尺寸、钻压、转速、钻井液性能及井眼质量的功能因素有关，可有关，可以用经验公式确定。以用经验公式确定。式中：式中：N空转钻柱空转功率，空转钻柱空转功率，kW；d钻井液密度，钻井液密度，N/m3；de钻柱外径，钻柱外径，cm；L钻柱长度，钻柱长度，m；n转速，转速，r/min。刮刀钻头钻进：刮刀钻头钻进：W钻压，钻压，N；Db钻头直径，钻头直径，cm。第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计第42页，本讲稿共73页牙轮钻头钻进：牙轮钻头钻进：C为经验系数，与岩性、钻井液性质、井眼清洁程度、为
41、经验系数，与岩性、钻井液性质、井眼清洁程度、钻头磨损等有关。一般取：钻头磨损等有关。一般取：0.350.6。第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计若钻头或钻柱突然被卡，旋转钻柱的动能可能全部转变为若钻头或钻柱突然被卡，旋转钻柱的动能可能全部转变为变形位能，引起瞬时扭矩，产生很大的扭矩和剪应力变形位能，引起瞬时扭矩，产生很大的扭矩和剪应力旋转动能旋转动能第43页，本讲稿共73页变形位能：最大扭矩：最大扭矩：第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计3）钻柱弯矩）钻柱弯矩被卡时：被卡时：直井中直井中钻柱上部弯矩是由离心力引起的，钻柱下部则是由
42、钻柱上部弯矩是由离心力引起的，钻柱下部则是由钻柱受压弯曲和离心力共同作用引起的，一般下部弯曲应力大。钻柱受压弯曲和离心力共同作用引起的，一般下部弯曲应力大。第44页，本讲稿共73页在弯曲井眼中在弯曲井眼中，钻柱被约束，受到弯矩的作用。弯曲状，钻柱被约束，受到弯矩的作用。弯曲状态下，钻柱自转，产生交变弯曲应力。态下，钻柱自转，产生交变弯曲应力。4)内外压力内外压力内外压力作用下产生径向应力和周向应力第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计第45页，本讲稿共73页5 5）其它力的作用）其它力的作用）其它力的作用）其它力的作用离心力离心力离心力离心力纵向振动纵向振动纵向振
43、动纵向振动横向振动横向振动动载动载动载动载钻柱与井壁的正压力和摩擦力钻柱与井壁的正压力和摩擦力3.钻柱强度及稳定性校核钻柱强度及稳定性校核1）强度校核）强度校核第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计钻柱所受的四种主要载荷：钻柱所受的四种主要载荷：钻柱所受的四种主要载荷：钻柱所受的四种主要载荷：第46页，本讲稿共73页最大应力应满足：最大应力应满足：2)稳定性校核稳定性校核 无论是直井还是定向井，当钻柱所受的轴向压力小于一定值无论是直井还是定向井，当钻柱所受的轴向压力小于一定值时，钻柱为时，钻柱为直线稳定状态直线稳定状态；当轴向压力大于一定值时，钻柱就；当轴向压力大
44、于一定值时，钻柱就发生发生正弦屈曲正弦屈曲；当轴向力继续增大时，钻柱就会发生；当轴向力继续增大时，钻柱就会发生螺旋屈螺旋屈曲曲。钻柱屈曲后，钻柱与井壁的压力、摩擦力急剧增加，钻柱。钻柱屈曲后，钻柱与井壁的压力、摩擦力急剧增加，钻柱应力增大。钻柱失稳及形式可用下列式子计算分析。应力增大。钻柱失稳及形式可用下列式子计算分析。第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计第47页，本讲稿共73页未失稳未失稳正弦屈曲正弦屈曲螺旋屈曲螺旋屈曲第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计第48页，本讲稿共73页4 4、钻钻柱的破坏柱的破坏1 1）钻钻柱的物理机
45、械性能柱的物理机械性能 (1)(1)钻钻柱的材柱的材质质 钻钻柱的各个柱的各个组组成部分均由成部分均由优质优质合金合金钢钢或或优质铝优质铝合金制造。在合金制造。在APIAPI标标准中，准中，规规定定钻钻杆的杆的钢级钢级有有D D级级、E E级级、9595（X X）级级、105105（G G）级级和和135135（S S）级级共五种。共五种。其中其中X X级级、G G级级和和S S级钻级钻杆杆为为高高强强度度钻钻杆；杆；钻铤钻铤和方和方钻钻杆的杆的钢级为钢级为AISI4145AISI4145和和AISI4150AISI4150，其机械物，其机械物理性能理性能见见有关手册或有关手册或APIAPI公
46、公报报。(2)(2)钻钻柱的物理机械性能柱的物理机械性能 钻钻杆的杆的强强度数据主要包括度数据主要包括钻钻杆外径、壁厚、名杆外径、壁厚、名义义重量、重量、材材质质、扭力屈服、扭力屈服强强度、按最小屈服度、按最小屈服强强度度计计算的最小抗算的最小抗第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计第49页，本讲稿共73页 统计资统计资料料说说明，明，绝绝大多数大多数钻钻柱的柱的损损坏有下述几种情况：坏有下述几种情况：（1）钻钻柱的疲柱的疲劳劳破坏破坏疲疲劳劳破坏有破坏有三种形式：三种形式：纯纯疲疲劳劳、伤伤痕疲痕疲劳劳和腐和腐蚀蚀疲疲劳劳。（2）钻杆的氢脆破坏）钻杆的氢脆破坏2
47、）钻柱的破坏）钻柱的破坏拉力、最小抗挤压力、抗内压力等；钻铤规范数据主要包括外拉力、最小抗挤压力、抗内压力等；钻铤规范数据主要包括外径、内径、长度、质量、紧扣扭矩等。具体数据请查阅有关册径、内径、长度、质量、紧扣扭矩等。具体数据请查阅有关册或或API公报。公报。第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计第50页，本讲稿共73页5 5、钻柱组合设计、钻柱组合设计、钻柱组合设计、钻柱组合设计设设设设计计计计内内内内容容容容钻铤的确定钻铤的确定内、外径，内小、外大，受井径限制、内、外径，内小、外大，受井径限制、钻井钻井液流动限制，长度满足钻压要求。液流动限制，长度满足钻压要
48、求。强度足够，钻进不断，尽量保证钻井液强度足够，钻进不断，尽量保证钻井液正常循环减少能量损耗。正常循环减少能量损耗。钻杆的确定钻杆的确定钻铤的安放位置钻铤的安放位置第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计井斜小：提供钻压的钻铤安放在钻具下井斜小：提供钻压的钻铤安放在钻具下部，钻具上部采用钟摆、塔式、满眼结部，钻具上部采用钟摆、塔式、满眼结构。钻井斜大或水平井：钻铤放在井斜构。钻井斜大或水平井：钻铤放在井斜较小的井段，大斜度井段或水平井段则较小的井段，大斜度井段或水平井段则在承压钻杆与下部钻具连接。在承压钻杆与下部钻具连接。第51页，本讲稿共73页6 6、下部钻具组合
49、设计方法、下部钻具组合设计方法、下部钻具组合设计方法、下部钻具组合设计方法1 1）设计原则）设计原则下部钻具组合设计的下部钻具组合设计的原则原则是是:a.a.有效地钻出设计的井眼轨道；有效地钻出设计的井眼轨道；b.b.钻钻头头、马马达达和和测测量量系系统统工工作作稳稳定定性性高高，能能加加较较大大钻钻压压，有利于提高钻速；有利于提高钻速；c.c.具有较高的强度和寿命；具有较高的强度和寿命；第五章第五章第二节第二节钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计钻井中常用的钻具组合中包括钻井中常用的钻具组合中包括稳斜钻具、降斜钻具、防稳斜钻具、降斜钻具、防斜钻具、造斜钻具、增斜钻具、几何导向钻井系统
50、和地质斜钻具、造斜钻具、增斜钻具、几何导向钻井系统和地质导向钻井系统导向钻井系统等。下部钻具结构如图等。下部钻具结构如图3-6所示。所示。第52页，本讲稿共73页2）稳斜钻具）稳斜钻具 保持井斜角和方位角不变。稳斜钻具是采用刚性满眼钻保持井斜角和方位角不变。稳斜钻具是采用刚性满眼钻具结构，通过增大下部钻具组合的刚性，控制下部钻具组合在具结构，通过增大下部钻具组合的刚性，控制下部钻具组合在外力作用下的变形达到稳定井斜和方位的效果。外力作用下的变形达到稳定井斜和方位的效果。常用组合：常用组合：钻头钻头+近钻头稳定器近钻头稳定器+短钻铤短钻铤=稳定器稳定器+单根钻单根钻铤铤+稳定器稳定器+钻铤钻铤+