第2讲定向井水平井专用工具Word格式文档下载.docx
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1、稳定器的种类
按稳定器的结构可将稳定器分为以下几种类型:
螺旋稳定器、直条稳定器、无磁稳定器、可换片稳定器、滚子稳定器、偏心稳定器、近钻头稳定器(双母稳定器)等。
2、各种稳定器的特点:
(1)直条稳定器结构简单、起钻较容易,但是对井壁切削最严重,稳定效果不如螺旋稳定器好。
(2)螺旋稳定器稳定效果好,但起钻困难,易泥包。
(3)滚子稳定器扭矩最小,稳定效果好,方位不易右漂,但存在结构复杂、价格高、更换滚子困难等缺点。
(4)无磁稳定器用于无磁钻铤之间需要使用稳定器的情况下。
(5)近钻头稳定器(双母稳定器)直接接钻头,不需要配合接头,缩小了钻头到稳定器中点的距离。
3、稳定器的用途特点
井底钻具组合通过在不同部位接入稳定器,可以有效的改变钻具与井壁的触点,使得钻具成为增斜组合、稳斜组合、降斜组合等。
稳定器与钻具组成不同钻具组合用以完成各井段的施工,其基本工作原理在水平井中同样得到了充分利用,水平井稳定器应具有如下几个方面的特点:
(1)在大斜度或水平井段使用旋转方式钻进时必须具有更好的保径性能及耐磨性能。
(2)在大斜度或水平段使用时,要有利于传递钻压、减少摩阻。
(3)在钻具组合中能更好地起到单点支撑作用,有利于控制井身轨迹达到设计要求。
(4)在各类地层中都有良好的扶正效果,并使井径扩大率控制到最小。
(5)减少泥浆流动的环空阻力,保证井眼畅通,起下顺利。
(6)在测量对磁性干扰有特殊要求的场合,稳定器应采用无磁材料。
二、水平井稳定器的结构
稳定器在水平井中的作用效果与其本身的形状和外形尺寸有密切关系。
为了满足水平井钻井过程中增斜,稳斜或降斜等的需要,设计了短螺旋稳定器、球形稳定器,锥形稳定器、偏心稳定器和动力钻具稳定器。
1、PWZ锥形稳定器
PWZ型锥形稳定器主要用于近钻头的钻具扶正。
设计扶正翼较短、取三棱螺旋状结构,螺旋槽在转动时能使泥浆以较小的阻力流过,有利于清洗井壁,扶正翼与本体间以30°
倒角过渡,螺旋条凸起表面及倒角背锥加密镶装硬质合金以增加其耐磨性。
为在软地层中加强稳定效果并能有效地控制井径扩大率,螺旋体取圆锥外形增加了与井壁接触面积。
2、PWD型短螺旋稳定器
PWD型外螺旋稳定器为钻柱型稳定器,在钻具组合中通常加于PWZ之上,与一般螺旋稳定器相比,其主要特点是减少了扶正面积,可降低磨擦阻力,其他设计要求与PWZ基本相同。
3、PWQ球形稳定器
PWQ形稳定器表面设计近似球形,主要是为了减小磨阻,容易通过造斜井段。
在旋转钻井钻具组合中通常配接在PWD之上,用于稳直段;
有时,该稳定器也替代PWD与PWZ配合用于增斜或降斜。
4、PWL型动力钻具稳定器
PWL型动力钻具稳定器用于弯壳体动力钻具的近钻头扶正,主要作用为增斜。
基于减少磨阻和便于钻压传递的考虑,PWL型稳定器初始设计为五棱鼓形结构,由于在使用中发现扶正块正条翼间距较大,条翼凸部与动力钻具的背弯不易准确对正,难以实现与井壁稳定地支撑,而凸、凹部位做为支点所产生的造斜效果却相差较大,为此在设计上做了如下的改进:
将其中两扶正条间填平加工成一个宽条,其宽度约为原在单扶正条的3倍,宽块正条安装在动力钻具的背弯方向,在井内支撑于下井壁。
这一改进较好地解决了稳定扶正和有效控制造斜率的问题,在以后水平井的施工中得到了满意的效果。
5、PWP型偏心稳定器
PWP型偏心稳定器通常加接在紧靠在动力钻具的上面,有利于增强动力钻具的刚性,从而使造斜率均匀一致并保证方位稳定。
PWP偏心稳定器的加入可与动力钻具组配成更有利于造斜的钻具结构。
安装时应使其偏心距最大的部位与动力钻具弯向一致,使之与上井壁接触,从而迫使稳定器的背部成为钻具在下井壁的一个稳定支点。
PWP与近钻头稳定器相互作用,使动力钻具的倾斜、钻头偏移量和侧向力的方向都将更有利于井身轨迹沿增斜趋势延伸。
三、稳定器在定向井、水平井钻具组合中的作用原理
稳定器在钻具组合中的安放位置不同,钻具组合所表现的性质就不同,一般地将,近钻头稳定器离钻头越近,钻头的增斜力就越大,反之钻头的增斜力则越小。
对于用两只以上稳定器的钻具组合来讲,一号稳定器和二号稳定器之间的距离在有效范围内越大,钻头的增斜力越大,反之钻头的增斜力越小。
下边应用力学理论对稳定器的作用原理进行分析。
图5-1底部钻具组合示意图
基本假设如下:
a.井壁是刚性的;
b.稳定器与井壁之间无摩擦;
c.钻柱旋转无影响;
d.钻具组合中共有n个稳定器。
根据纵横连续梁理论,那么第i(i=1,2,…,n)个稳定器的三弯矩方程为:
式中:
Si-第i段钻柱的轴向力,N;
Mi-第i个稳定器处的钻柱内弯矩,N·
M
Ri-第i个稳定器处的井壁反力,N;
R0-钻头处的井壁反力,N
Qi-第i段钻柱的横向载荷,N/mIi-第i段钻柱的惯性矩,m4
E-钻柱的弹性模量,N/m2pi-第i段钻柱在空气中单位长度重量,N/m
pc-钢材密度,g/cm3pm-钻井液密度,g/cm3
α-井斜角,(°
)Δri-第i个稳定器与井壁之间的半径差值,m
yi-第i段钻柱的最大挠度,mθφ-钻头转角,rad
切点处的辅助方程:
第i个稳定器处的井壁反力:
由上述三式可以求得钻头处的侧向力Pc:
式中,,Di为稳定器的外径,Dh为井眼直径。
上式表明了稳定器的安放位置、外径对钻头的侧向力起重要作用。
当井径一定时,稳定器外径在有限范围内越大,钻头的增斜力越大。
安放位置离钻头越远,钻头增斜力越小。
四、稳定器在定向井、水平井轨迹控制中的应用实践
稳定器在钻具组合中的工作原理,早已在一般直井和定向井的钻井实践中得到了认识。
由于水平井和大位移井在世界各油田的普及与发展,使得人们对稳定器的工作原理及其作用下的造斜规律取得了更为深刻的认识。
虽然理论推导和公式计算与实际有一定差距,但也正确地反映了其作用规律。
结合多年来的钻井实践,通过对部分井使用情况的统计分析,可以看出稳定器在钻具组合中影响造斜性能的一般规律。
稳定器间距与造斜率的相关关系
类
别
井号
井段
(m)
钻压
(kN)
稳定器间踞(m)
造斜率
°
/30m
L1
L2
L3
增
斜
埕科-1
1791.2-2069.9
1.01
20.8
2.4
永35-平1
1825.93-1893.6
26.5
4.68
水平1
1742.84-2454.4
1.27
26.28
5.07
水平2
2004.55-2033.6
0.91
19.38
3.1
降
水平20-1
2583.77-2667.8
160
9.93
18.71
-3.3
2230.87-2285.6
80-100
-1.97
水平20-1
2423.15-2448.8
80-120
4.11
27.49
-0.72
草20-平2
1321.36-1419.8
120-160
7.5
-1.69
稳
或
平
2230.26-2370
1.17
10.42
10.23
0.59
1893.48-2017.3
4.4
13.83
0.16
2302.32-2454.4
4.33
10.45
0.18
草20-平1
844.11-890.32
0.95
4.35
10.11
0.33
胜2-1-平1
1695.9-1839.8
140-180
1.28
4.8
10.5
-0.22
2042.76-2167.8
0.92
4.69
10.14
1898.83-1967.4
4.52
10.55
-0.56
注:
表中L1为钻头与第一稳定器的间距;
L2为第一、第二稳定器的间距;
L3为第二、第三稳定器的间距。
统计结果表明,在以转盘钻方式钻进过程中,稳定器间距在水平井钻具组合中对造斜率的影响基本上与普通定向井的规律相吻合:
✧当L1<1.15m,L2<10m,L3<10m时,该工具组合有稳斜、稳平作用。
✧当L1<1.15m,L2≈20m,工具组合有增斜效果,且造斜率随着L2的增大而增大。
✧当L1>4m,L2≈20m,工具组合有降斜效果,且降斜率随着L1的增大而提高。
应当指出,以上规律仅为胜利油田范围内部分水平井的统计结果,现场操作者的实际经验、操作水平以及地质情况对工具造斜性能的影响都是非常重要的,因此所提供的数据只能作为使用者在设计钻具组合时的参考。
第2节水平井特殊管具
一、无磁钻铤
1、无磁钻铤的材料及性能
✧无磁钻铤的材料多为蒙乃尔合金(monels);
弹性模量为26*106磅/英寸。
无磁钻铤使用无磁材料制成,目前现场使用无磁钻铤的材料多为蒙乃尔合金(monels),它的弹性模量为26*106磅/英寸,普通钢钻铤弹性模量为29*106磅/英寸,铝为11*106磅/英寸。
2、无磁钻铤的作用
✧为磁性测量仪器提供无磁环境。
当使用磁性单多点测斜仪测量井眼数据时,磁罗盘必须与地球磁场相符合,罗盘所在的钻柱处不能有使罗盘读数失真的局部磁场。
普通钢钻铤是可以磁化的,尤其在接头处还会形成“磁极”。
为了防止罗盘失真,必须将罗盘放置在无磁环境中,所以仪