井斜及其控制.doc

井斜及其控制目录前言1第一节 井斜的原因5第二节 钟摆钻具控制井斜技术16第三节 刚性满眼法控制井斜的技术25井斜及其控制前言 在钻井工作中不但要求速度快，而且要求质量好。井身质量的好坏是油气井完井质量的前提和基础，它直接关系到油、气田的勘探和开发工作。如果井眼斜度（井斜）过大，会使井眼偏离设计井位，将打乱油气田开发的布井方案。对于勘探工作来说，井斜大了，会使井深发生误差，使所得的地质资料不真实。并由于井底远离设计井位，会错过油气层，造成勘探工作的失误，这对于断块小油田显得格外重要。井打斜了，给钻井工作本身也增加不少困难，甚至造成严重事故。在斜井内，钻柱易靠在井壁的一侧，旋转时发生严重摩擦，在井斜突变井段钻柱发生弯曲，易使钻柱磨损和折断，也可能造成井壁坍塌及键槽卡钻等事故。一旦我们疏忽大意，井斜过大而超过要求时，就被迫中途填井纠斜，将造成很大浪费，并会推迟完井时间。井斜大了，会直接影响固井质量。首先是造成下套管困难，同时套管下入后不易居中，这往往是造成固井窜槽、管外冒油冒气的原因之一。对采油工作来说，井斜过大会直接影响井下的分层开采、注水工作的正常进行（如下封隔器困难，封隔器密封不好等），对抽油井也常引起油管和抽油杆的磨损和折断，甚至造成严重的井下事故。所以，井斜过大对油气田的勘探和开发都有很大危害。如何控制井斜是钻井工作的一个重要课题。我们要控制井斜，首先必须知道井斜是由哪些因素决定的（详见第七章定向钻井所述）。一般说来，井斜可由井斜角，方位角，井底位移，井斜变化率等因素来衡量。所谓井斜，即是一口井偏离了铅直线，如图6-1所示。（1）井斜角（ho1e deviation ang1e）井斜角是指井眼轴线的切线与铅直线之间的夹角，一般以“”表示（图6-1中的角为a点的井斜角）。（2）方位角（directiona1 ang1e of def1ection）方位角是表示井眼偏斜的方向，它是指井眼轴线的切线在水平面投影的方向与正北方向之间的夹角，一般以“”表示。方位角是以正北方向开始，按顺时针方向计算的（图6-1中的角为a点的方位角）。一般清况下，井眼铀线每一点的井斜角和方位角都在不断地变化，一口井的井眼轴线都是一条不规则的扭曲的空间曲线。井眼轴线上任一点的井斜角和方位角都可通过电测得到。因此我们可以根据一口井各个测点资料，从井口到井底把井眼轴线绘制出来（具体方法详见第七章定向钻井）。（3）井底水平位移（horizontal departure）井底水平位移麦示井底在水平面上偏离原井口的大小，它是指完钻井底与井口在水平面上投影之间的直线距离（图6-1中的ob距离）。一般来说，对于浅井或中深井，为了控制井斜，常给定一个全井的最大井斜角（如3度或5度）和全井最大水平位移（如30米或50米）来作为井身质量的标准。但对深井或超深井来说，上述井斜标准就显得不那么合理了。钻井实践说明，上述井斜标准主要意义在于使完井后井底位移不致过大，以满足地质开发上的最低要求。事实上，常常引起事故或复杂情况的原因是井斜变化过大，而不是由于井斜本身大小所致。因此在深井钻进时，应使井斜的变化尽量缓慢，钻出的井眼应无井斜角或方位角的突然变化（这种变化现场称为“狗腿”）。因此，必须用一个井斜变化率指标来衡量井斜变化的大小，以便控制井斜。（4）井斜变化率（rate of deviation change）它是指单位长度（一般取30米或100米）内井斜角的变化值，而单位长度内方位角变化值则称为方位变化率。上面谈到井斜是影响井身质量的重要因素，因此为了快速优质安全地完成钻井任务，确保井身质量，必须对控制井斜提出适当的要求，即井斜标准。由于控制井斜在技术上是一项异常复杂的问题，故制定井斜标准也是一件困难的工作，需要通过实践不断总结、改进和完善。国外主要以限制井眼曲率作为井斜标准。美国学者lubinski l961年发表论文1提出，最大允许的井眼曲率应以下述三个数值中最小的一个数值为准：（1）钻杆不发生疲劳损坏；（2）钻铤丝扣处不发生疲劳损坏；（3）钻杆与井壁之间的作用力不应大于8896.6牛（2000磅）。经过数学推导，分别给出了三种情况下确定最大允许井眼曲率的计算公式，制作了便于查用的图表。国外有的提出最大井眼曲率一般定为1.5330米。现在对此标准又有放宽的趋势。 我国对井斜标准的规定，主要是限制井眼曲率为3100米。至于对井斜角的规定，要根据各地区的具体情况而定。目前是两个标准并提（即对井斜角有一定限制，而且又对井眼曲率有一定要求）。以胜利油田为例，除井斜角、井眼曲率外，还提出了水平位移的限制。详见表6-1。 四川石油管理局的井斜标准如下：防斜和控制井斜技术的理论研究很早就为钻井学术界所重视，并列为重要的研究内容。早在50年代，以美国学者lubinski和woods等人为代表1首先研究了光钻铤在钻压作用下的弯曲问题，探索了弯曲规律，导出了有关计算模式，在防斜问题的理论研究方面作了开创性的工作。在此理论的基础上提出了在钻铤适当部位加一个稳定器来防斜（即钟摆钻具），并编制了一整套实用图表来计算稳定器的安置位置，为以后钟摆钻具防斜技术提供了理论依据。60年代是以hoch14为代表，根据钻柱在井内受到钻压的纵向作用，弯曲后因井壁的限制而受到井壁的反作用力，实际上是下部钻柱看成是纵横联合载荷的梁，以此为依据提出了双稳定器防斜钻具的理论，这是以后满眼钻具发展的基础之一，在hoch理论指导下，60年代广泛使用了满眼钻具，以后又出现了在钻头上又加了一个近钻头稳定器，即至少有三个稳定器的钻具组合。在“满眼”思想指导下，又出现了“方钻铤”、“螺旋钻铤”防斜，可以说满眼钻具的出现，使钻井的防斜问题取得了很大的进展。1973年美国学者walker18提出了用小势能法求解下部钻具的受力和变形，amoco公司millheim，和warren19首先用有限元法求解钻柱下部结构的受力和变形，shell公司的fischer和brad1y使用差分法求解下部钻柱的受力和变形。以上三家研究的共同特点是，所提供的模式都能解出钻头上所受的侧向力和钻柱与井壁的切点上所受的力，计算程序都相当复杂，需要大型计算机，另外，由于力学模型过于简化，计算结果与实际都存有一定差距。lubinski在1983年曾来华讲学，系统介绍了70年代以来的研究成果，修正了过去研究中的不妥之处，并在过去研究的基础上，仍然用解微分方程的方法进一步求解多稳定器钻具组合的受力和变形，编制了计算机程序。70年代以来，研究中的一个重要特点是把地层造斜的因素考虑进去，并用某个数学模式来表示。lubinski首先提出了“地层各向异性指数”的概念，石油工业出版社80年出版的美国钻井手册20中把地层的造斜能力分为21个等级（a、b、t、u），并列表给出了不同地层倾角、不同井斜角、不同钻具组合和不同地层等级下应该使用的钻压值。我国60年代以前基本是引用外国的理论和方法。进入70年代逐步开展了对防斜理论的研究，首先是西南石油学院唐俊才等人24，深入研究了hoch的防斜理论，指出了公式推导中的错误，并提出了修正公式。70年代未，白家祉教授提出用纵横弯曲连续梁理论解下部钻柱的受力和变形22，并提出一种柔性钟摆钻具，这在防斜技术上开辟了一条新路子。白教授在最近几年又分别用有限元法，最小势能法求解下部钻柱的受力和变形，并将求解结果与用纵横弯曲连续理论进行对比，得出了三个方法的结果基本上一致的结论。四川钻采工艺研究所杨勋尧在最近几年，对钟摆钻具、满眼钻具都进行了研究17、23，得出了简化的公式和图表，并在川东现场上指导钻井实践，取得了较好的防斜效果。另外，白、杨二人对地层造斜力也进行了一定的研究。第一节 井斜的原因钻井实践表明，影响井斜的原因是多方面的，如地质条件，钻具结构，钻进技术措施，操作技术，以及设备安装质量等。归纳起来，造成井斜的主要原因不外乎：第一，从客观上来说，由于所钻地层的倾斜和非均质性使钻头受力不平衡而造成井斜；第二，从技术上来说，下部钻具的工作状态对井斜的影响很大，当下部钻具受压发生弯曲就会使钻头偏斜导致井斜；第三，从主观上来说就是操作是否合理。即使有性能良好的防斜钻具，也会因操作不当而造成井斜。一、地质条件23地质条件是产生井斜的重要原因。一般影响井斜的地质因素有：地层倾角（dip ang1e of bedding）；层状结构；各向异性；岩性软、硬交替以及断层等。但其中起主要作用的是地层倾角，其他诸因素对井斜的作用都与地层倾角紧密相连。在有些地区观察到以下现象：当地层倾角小于45时，井眼一般沿上倾方向偏斜；当地层倾角大于60时，井眼将顺着地层面下滑发生偏斜；而在45至60之间是不稳定区，即有时向上倾斜有时向下倾斜，这个不稳定区的范围是随各地区地层条件而不同。以下我们分析在地层有倾角情况下影响井斜的地层因素。（一）层状地层（laminar formation）对井斜的影响2有些地区井斜问题多发生在如页岩、砂岩等层状地层中，而较少发生在如石灰岩等均质地层中。例如，渤海湾地区沙河街厚页岩及五七油田荆河镇中下部及潜一段等都是成层性很强的薄层页岩，很容易引起井斜。如图6-2所示，当钻头在倾斜的层状地层中钻进时，当钻至每个层面交界处时，此处岩层不能长时间支持所加的钻压而趋向沿垂直层面发生破碎。在井眼上倾一侧的小斜台很容易钻掉。相反，在井眼下倾一侧却残留一个小斜台；它就象小变向器作用一样，对钻头施加一个横向力，把钻头推向上倾（updip）的一侧，从而引起井斜。这样，当钻头逐层钻进时，将使井斜不断增大，但最大也只能等于地层倾角。当使用的钻压增大时，破碎将更加厉害，在每一层中形成更大的小斜台，从而引起更大的横向力，使井斜增长更快，所以，地层倾角越大，成层性越强，钻压越大，则井斜也就越大。这种作用除造成井斜之外，而且会减少井眼的有效尺寸，可能引起以后其他事故的发生。（二）地层各向异性（anisotropy of formations）对井斜的影响3从生产实践和实验室的研究得知，由于岩层的成层状况、层理、节理、纹理以及岩石的成分、结构、胶结物、颗粒大小等因素造成岩层在不同方向上的强度不同，一般来说垂直地层层面的强度较小，钻进时钻头将沿着这个破碎阻力最小的方向倾斜。图6-3表示钻头在不同方向上的破碎速度（即可钻性）不同。图6-3（a）中，1、2、3三个方向上的速度是vt1vt2vt3。由于地层水平，井眼不发生倾斜。图6-3（b）中，地层倾斜，钻头趋向于垂直地层层面方向偏斜。图6-3（c）中，地层呈垂直状态，由于垂直于层面的强度小，所以井壁岩石易破碎，钻头稳定性差，钻进时容易井斜，且方位不稳定。鲁宾斯基1用岩石各向异性指数h来表示地层平行和垂直层面方向上岩石可钻性差异的程度，如设s1，s2分别表示平行和垂直层面方向上的岩石可钻性，则按照一般定义，岩石的各向异性指数h可写为：式中，h为平行和垂直层面方向岩石可钻性的比值。 各向异性指数h反映了地层两个方向上可钻性差异的程度。如设h0.1，即意味着平行于层面方向的可钻性比垂直层面方向的可钻性低10%，这时h等于0.9意即s1只为s2的90%。鲁宾斯基使h值与地层造斜性联系并对应起来，地层造斜性分为由a到u共21级，每级相应的h值如表6-3所列。为了适用于电子计算机，又提出一种由0到100的新的地层分级方法。三种方法相对应的关系数据如表6-3所列21。（三）岩性交替变化（岩性软硬交错）对井斜的影响当钻头从软地层进入硬地层时，如图6-4（a）所示。钻头在a侧接触到硬岩石，而在b侧还是软岩石。这样在钻压作用下，由于a侧岩石的硬度大，可钻性小，钻头刀刃吃入地层少，钻速慢；而在b侧岩石的硬度小，可钻性大，钻头刀刃吃入地层多，钻速快，这样钻出井眼自然会偏斜。另外，由于钻头两侧受力不均，在a侧的井底反力的合力比b侧大，将产生一个弯矩m，扭转钻头，使其沿着地层上倾方向发生倾斜。 当钻头由硬地层进入软地层时，如图6-4（b）所示，开始时由于地层在软地层一侧吃入多，钻速快，而在硬地层一侧吃入少，钻速慢，井眼有向地层下倾方向倾斜的趋势。但当钻头快钻出硬地层时，此处岩石不能再支承钻头的重负荷，岩石将沿着垂直于层面方向发生破碎，在硬地层一侧留下一个台肩，迫使钻头回到地层上倾方向。所以钻头由硬地层进入软地层也有可能仍然向地层上倾方向发生倾斜。 此外，断层（fault）也常常会引起井斜。这是由于多数断层在发生错动时，往往不是沿一个面，而是沿着一个破碎带。很明显，由于破碎带的岩石疏松，当钻头进入破碎带时形成受力不均，工作不稳定，也容易产生井斜。总的来说，由于地质条件的影响，地层将作用于钻头一个横向造斜力，使钻头偏离原来的井眼轴线，一般情况下是使井眼向地层上倾方向发生偏斜。另外，地层倾角越大，则其造斜力越强。若单从地层因素来考虑，井斜角最大也不会超过地层倾角。所以，地质条件仅是影响井斜的原因之一。还需指出，通常地质上讲的地层倾角是就整个地质构造而言的。而从实际观察岩心时发现，岩石层面的交角往往比地层倾角大得多（如图6-5所示）。这和古地理的地面情况及沉积时的许多情况有关。所以，有时地层倾角虽然很小，但由于层面交角大，也会引起井斜。（四）地层造斜力的计算模式国内外学者为了比较科学定量地描述地层因素对井斜的影响，曾试图用一地层造斜力ff，来综合反映这一因素的大小。根据地层各向异性理论，利用各向异性指数h的概念和井斜是钻头前进的轨迹偏离原来井眼轴线方向的基本定义，可以推导出地层造斜力ff的计算式（详见附录）式中，1是地层倾角，为井斜角，p为钻压，而k就是反映地层造斜能力大小的综合造斜系数，它取决于地层的各向异性指数h和地层相对于井底平面的倾斜角，即相对地层倾角（1-），k和h成正比；而k和相对地层倾角（1-）成正弦函数关系（图6-6）。从图中可看出，当（1-） 45时k有极大值。从式（6-1）可知，地层造斜力ff和钻压成正比，当=1时，地层造斜力为0值；1时，地层力实际为降斜力。二、下部钻柱弯曲对井斜的影响 1（effect of dri1l string bucking on hole deviation）在钻进时，是靠下放部分钻柱的重量给钻头形成钻压。当钻压较小时，下部钻柱保持直线稳定状态，当钻压增至某一临界钻压时，则下部钻柱丧失稳定而发生弯曲（如图6-7所示）。钻头及其相邻连接部分钻柱的中心线偏离井眼轴线，而使钻头偏离一个角度，称为钻头倾斜角（inc1ination of the bit）。钻头倾斜后，对井底形成了不对称切削，这是产生井斜重要因素。显然，钻头倾斜角越大，井斜也越大。下部钻柱弯曲后，如图6-7所示，o点是钻柱的底端（即钻头），n1点是中性截面位置，on1段是受压段，t1点是钻柱与井壁的接触点，称为捌点（point of tangency）。钻柱弯曲形状和变化规律是根据模拟实验和理论分析得来的。由于钻柱在井下的工作条件比较复杂，所以在进行理论分析和数学计算时，有必要作出以下假设1：（1）下部钻柱内外都是等直径的光平管柱，钻柱两端为铰链约束；（2）造成下部钻柱弯曲的原因主要是井下钻柱在泥浆中的自重使下部钻柱受轴向压力所造成，而不考虑井壁及泥浆对钻柱的摩擦力以及泥浆循环时钻柱内外压差等因素对钻柱弯曲的影响；（3）不考虑钻井时扭矩对钻柱的影响，钻柱呈平面弯曲状态，同时假设钻柱是柔性体，绕自身轴线自转，离心力的合力为零。图6-8为计算示意图。作用在钻柱上的外力有：吊卡对钻柱的向上拉力w1；井底反力的垂直分力w2，称为“钻压”；井底反力的水平分力f2；转盘方卡瓦的水平分力f1；当钻柱弯曲时井壁对钻柱的反力f。此外还有图中未绘出的另两个力，一个是钻柱的重量，是垂直向下的力，另一个是泥浆对钻柱的浮力，是垂直向上的力。此计算示意图的主要特点是考虑了井底的水平反力，并认为两端全是铰链；而在一般弹性理论问题中，仅考虑垂直反力，且上端为自由竖立的长杆。虽然问题比较复杂，但比较接近钻柱的实际情况。根据上述条件推出的弯曲钻柱微分方程为： 此方程式的求解比较复杂，可以通过运用幂级数和贝塞尔函数来求出方程式的近似解，或者用电子计算机求解。最后可以得出钻柱弯曲的临界钻压值，切点位置，钻头倾角及弯矩等。当下部钻柱发生弯曲时，中性截面n1距0点的距离l（见图6-7），近似等于受压部分长度on1为从上式中可以看出，钻柱发生弯曲的受压部分长度是钻柱刚度和在泥浆中单位长度函数，即取决于ejz和qm的数值。而这些数值是和钻柱的材料、截面形状、尺寸以及井内泥浆比重等有关。为一便于计算，使所得结果和钻杆、钻铤及泥浆等的类型有关，我们用微分方程中定义的无因次单位m来表示钻柱的长度。根据量纲分析，m的量纲应该是长度的一次幂。一般我们把m称做一个无因次单位的长度。这样，发生弯曲时钻柱受压部分长度即可方便地用下式表示：发生弯曲时的临界钻压p为常用钻铤、钻杆的临界钻压值列于表6-4中。 钻柱弯曲时的钻头倾斜角为 从以上分析中可看出，钻柱弯曲对井斜的影响有以下两点：（1）当钻压小于发生弯曲的临界钻压时，钻柱是直的，钻头无倾斜现象。当钻压达到弯曲的临界钻压时，钻柱发生弯曲，产生钻头倾斜角。如果钻压继续增大，则切点随之下降，钻头倾斜角也随之加大。（2）当钻头直径一定时，井径越大，钻铤越细，则钻铤与井眼的间隙越大（即r越大），因而钻头倾斜角越大，井越容易钻斜。所以为了防斜应使钻头倾斜角尽量小，宜选用直径大、刚性大的钻铤，并尽可能减小下部钻柱与井眼的间隙。三、斜井内钻柱的受力分析56以上我们分析了产生井斜的主观因素（下部钻柱弯曲等技术条件）和客观条件（地质因素），这只是研究了直井内的情况。但是在斜井内（这是一般情况）井眼的斜度是增大还是减小或是保持某个平衡角度，就取决于钻头的受力情况。我们在研究钻头受力情况时作以下假定9：（1）钻头可象球窝节一样自由转动，但其横向运动受到约束。（2）钻铤稳定地靠在井壁的低边。（3）钻头由于受力情况不同，可自由地向任一方向切割。图6-9为一斜井，井斜角为，钻铤靠在井壁低边，并在切点t处与井壁接触。显然，作用在钻头的力有（一）钻压（bit weight）由于钻铤弯曲，钻压不是沿井眼轴线方向施加给钻头，而是偏离一个角度此时钻压可分解为与井眼轴线相平行的力p0和与井眼轴线相垂直的力fj它对井斜没有什么影响，而是使井眼沿着原井眼轴线的方向继续向下钻进。fj将使钻头偏离井眼轴线，造成井斜，为一增斜力。（二）钟摆力（pendulum force）井眼偏斜后，在斜井内钻柱切点以下的重量w势必在垂直于井壁方向产生一个分力，此力与钟摆作用相似，将趋使钻头破碎井眼低侧岩石，使井眼恢复垂直状态，所以为一减斜力。作用在钻头上的减斜力fd近似等于10（三）地层造斜力ff（deflecting force of the formation）它取决于地层倾角和各向异性等因素。在多数情况下增斜，也可能为降斜（当钻水平地层时）。综合考虑上述诸力的作用，在钻头上作用一对相互矛盾着的力，即：造斜力 （6-10） 自然增斜时ff取正号，自然降斜时取负号。降斜力在这两种力的作用下，当造斜力f1等于降斜力fd时形成平衡状态，则保持已有井斜角。当造斜力f1大于降斜力fd时，井斜角将增大。与此同时降斜力也相应加大（因角增大），所以将达到一个大于的新的平衡角。当降斜力fd大于造斜力f1时，井斜角将减小，而达到一个小于的新的平衡角。在各向同性的地层中，井斜平衡角数值主要取决于三个因素：即钻压，钻铤尺寸和井眼尺寸6。 1钻压 加大钻压将加大钻头以上钻铤未受支撑部分的弯曲，使切点移向钻头。其结果是钻头倾斜角加大，增斜力fj增大，同时切点以下钻铤重量w减小，钟摆力也减小。因而，增大钻压会明显引起井斜的加大。 2钻铤尺寸和井眼尺寸（size of the ho1e and collars）这两个因素是通过它们之间的间隙值（c1earance）而互相关联着。现在考虑间隙为常数时，钻铤尺寸的影响。当钻压相同时，由于大钻铤的刚度大，不易弯曲，切点位置较高，因而钻头倾斜角小，可在一定程度上减小增斜力fj。更主要的是切点以下钻铤长度大些，加之大钻铤单位长度重量大，使钟摆力加大，从而可减小平衡角。另外，使用大尺寸钻铤，在保证同样井斜平衡角的条件下，可允许增加钻压，提高钻速。 在各向异性地层中，平衡角还取决于地层特性1。一般来说，地层特性可通过地层倾角和地层各向异性指数来表示。在各向异性地层中，由于垂直层面可钻性一般大于平行层面可钻性，因而钻头趋向于垂直地钻进地层，钻头常向上倾方向钻进。所以，在各向异性地层中，井眼偏斜可能比各向同性地层大些。 第二节 钟摆钻具控制井斜技术钟摆法的实质是通过使用专用的防斜钻具组合及相应的技术措施来增大钟摆减斜力，以平衡和克服促使井斜的地层力。属于这种方法的有：钟摆钻具、偏重钻铤和塔式钻铤。一、钟摆钻具的防斜原理及使用特点1（一）工作原理它是利用斜井内切点以下钻铤重量的横向分力把钻头推向井壁下方，以达到逐渐减小井斜的效果。这个横向分力的作用犹如钟摆一样，所以称它为“钟摆力”，运用这个原理组合的钻具称为钟摆钻具。图6-10为钟摆钻具（pendulum assemb1y）示意图。切点t以下钻铤长度（又称悬臂段）为l，在泥浆中单位长度钻铤的重量为qm，井斜角为，则钟摆力lqmsin作用在钻头上的减斜力lfd1/2lqmsin。从上式可看出，对一定斜度的井眼来说，井斜角是一定的，因此增大纠斜力的主要办法是增大切点以下钻铤的重量lqm，其办法有二。一个办法是使用大尺寸钻铤或加重钻铤（见图6-11）。在同一钻压下，不易被压弯，且切点位置高，因而切点以下钻铤长度l大，有利于增大减斜力。另一个办法是在此切点略高一些的位置上，安装一个稳定器，以提高切点位置，增大其下部钻铤的重量，使减斜作用增大（如图6-11所示）。除此之外，稳定器对其下部钻铤还起到扶正作用，因而可减小钻头倾斜角，限制增斜力的作用。当然，最理想的办法是大尺寸钻铤加稳定器，这样所组成的钟摆的长度大，重量也大，其减斜效果最好。 （二）稳定器安放位置（position of stabilizers）对钟摆钻具来说，稳定器的安放位置十分重要，它是这种钻具的技术关键。如果安放偏低则减斜力小，效果差；如果安放偏高，则稳定器以下钻铤可能与井壁形成新的切点，使钟摆钻具失效。稳定器安放的理想位置（ideal position of stabilizer）可以认为是在保证稳定器以下钻铤不与井壁接触的条件下尽量提高些，如图6-12所示。稳定器位置主要取决于钻铤尺寸，钻压大小和井眼斜度等。2当钻铤尺寸较大，在同一钻压下钻具发生弯曲后的切点位置比小尺寸钻铤要高一些，因此稳定器也应随之安放高一些，以增大钟摆减斜力。钻压对稳定器的位置影响很大。当钻压增大时（在同一弯曲状态时），切点下移，稳定器也应随之下移，否则会在稳定器以下形成切点，这就是常使钟摆钻具失效的原因之一。反之，钻压减小时，切点上移，稳定器也应上提，以发挥钟摆钻具的作用。井眼斜度也有影响，斜度大，在钻具自重作用下易与井壁接触，因而切点相对低些，稳定器位置也应随之下降些。另外，随着稳定器与井眼间隙增大，稳定器位置也要相应下移。这是因为在相同钻压下，间隙越大，稳定器的效果越差，若间隙过大时下部钻具也容易与井壁形成新的切点。通过计算机计算和钻井实践考察得知，稳定器的实际安放位置（practica1 position of stabilizer）应比理想位置高510%。稳定器理想位置的理论计算相当复杂和繁琐。一般我们都使用鲁宾斯基所作的一套图表来确定稳定器的位置，如图6-13、图6-14所示。图中的横坐标是 图中纵座标x1表示稳定器的理想位置，它是以多少个无因次单位长度m来表示的，不直接以多少米表示。图中各曲线的x2表示安放稳定器后的极限钻压，它是以多少个无因次单位重量mqm表示的，不以多少千牛表示。图中右角的s为稳定器的相对间隙 计算例题 试计算190牙轮钻头十146毫米（53/4”）钻铤+184稳定器的钟摆钻具的稳定器位置。已知最大允许井斜角为3，所用极限钻压为120千牛。 解(1）先计算横坐标数值查表6-4，146毫米（53/4”）钻铤的m17.5米 （2）计算极限钻压的无因次单位数x2。 （3）计算相对间隙s （4）计算稳定器的理想位置x1 （5）稳定器实际位置考虑比理想位置略高310%。所以稳定器实际位置为19.7320.67米。（三）钟摆钻具使用特点（1）钟摆钻具能比较成功地用于不易井斜地区（non-rocked hole country）。在使用大钻铤的条件下，能保证在较高钻压下钻出几乎垂直的井眼（不大于23）。与光钻铤相比，使用钟摆钻具可以增加钻压，而不会造成井斜的增大，在只能用轻压钻进的易斜地层，钻压可提高20%左右，而在可用重压钻进的平缓地层，钻压可提高50%左右。这种钻具在大庆油田得到广泛使用，称之为“标准钻具”所用结构如下。203刮刀钻头177毫米钻铤（1617米）十195稳定器十146毫米钻铤（1617米）+184稳定器+146毫米钻铤（1617米）+184稳定器十146毫米钻铤（4042米）114毫米钻杆。（2）钟摆钻具同时也是一个有力的纠斜工具，广泛应用于各油田实践中。例如，大庆油田所用钟摆纠斜钻具是：90钻头156毫米钻铤2根（13米）左右89毫米钻杆2根（13米左右）+188稳定器十144毫米钻杆。其工作原理是以稳定器为支点，中间的89毫米钻杆为支杆，146毫米钻铤就如一个重锤一样，在斜井内产生一个钟摆纠斜力，使井斜不断减小。（3）为了充分发挥钟摆钻具的作用，应尽可能采用大尺寸钻铤加稳定器，这样形成钟摆长而重，减斜效果好。由于稳定器的安放位置与钻压有直接的关系，所以在操作中应严格控制钻压，避免因加压过大使稳定器以下出现新的切点，致使钻摆作用失效。同时必须保证泥浆的排量和性能良好。防止钻头泥包。使钻头在钟摆力作用下能有效切削井壁低侧岩石，以纠直井眼。另外，使用钟摆钻具应和处理地层交界面、加强划眼结合起来。在非易斜地层采取常压快速钻进，而当钻遇易斜地层时减压划眼，这样也可以比较快地钻完一口井。（4）钟摆钻具的缺点是在直井内无防斜作用，它与光钻铤一样，由于刚度小，不能有效控制井斜变化率。在严重易斜地层中，这种钻具的纠斜力远远小于地层造斜力，甚至采用大尺寸钻铤时井斜角仍然达不到油田开发井网的要求，因此不得不使用低钻压，使钻井速度大为降低。因此为了满足易斜地区快速钻井的要求，还须使用其他类型的防斜钻具。二、偏重钻铤（unbalanced drill collars）的防斜原理及使用特点789偏重钻铤与钻摆钻具相似，也是以增大减斜力为原则来设计的。（一）工作原理偏重钻铤是在普通钻铤的一侧钻一排孔眼，造成一边重一边轻（如图6-15所示）。当钻具旋转时就产生一个朝向重边的离心力，且转速越高，离心力越大。钻具每转一圈就会有一次钟摆力和离心力的重合，这样对井壁产生较大的冲击纠斜力（图6-16），使井斜角减小。同时由于这种周期性的旋转不平衡性使下部钻柱发生强迫振动，这种弹性的横向振动大大提高了钻头切削井壁下侧的纠斜能力。此外，由于离心力的作用使偏重钻铤的重边在旋转时永远贴向井壁，这样就使下部钻柱具有公转的运动特性，从而消除了自转时对井斜的影响，这样就使得偏重钻铤在直井中更具有防斜作用，有关偏重钻铤的工作原理至今还没有完全统一的看法。但是从它的基本工作原理出发，偏重钻铤的关键在于产生一个比较大的离心力式中f离心力（或向心力）；m物体质量；r圆的半径；角速度。离心力与物体质量、圆半径以及角速度的平方成正比。所以为了发挥偏重钻铤的防斜作用宜采用高转数。同时，在组合钻具时，希望把重量差集中在钻具下部，尽量接近钻头，并使偏重钻铤减去部分的重量应位于距离轴线尽可能远的部位（使r加大），才能有效发挥作用，另外，钻铤重边和轻边的重量差不宜过大或过小，有的资料推荐为钻铤总重的0.55%，不能低于0.1%，也不能大于10%。实践说明，偏重钻铤不需要有多长，一般一根9米长的偏重钻铤就能起到良好的纠斜作用。（二）钻铤结构 大庆油田在易斜地区使用偏重钻铤已初见成效。在地层倾角达到30多度的几十口井上使用偏重钻铤进行了防斜和纠斜实验，井斜一般均在3以内，大庆所用偏重钻铤的结构尺寸见图6-15和表6-5。另外，在江汉油田和冷湖油田，偏重钻铤也取得较好效果。如冷湖油田所用偏重钻铤是用159毫米钻铤做成，长9米，钻眼103个，孔深平均18毫米，孔径60毫米，当转速为295转分时，离心力为2740牛，转速为210转分时离心力为1390牛，而当转速为66转分时，离心力只有140牛10。（三）使用特点（1）偏重钻铤是一种有效的防斜钻具，可用于易斜地区，并能使用较大钻压。无论是在开钻时就下井使用，或者在钻开易斜层之前下井使用，它都有良好防斜效果。它既可用于防斜，也可用于纠斜。当井斜角达到规定限度前，可用偏重钻铤在较高钻压下纠斜，而且效果很好。 （2）在钻定向井时，如需减斜或者要将井眼恢复垂直，使用偏重钻铤也很有效，而且还可以使用较大钻压。（3）这种钻具的结构简单，使用方便，一般在偏重钻铤之上接上普通钻铤即可，不需要安放稳定器，便于起下钻，时效也高。（4）偏重钻铤在井下工作安全可靠，不易产生井漏和卡钻的危险。例如，在易发生井滑地区，如果使用满眼钻具，则因环形间隙小，泵压高，容易引起井漏。但使用偏重钻铤时则不会出现这种危险。另外，使用偏重钻铤时，在井内不易发生卡钻或键槽等复杂情况。（5）在使用偏重钻铤时要特别注意防止泥包，以免影响防斜效果。三、塔式钻具（tapered drill collar string）的应用1012所谓塔式钻具就是在钻柱下部使用几段变径的钻铤，紧接钻头处的钻铤直径最大，往上直径递减，其形如塔一样，故取名为塔式钻具。这种钻具的特点是下部钻具的重量大，刚度大，重心低，与井眼的间隙小。这样，一方面能产生较大钟摆力来防止井斜，另一方面是稳定性好，有利于钻头的平稳工作。塔式钻具也是国内外比较广泛使用的一种防斜钻具。实践证明，塔式钻具钻出的井眼比较规则，井斜变化率不大。这种钻具对于井径易扩大的地层（如松软地层、盐岩层等）特别有效，因为在这类地层中由于井径扩大，使带稳定器的钻具（钟摆钻具、满眼钻具等）起不到扶正和填满的作用，防斜作用很差。例如冷湖油田某地区10，地层倾角大（一般为4752），地层破碎，井径严重扩大。用190196毫米钻头钻进，其平均井径达到250300毫米。过去用带稳定器钻具配合，井斜合格率只有25%，井斜大到1030。而当使用178155.6146毫米塔式钻具后，所钻的井都合格，有些井的井斜在3度以内。近年来我国深井和超深井也倾向于使用塔式钻具。如在四川龙女六千米超深井的311毫米井眼的井段使用228.6203.2l78毫米的塔式钻具效果良好。在3000米以内的井段最大为145，30004210米井段的井斜最大为1。 ）在国外使用塔式钻具的一个典型例子是美国白湖油田12曾在胶结性差的松软地层中使用塔式钻具，成功地钻出了一口3939米的井，该井无狗腿，最大井斜只有2度。这套塔式钻具是由18根不同尺寸的螺旋钻铤组成，共分三组，每组各有6根钻铤，钻具全重420千牛。最下部一根钻铤的直径为266.7毫米（钻头直径为311毫米），其重量为全部钻柱重量的1/12。其它每根钻铤的直径依次比其下一根递减6.35毫米。所用最大钻压为全部钻铤重量的75%。从以上分析可以看出，使用好塔式钻具的关键在于下部钻具的重量大、重心低。故底部钻铤应尽可能使用大钻铤，其直径最好相当于套管接箍外径，使其后套管易于下入。钻铤柱的重心要低于全部钻铤长度的1/3，所用钻压应控制在全部钻铤重量的7580%以内，以防止由于钻压过大使上部钻铤和钻杆严重弯曲而造成引起井斜的横向力。此外，在使用塔式钻具时，要注意由于环形间隙较小，循环泥浆时泵压高，转盘负荷可能增大，钻头易泥包以及在易坍塌地层易卡钻等问题。 第三节 刚性满眼法控制井斜的技术一、满眼钻具的工作原理满眼钻具一般是由几个外径与钻头直径相近的稳定器（35个）与一些外径较大的钻铤所组成。它的防斜原理基本上有两条。一是由于此种钻具比光钻铤的刚度大，并能填满井眼，因而在大钻压下不易弯曲，能保持钻具在井内居中，减小钻头倾斜角，所以能减小和限制由于钻柱弯曲产生的增斜力。二是在地层横向力的作用下，稳定器能支承在井壁上，限制钻头的横向移动，同时能在钻头处产生一个抵抗地层力的纠斜力。为了发挥满眼钻具的防斜作用，在钻具上至少要有三个稳定点，即除靠近钻头有一稳定器外，其上面应再安放两个稳定器才能保持有三点接触蟛壁。如果只有两点接触（如图6-17，a所示），钻具就能循沿一条曲线，不能保证井眼的直线性。如果有三点接触就不会发生这种情况（图6-17，b），而可以通过三点直线性来保持井眼的直线性和限制钻头的横向移动。 以下我们分三种情况来进一步说明满眼钻具的防斜原理。1在垂直或接近垂直井眼中钻具的防斜作用2当钻具在垂直或接近垂直的井眼中工作时，它的作用是保持井眼沿着铅直方向钻进，如图6-18所示。上稳定器能抵消由于其上钻具弯曲所产生的横向力，使其下钻具居中。中稳定器能抵消其上一根钻铤一旦弯曲所产生的横向力，并使其下部钻铤处于井眼中心，它也帮助下稳定器抵消地层横向力。下稳定器的作用自然是抵消地层横向力，限制钻头的横向移动。当地层横向力不大时，满眼钻具能保持刚直居中状态，使井眼沿着铅直方向钻进。2增斜时钻具的防斜作用2当钻遇使井斜增大的地层时，满眼钻具能有力地抵抗地层横向力，减少井斜的变化。在地层横向力的作用下，下扶正器和钻头靠向井壁高的一侧（图6-19），抵抗地层横向力，限制钻头的横向移动。同时，地层横向力势必要扭弯其上的短钻铤。由于短钻铤的刚度大，能有力地反抗此地层力的扭弯，这个反力将趋使钻头靠向井眼低的一侧，产生纠斜作用。中稳定器也帮助其下部钻具抵抗地层横向力。同时，在已斜井眼内，钻具还有一个纠斜作用，这是由于上稳定器以上的钻铤由于自重靠在井眼低的一边，并以上稳定器为支点将压力下传，作用于其下一根钻铤有一个弯矩，此弯矩使中稳定器靠向井眼高的一边，再以中稳定器为支点将力下传，使钻头趋向于井眼低的一边，也产生一个纠斜力。所以，满眼钻具在增斜地层中，能限制井斜增大速度，使井斜角缓慢地增大，可防止狗腿、键槽等现象的发生。3减斜时钻具的作用2如果井眼已发生偏斜，而地层力又使其趋向于恢复垂直状态，满眼钻具的作用是防止井斜角过快地减小。如图6-20所示，下、中稳定器将抵抗地层横向力，限制钻头向下侧移动。短钻铤也抵抗弯曲趋势，保持下稳定器趋向井眼高的一边。同时中稳定器以上钻铤所产生的弯矩，也将使中稳定器趋向井眼高的一边，帮助下稳定器抵抗地层横向力。所以钻具在减斜时能有力地抵抗地层减斜力，减少井眼的减斜率，使井眼不致产生狗腿、键槽等不良到象。总的来说，满眼钻具由于具有刚性大和填满井眼两个特点，在直井中当地层横向力不大时，能保持直眼钻进，在钻遇增斜或减斜地层时也能有力地控制井斜变化率，使井斜不致过快地增大或减小，不会形成狗腿或键槽等影响井身质量的隐患。二、满眼钻具的设计和计算”21114为了实现上述满眼钻具的防斜原理，要求我们能够设计出良好的满眼钻具组合，并配合一套有效的技术措施。这两方面是互相联系缺一不可的。在钻具设计方面，首先应提出合理的设计要求，再接数学方法进行具体的钻具结构计算。1满眼钻具的设计要求211很明显，如果钻具与井眼的间隙为零，钻具长度适当，刚度很大，且井壁支撑完全，井眼就不可能从原来的方向发生偏斜。然而，完全实现上述条件是不可能的。但在设计中我们应力求达到钻具的抗弯刚度最大，与井眼间隙尽可能小，有适当长度，并有足够支撑面，以便充分发挥满眼钻具的防斜效能。下面加以说明。最小间隙（minimum clearance）实际上，钻具与井壁之间总是有间隙存在的。这是因为钻头一般趋向于钻出稍大井眼；钻头直径公差多偏向正值；井壁受到泥浆的冲刷和冲浊；稳定器磨损后尺寸变小等。间隙大小对于满眼钻具极为重要，稳定器外径必须接近钻头的尺寸，以起到以满保直的作用。当间隙增大时，井斜变化率几乎以同一比例增长，所以必须尽可能保持最小间隙。同时在使用中必须注意稳定器外径的磨损情况。若磨损过大，将影响填满作用，防斜效果也将会显著下降。此外，由于离钻头越近，稳定器与井眼的间隙影响越大，所以要特别注意下稳定器与井眼的间隙。有资料认为，254毫米以下井眼的间隙值应为0.79毫米，254381毫米井眼的间隙为1.58毫米，而大于381毫米井眼可放宽到2.38毫米。适当长度（adequate assemb1y 1enngth）钻具长度与间隙有关，不能离开间隙来考虑长度，如果间隙为零且井壁支撑完全，则所用钻具结构的长度十倍于井眼直径就足够了。当间隙增大时，长度也应增加。由于实际上总是存在一定间隙，所以满眼钻具应有足够长度才能保证钻具在井内居中，使钻压沿着己钻成的井眼轴线加到钻头上。另外，如果钻具尺寸过短，特别是使用单个稳定器时，则稳定器将起支点作用，其上横向力象杠杆一样，把钻头推向一边，引起井斜的迅速变化。在井壁支撑能力正常的地层，满眼钻具长度建议为1827米13。足够的支撑（good wall support）当满足上述两个要求后还不能说钻具已填满井眼，当支撑面不够时，稳定器可能吃入地层，就会丧失填满的条件，使井眼同样发生偏斜。满眼钻具必须具有足够支撑面来接触井壁，借以找中钻铤，稳定钻头。钻具与井壁支撑面的大小应视地层情况而定，如果地层坚硬而均质，采用短窄支撑面或少数支撑点就可以了。但如果地层松软，将需要长刮刀稳定器或螺旋稳定器来加大支撑面，以防止稳定器吃入地层。如果地层易被冲蚀，引起井径扩大，就需要调整泥浆性能或控制环空上返速度。最大刚度（maximum stiffness）不管钻具长度怎样，一旦有间隙存在，任何钻具都会有某些弯曲了为了减少因弯曲而造成井斜变化率的加大，应尽量采用刚度大的钻具。从材料力学中我们知道钻铤刚度是随直径四次方增大的。如直径增大1倍，则刚度增大15倍。所以为了增大满眼钻具的刚度应尽可能选用能安全下井的大直径钻铤。同时为了得到刚度大的钻具配合，至少需要加三个稳定器。这样就使下部钻具至少有三个点与井壁接触，使钻具自由长主度减少，从而增大了钻具的刚度。2满眼钻具稳定器位置的计算17上面已经讲到满眼钻具至少要安放三个稳定器，这三个稳定器位置的高低直接关系到钻具的刚性大小，关系到能否有效限制钻头的横向位移。目前用于计算满眼钻具稳定器位置的方法仍然不够完善，还处于研究阶段，以下介绍杨勋尧所提出的计算方法。该法的基本观点认为，造成井斜的基本原因，一是由于下部钻具的弯曲和倾斜，使钻头中心线偏离了井眼轴线，则所钻成的新井眼轴线偏离原井眼轴线。钻头倾斜角度以表示；二是由于钻头上受到一个横向造斜力（来自地层造斜力，钻具的弹性力，钻压的分量，钻具的自重和钟摆力等），迫使钻头作横向切削，从而产生横向位移，即相当于给钻头附加个偏斜角。 这样，钻头倾斜角与钻头附加偏斜角之和，称为钻头综合偏斜角。即= +当为正值时，井眼增斜；当为负值时，井眼降斜；当=0时，钻头倾斜角与附加偏斜角相互抵消，并眼稳斜。在该法的钻具组合里，即分别对上述两个因素给予有效的控制，使和达到最小，这是该法计算的基本思想。a.近钻头稳定器的安放位置在杨勋尧满眼钻具组合设计中，一般在钻铤上装有34个稳定器。第一个稳定器，称为近钻头稳定器（near bit stabilizer）。安放位置是直接接在钻头上，它既可抗衡钻头上所承受的横向力，又可限制钻头对井壁的切削作用（即横向位移）（见图6-21）。即限制钻头附加偏斜角。b中稳定器理想位置的确定在近钻头稳定器上部适当位置安放另一个稳定器即中稳定器作支承，可以显著减小下部钻柱弯曲和钻头偏斜，为了控制井井眼曲率该稳定器的理想位置应满足在特定条件下使钻头偏斜角为最小。 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这一段钻铤的变形。这里不考虑近钻头稳定器对这段钻铤刚度的影响，仅把它当成一段等截面梁，其力学模型如图6-22所示。按照一般的处理方法，在图6=22所示的力学模型中，把钻头a处模拟为铰支；考虑到一般情况下中稳定器以上还要安放一个或两个稳定器以减轻中稳定器以上钻铤柱的弯曲及其对钻头偏斜的影响，同时也考虑稳定器的刚度以及它在满眼条件下的工作状态，因而把稳定器b处模拟为固定端。该力学模型实质上可看成为一个一端铰支而另一端固定的简单明纵横弯曲粱的模型