造斜点和造斜率计算

1、第二章造斜点选择及造斜率计算第一节造斜点选择在定向井设计与施工中，造斜点的选择很重要，其具体选择遵循如下原则： 造斜点应选在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带，漏失地层，流砂层或容易坍塌等复杂地层定向造斜，以免出现井下复杂情况，影响定向施工。 应选在可钻性较均匀的地层，避免在硬夹层定向造斜。 造斜点的深度应根据设计井的垂直井深，水平位移和选用的剖面类型决定，并要考虑满足采油工艺的需要。如：设计垂深大、位移小的定向井，应采用深层定向造斜，以简化井身结构和强化直井段钻井措施，加快钻井速度。对于设计垂深小，位移大的定向井，则应提高造斜点的位置，在浅层定向造斜，这样既可减少定向施工的工作量，又可满足大水

2、平位移的要求。 在井眼方位漂移严重的地层钻定向井，造斜点位置选择应尽可能使斜井段避开方位自然漂移大的地层或利用井眼方位漂移的规律钻达目标点。 造斜点高使得定向容易（起下钻和测量快，容易定准，进尺快，动力钻具工作时间短）；上部地层软，形成的键槽软，易破坏掉；用较小的井斜获得的位移大。其缺点是轨迹控制井段变长，后面井段长，钻具重，更容易形成键槽。通常达到稳斜段后、下一层技套封固造斜段可避免键槽带来的麻烦。 造斜点低则定向困难，需要的造斜率和最大井斜相对要大。但需要控制的井段大大缩短，为了准确，往往采用随钻测量工具定向。高造斜点选用高造斜率是十分危险的。它形成的狗腿角大，很容易在下部（长井段）钻具重

3、量作用下形成严重的键槽，造成卡钻。相反，为了减少轨迹控制的工作量，提高定向井钻井速度，在位移条件允许情况下，可采用低造斜点高造斜率施工，全井的摩阻也会因斜井段短而变小。同样，需要随钻测量手段保证定向的准确。第二节短弯外壳导向钻具的造斜率计算根据短弯外壳导向钻具在井眼中的造斜特性，推导了导向钻具组合造斜率的计算公式，方法是精确的，没有做近似处理。这种方法还能考虑近钻头扶正嚣的欠尺寸影响，可对在井眼轨迹控制中使用的单弯和双弯导向钻具组合进行预测计算。这种方法易编成计算机程序，在现场使用。在大斜度井和水平井的钻井中，越来越多地用到了短弯外壳导向动力钻具。短弯外壳导向力钻具组合都带有一个短外壳的马达，

4、由于弯接头以下部分的长度较短,使这类钻具组合能钻出较大曲率的井眼，而又能在井眼中顺利通过。一般认为平衡曲率或极限曲率是钻具组合的造/降斜率。钻具组合的平衡曲率是钻头侧力等于零时的井眼曲率。当短弯外壳导向动力钻具组合的钻头侧向力等于零时，这种钻具组合能基本上保持其刚性形状，所以它的几何形状能基本上决定它的造斜率。这就是在计算短弯外壳导向动力钻具组合的造斜率时，区别于一般转盘钻井钻具组合的地方。后者在钻压、自重和钻井液等载荷的作用下要发生变形，需要根据受力与变形分析来确定平衡曲率（或极限曲）。1、三点定圆的解析解过三个非共线点(x1,x2),(x2,y2)，(x3,y3)的圆的方程是:2,2x +

5、yxy12,2xi 十yixiyi1_212,0x2+y2x2y2122x3+y3&y31为了方便，取其中的一点为原点，展开上式，则:x2x3y2y3(x22y2)-x2x32y22y3y2y32x22x32y22y3x2x3X2x3y2y3x2y2A1x旦yDDB1=x2+x2+2y22y3又2x3(D(2)(3)(4)众所周知，对于圆，x2+y2+Ax+By+C=0的半径是R=(A2+B2-4C)/4,将（4）式中的系数代入，则R=（A2+B：）/4D2,该圆的曲率是:,57.2957830k二=57.29578302DA2B12(/30m)(5)2、导向动力钻具“三点公式”的推证对于单弯

6、双稳定器导向钻具组合，国外文献认为上稳定器、弯点和钻头三点决定钻出的圆弧。根据本文提出的解析方法，可以求出这个导向钻具圆弧曲率精确表达式。如图1,取上稳定器为坐标原点，分别得出上稳定器、弯点和钻头三个点的坐标为(0,0),(0,L2),(LiSina,L2+LiCOSa)将三个点的坐标代入(3)式得:2.D=-LUsin二Ai=-(LiL2cos)LiL2,Bi=LiL2Sin.i将D、Ai、Bi的表达式代入(3)式得：(6)2sin;(L2L：2LiL2cos：)i/2当ot较小时，sina,cosa电i,则k=2ct/(L1+L2),这就是“三点公式”推证过程说明，它是一个近似式，准确表达

7、式是(6)式。3、各种单弯钻具造斜率的计算3.i单弯双稳定器导向钻具组合单弯双稳定器导向钻具组合(图i)是现场用得较多的一种钻具组合，一般用“三点公式”进行计算。在这个公式中，由钻头、弯点和上稳定器三点来确定钻出井眼曲率，(6)式是这个圆弧曲率的精确表达式。但是，在这个公式中没有用到L。，这是“三点公式”不合理的地方，因普遍认为Lo是影响钻具组合造斜率的重要参数。仔细研究一下，这个公式取弯点作为决定圆弧的三点之一是不合理的，因为弯点不一定处于井眼中心线上，它可以和下井壁接触，也可以和上井壁接触。所以，选下稳定器取代三点中的弯点是合理的。选定上、下稳定器和钻头作为确定圆弧的三个点之后，选上稳定器

8、为坐标原点，确定两个稳定器及钻头三点的坐标为：(xi=0,yi=0)X2=(L-L0)sina,y2=L2+(L|-L0)cos口】，(7)(X3=Lisina,y=L3+Lcos)图i单弯双稳定器导向钻具组合图2单弯双稳定器导向钻具组合下稳定器是短弯外壳本体上的欠尺寸稳定器，和井壁之间有间隙。为了考虑这个间隙的影响，将(7)式中稳定器2的坐标修改为：x2=(L1-L0)sinot-dcosa20(8)x3=L2+(L1-L0)cosct+5sina其中a是下稳定器与井壁的间隙。如果使用“三点公式”，则k=8.880/30m,比例1中计算的结果大31.75%。可以看出，“三点公式”的结果偏高不

9、少。图2是单弯双稳定器导向钻具的造斜率随弯角的变化曲线。图中间隙是指下稳定器与井壁的间隙，间隙1mmffi间隙0mmi勺两根线基本平行，说明下稳定器与井壁的间隙对钻具造斜率的影响不随弯角大小而变化。间隙1mm寸钻具的造斜率大于无间隙时钻具的造斜率，所以将下稳定器设计成欠尺寸的，有利于提高钻具组合的造斜率。还可以看出，随着弯角的增大，“三点公式”的计算结果和本文前计算结果相差越来越大。双弯不带稳定器的导向钻具组合双弯不带稳定器的导向钻具组合钻出的井眼曲率由弯点1、2和钻头底侧3确定(图3),这与有关文献中的假设是不一样的。有的文献假设两个弯点和钻头中心确定了钻出的圆孤，这样就忽略了井眼间隙的影响

10、。从井眼的实际情况来看，这种不带稳定器的钻具组合，其造斜率受到钻具与井壁间隙的影响。图3双弯不带稳定器的导向钻具组合取上弯点1为原点，则弯点2和钻头底侧3的坐标可以写为:(Xi=0,yi=0)X2=L2sina,y2=L2cosaX3=Lzsin工;Lisin(:工一l：1)一cos(二一旦)ylL2cos：sLicos(：)-、sin(:工，；)同向双弯无稳定器导向钻具组合同向双弯带双稳定器的导向钻具组合的结构如图4,上、下稳定器1、2和钻头3决定钻出的井眼曲率。取上稳定器1为原点，则图4同向双弯无稳定器导向钻具(Xi=0,yi=0)“(I0)x2=L2sin+(L|-Lo)sin(a+P)

11、y2=L2cos+(LI-Lo)cos(a+B)十L3x3=L2sina+L|sin(a+P)y3=L2cos，cosaI)L3如果考虑下稳定器与井壁间隙的影响，则将2点的坐标修口(ii)x2=L2sin(Li-Lo)sin(-：),-1)-、cos(-：；)y2=L2cos工(Li-Lo)cos(,工I)L3-sin(工、l)其中6是下稳定嚣与井壁的间隙。异向双弯带双稳定器导向钻具组合异向双弯带双稳定器的导向钻具组合，同样是由上、下稳定器I、2和钻头3决定钻出的井眼曲率，如图5。取上稳定器I为坐标原点，则(Xi=0,yi=0)x2=-L2sino(+(L1-Lo)sin(P-a)y2=L2c

12、osot+(L1Lo)cos(a+P)+L3(12)x3=-L2sina+L|sin(P-a)y3=L2cos二二L1cosc；)L3如果考虑下稳定器与井壁间隙的影响，则将2点的坐标修改为：x2=-L2sina+(L1-Lo)sin(P-a)-dcos(P-a)、rjALB)y2:L2cos：-(L1Lo)cos(-)L3-，)sin(-)|其中6是下稳定器与井壁的间隙。4、工具造斜能力的预测方法对工具造斜能力的预测是工具设计或选型的首要问题，也是大斜度井井眼轨道控制的关键之一，在有多靶区造斜段的井身中，由于井斜增加快，设计井段短，如果发现因工具造斜率不准而造成实钻轨道严重偏离设计轨道，那么往

13、往没有足够的井段作为调整和校正的余地。尤其是在多靶区井段只有一段造斜段的多目标井，可能会因工具造斜率的误差而不能使轨道击中目标窗口。国外文献中多以“三点定园法，来预测导向钻具组合的造斜率。严格来说，这种仅凭导向钻具上三点(钻头、下稳定器和上稳定器)问的几何关系来计算造斜率的方法是值得商榷的。一方面，它未考虑地层特性、井眼几何条件和工艺参数的影响；另一方面，对于钻具本身的重要结构参数(如稳定器直径、钻具组合的刚度等)的影响也未加以考虑。重要的是，由三点定园法可以得出“近钻头稳定器离钻头越远造斜率越高”的结论，这明显与实际情况相悖。通过现场实验证明运用此法预测工具造斜率误差较大。再者，对于不带稳定

14、器的单弯动力钻具，三点定圆法因找不到“三点”而无法计算造斜率。结构参数中下稳定器离钻头愈近，其钻头侧向力愈大，相应造斜率愈高，增大结构弯角可显著提高造斜力和造斜率。另外，下稳定器的磨损会明显降低侧向力和造斜率。减小上稳定器外径会使侧向力和造斜率略有增加，钻头侧向力对钻压不敏感。但是，由于地层与钻压成正比，钻压的变化还影响机械钻速与侧向切削效果，因此钻压仍是影响造斜率的重要因素。由于钻压可以人为调节，所以它是钻井过程中调节造斜率的关键因素。由理论分析得出的另一条重要结论是：工具的极限曲率对井斜角很不敏感，亦即当井斜角变化很大时，工具的极限曲率相对变化较小，进而言之，工具的平均造斜能力几乎不受井斜角的影响，无论是在初始定向阶段，还是在大斜度井段，工具都能以比较固定的造斜率进行造斜。这就是导向钻具可以连续造斜、保持井眼均匀园滑的原因。这一结论对工具设计和井眼轨道控制具有重要意义在选择工具造斜率时，重点要考虑：工具的平均造斜率要略大于井眼轨道的设计增斜率，尽管工具的造斜能力是经过精心设计的，对造斜工具选用前要进行定量预测，但由于地层因素等方面的原因，总会使理论造斜率和实际造斜率之间存在误差。即便是同一个工具，在不同地区钻井其造斜率也不会完全相同。为了便于控