定向钻井复习资料中国地质大学版Word文档格式.docx

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轨迹上某点的井斜角是该点的切线与铅垂线之间的夹角，用θ表示。

b、方位角：

井眼轨迹上某点的方位角是该点的切线在水平面上的投影与真北方向之间的夹角，一般用α表示，并且从真北方向开始按顺时针方向计算。

c、孔深：

轨迹上某点的井深是井口到该点的井眼轴线的长度。

d、靶点垂深：

定向井靶点相对于井口的垂直深度。

e、水平位移：

定向井靶点相对于井口的水平距离。

f、弯曲强度：

指井眼轴线单位长度上井斜角或方位角变化的度数。

g、曲线段的曲率：

曲率是井眼轴线弯曲强度的另一种表述形式，定义与弯曲强度相同，单位为弧度

h、钻孔轴线遇层角：

钻孔轴线在遇层点（靶点）的切线与其在层面上的射影所夹的锐角。

5、钻孔轴线空间位置计算的基本原理是什么？

现行的计算方法有哪些？

试分析比较计算模型与计算方法特点。

1）基本原理：

将钻井轴线分成若干小段，根据每一小段端点的测斜数据，将每一井段轴线看作为直线或曲线进行叠加计算。

2）现行的计算方法主要有：

全角全距法、全角半距法、均角全距法、曲率半径法和最小曲率法。

3）比较

（一）全角全距法

A、计算模型

（1）将相邻两测点之间的孔段看作为直线；

（2）该直线的顶角、方位角是每段直线下端点的顶角、方位角；

（3）整个钻孔轴线是直线与直线相互连接的空间折线。

B、计算方法特点

（1）计算方法极为简单、方便。

（2）将两测点间的井眼轴线看作为直线，且直线的顶角、方位角是下端点的顶角、方位角，极不合理。

（3）在增斜段计算的水平位移偏大，垂直深度偏小，而在减斜段则相反，计算误差很大

（二）全角半距法

A、计算模型

（1）相邻两测点间的井眼轴线为两段直线连成的折线。

折线中每段直线的长度等于两点间井眼轴线长度的一半。

（2）上半段直线用上测点的顶角、方位角，下半段直线用下测点的顶角、方位角。

（3）整个井眼轴线是一条折点更多的折线。

其实质是把弧型孔段用两点的切线来代替。

（1）计算较为简单。

（2）两点间的井眼轴线分段更小，且综合考虑了上下两测点的顶角、方位角。

（3）上、下两测点顶角对轨迹计算所引起的误差起相互补偿的作用，结果误差较小。

特别是在井眼弯曲曲率半径较大时有较高的精度。

（三）均角全距法

（1）将相邻两测点间的井眼轴线看作为直线。

（2）该直线的顶角、方位角分别为上、下两测点的顶角、方位角的平均值。

（3）整个井眼轴线仍是直线与直线连接的折线。

其实质是以弦代弧。

（1）此法比全角全距法稍复杂一些，但比全角半距法简单，是现场手算常常采用的方法。

（2）以上、下两测点顶角、方位角的平均值作为轴线的计算角度，降低了增斜段和减斜段水平位移、垂直深度的计算误差。

（3）在测点间距较大、曲率半径较小时有一定误差。

（四）曲率半径法（行进曲线法）

（1）将相邻两测点间的井眼轴线看作为直立圆柱面上的一条弧线。

（2）弧线的展开，弯曲强度是定值，即顶角弯曲强度是定值。

（3）整个井眼轴线仍是空间不同曲率圆弧组成的弧线

（1）将两测点之间的井眼轨迹看作是圆弧，比较切合实际，计算误差较小。

（2）计算方法复杂，手算时速度慢。

（五）最小曲率法

（1）将相邻两测点之间的井眼轴线轨迹看作为空间某个平面上的一条圆弧线，并且具有最小曲率。

（2）圆弧在空间全弯曲强度不变是定值，顶角弯曲强度和方位角弯曲强度则可能是变化的。

（3）整个井眼轨迹则是圆弧组成的空间曲线。

（1）此法的假定条件具有广泛的代表性，它特别适合于人工连续造斜时井眼轨迹的空间状态。

（2）计算精度高。

缺点是计算手续麻烦，不便采用手算。

6、定向钻孔设计中，为什么必须选择合适的造斜强度？

如何选择合适的造斜强度？

造斜强度大，造斜孔段短，这对降低造斜成本有利，但过大会因急剧弯曲而影响正常钻进。

造斜强度小，能保证顺利施工，但造斜孔段长，成本随之增加。

因此，合适的造斜强度应是在确保造斜后正常施工的前提下，尽可能缩短造斜孔段长度。

7、井眼中选择造斜（分支）点应遵循的原则是什么？

原则：

1）造斜（分支）点的岩层易于造斜钻进，它应是：

地层较完整、稳定，岩石硬度中等，可钻性不超过8级。

2）造斜（分支）点应避开矿层和矿化带，选在对岩心采取率不作要求的孔段。

3）单孔底定向孔的造斜点应尽可能选在钻孔上部，这样造斜段较小的弯曲角就可获得较长的水平距。

4）分支孔的分支点位置应适中。

分支点位置的选择一方面要考虑节约更多的进尺，另方面要考虑分支孔造斜孔段造斜和钻进的可行性及费用，一般不宜选在钻孔的下部孔段。

8、初级定向孔设计时为什么要对钻孔进行分类划分，分类划分的依据包括哪些？

1）将矿区内已完成的钻孔分类划分，目的在于找出同类钻孔的自然弯曲规律，不同类型的钻孔，其弯曲规律是不尽相同的。

2）钻孔分类的依据为：

a、钻孔所钻地层的性质和产状。

b、钻孔结构和开孔角度。

c、钻探设备和管材。

d、钻进方法和碎岩工具。

e、钻进规程参数和工艺技术措施。

9、试述利用相关分析法设计初级定向钻孔的原理和方法

1）原理:

利用数理统计原理，求出反映钻孔自然弯曲趋势的回归方程（数学模型）。

通常设孔深为自变量，顶角和方位角为因变量，建立回归方程反映钻孔顶角、方位角随孔深变化的规律。

2）方法:

a、首先对地质和工艺技术条件相同的一组钻孔按一定孔深间距计算出平均顶角和方位角。

b、根据计算的平均顶角和平均方位角初绘钻孔顶角和方位角随孔深变化的趋势曲线。

c、选择一定的方程式对曲线进行拟合。

d、根据数理统计原理“最小二乘法”确定a和b的数值。

e、回归方程中各变量间的相关性检验。

10、三维定向孔的平面法设计有哪三种方法？

各有何特点？

1）倾斜平面弯曲型钻井：

一般是用连续造斜器或孔底动力机实现，井眼弯曲为连续曲线型。

适用范围最广。

2）倾斜平面直线型钻孔：

一般用偏心楔实现，井眼弯曲为折线型，弯曲不合理，仅适用于钻井轴线全弯曲角不大时采用。

设计施工简单。

3）垂直平面弯曲型：

必须先将钻井轴线转化为垂直井（顶角降为0度），钻井轴线在2个平面内，仅适用于原钻井顶角较小时采用。

设计简单，施工复杂。

11、三维定向孔的平面法设计思路是什么？

钻井弯曲为连续曲线型。

2）倾斜平面直线型钻孔：

钻井弯曲为折线型，仅适用于钻井轴线全弯曲角不大时采用。

3）垂直平面弯曲型：

钻井轴线在2个平面内，仅适用于原钻井顶角较小时采用。

12、在用平面法设计三维定向孔时，方位角变化量以及安装角取值的判断方法？

1）由于方位角变化量可在0~360度范围内变化，的取值存在象限判断问题，根据E点所在的象限判断方位角变化量的取值，当E点处于Ⅰ、Ⅱ象限时，钻井为增方位纠斜，相应地取Ⅰ、Ⅱ象限值，当E点处于Ⅲ、Ⅳ象限时，钻井为减方位纠斜，相应地取Ⅲ、Ⅳ象限值（此时也可取负值）

2）安装角的取值也是在0~360度范围内，角取值象限的判断可采用以下方法：

当钻井造斜为增方位时，一般取；

当钻井造斜为减方位时，一般取。

有时，的取值还必须参考在不同象限范围内对钻井顶角、方位角影响程度综合判断

第三章

13、何为偏心楔人工弯曲工具？

该器具是如何改变钻孔轴线的方向和角度的？

1）偏心楔又称井眼导向器（斜向器），是钻探与钻井工程中最早的一种人工弯曲工具，是将长圆柱钢体一端表面铣切加工成斜槽，斜槽的中心对称线与圆柱体中心线偏转一楔角，故称偏心楔。

2）偏心楔下入到井内某处固定后，钻头与钻具自楔顶开始，沿斜槽（导斜槽）的方向、角度延伸钻进，使钻井轴线在导斜槽位置发生折线式急剧弯曲，改变原井眼轴线的方向与角度。

14、一个完整的偏心楔一般有哪三个部分组成？

其主体结构部分的结构要素包含哪些？

一般如何确定？

1）结构组成：

楔体：

是一端带有导斜槽的圆柱形钢体，是偏心楔起便斜作用的主体结构部分。

卡固装置：

偏心楔下入到井内预定位置，将偏心楔与井壁卡固为一体的固定装置，保证偏斜钻头沿固定方向钻进。

连接装置：

将偏心楔下入井内时，偏心楔与钻杆的连接部件。

2）主体结构部分的结构要素：

A、楔顶角φ：

楔体导斜槽偏离楔体中心线的偏角，也是其改变钻孔轴线的全弯曲角。

设计与加工制作楔体时，为保证楔体正常发挥作用，避免钻井轴线急剧弯曲角度过大，楔顶角φ一般为1—6º

，岩层软、偏斜后钻进时间不长，φ可取大值，反之，则取小值。

B、楔体直径dT与楔面（斜槽面）直径dM

圆弧型导斜槽面的直径称为楔面直径。

圆柱型钢体的直径称为楔体直径。

设计与加工制作时，楔面直径dM一般比偏斜钻头的直径大1~3mm，楔体直径dT可近似等于或小于井眼直径1~10mm。

C、楔面长度：

导斜槽起点至终点的垂直长度。

15、何谓建造人工孔底（架桥）？

其方法有哪些？

1）建造人工井底——用一些材料或器具将开眼部位以下井段堵塞起来（当只堵塞开眼部位以下局部井段，称为“架桥”），以便在钻井中给偏心楔的安装固定提供一个坚实的基础。

2）建立人工孔底有以下几种方法：

A、充填惰性材料。

用惰性材料砂子，砾石、碎石等将分支点下部井段全部充填并捣实。

这种方法坚实性差，因而很少单独采用。

B、充填非金属胶结材料。

用水泥、环氧树脂等非金属胶结材料堵塞下部井段（当下部井段较长时，只堵塞开眼部位以下一部分井段）。

最常用的是水泥，在中硬地层效果较好。

C、用木塞“架桥”。

将木塞或带有钢丝、弹簧片倒刺的木塞下到井内预定位置提拉固定。

此“桥”稳定性差，一般与1、2同时使用。

D、用特制的金属井底塞“架桥”。

16、导斜钻进有哪些工序？

对导斜钻具有何要求？

1）导斜钻进的四个工序

（1）沿楔面导斜钻进：

用导斜钻具沿楔面钻进并钻离楔

面0.5~1.0米。

（2）导斜延伸钻进：

将导斜钻具适当加长（导斜槽长+回次进尺），继续钻进2~4米。

加长导斜钻具长度的目的是增加导斜槽对钻具的导向性。

（3）测量新井顶角、方位角，检验定向、导斜钻进效果。

（4）扫“狗腿”急弯:

沿楔面钻进后，在楔顶处形成折线式

弯曲，俗称“狗腿”弯。

“狗腿弯”阻碍钻具通过、引起钻杆折断、使钻井产生“拉槽”卡钻等，必须扫除。

2）导斜钻具必须具有以下特点:

（1）具有良好的导向性——钻头底唇面一般为圆弧形或锥形。

（2）锋利的侧出刃——一定数量高品质合金或金刚石。

（3）可偏转性要好——粗径钻具较短，一般1米左右。

（4）具有较高的柔性——采用细钻杆或万向节连接粗径钻具。

17、何谓机械式连续造斜器？

其基本类型有哪三种？

1）机械式连续造斜器是一种连续造斜的器具，其回转动力是钻机，通过钻杆柱传递扭矩、钻压给造斜器底部的造斜钻头，利用专门的机械机构使钻头在井底产生一个方向固定的倾斜角或侧向力，实现定向连续造斜。

2）基本类型及特点

A、以侧向力切削井底岩石的连续造斜器

特点：

造斜强度大，但不均匀，随钻压的变化而变化。

而且，在侧向力的作用下，钻头径向磨损速度快，侧向切削速度逐渐降低

B、以不对称破碎井底岩石的连续造斜器

造斜强度相对较小，但只与造斜器结构参数有关，造斜强度较均匀，控制偏倒角即可较精确调节造斜强度。

C、以侧向切削和不对称破碎井底共同作用的连续造斜器

兼有两种造斜器的特点，既有较高的造斜强度，

且又相对比较稳定

18、机械式连续造斜器的基本组成有哪两个部分？

有何作用？

基本组成及作用

机械式连续造斜器一般有定子、转子两大部分组成。

1）转子部分（回转转动部分）：

造斜钻进时，钻杆柱带动转子部分回转，传递扭矩，驱动钻头回转，破碎井底与井壁岩石。

2）定子部分：

造斜钻进时，定子部分不回转，起定位、导向、卡固、传递钻压的作用，通过卡固机构产生固定方向的造斜作用，并随着钻进进尺与转子部分同步下行。

19、试述LZ型机械式连续造斜器的工作原理。

工作原理有:

钻压传递、滑块滑出定位与收缩回位、离合机构的离与合、传递扭矩。

1）传递钻压

2）滑块滑出定位与收缩回位

在钻压作用下，滑块与上、下半楔沿斜面滑动，分别移向井壁一侧。

滑块通过滚轮与井壁接触，对井壁施加侧压力Q，上半楔通过凸

肩与井壁接触，对井壁施加侧压力T；

上下半楔滑动时，通过钻头与井壁接触，对井壁施加侧压力A。

侧压力Q、T使造斜器定子与井壁卡固，因此，Q、T又称卡固力，侧压力A的方向与卡固力Q相反，它使钻头切割孔壁，因此，A又称侧向切削力。

去掉钻压，复位弹簧使上下半楔呈张拉状态，滑块收缩回位。

3）离合机构的工作原理

钻杆加压——传压弹簧压缩——主动轴下行——啮合件分离——转子部件可单动回转。

卸压——传压弹簧卸荷张开——在复位弹簧的作用下——啮合件回位啮合——定转子合为一体。

4）传递扭矩

钻杆加压，离合器分离，滑块滑出定位卡固后，钻机带动钻杆回转，扭矩传递如下：

钻杆——接头1——主动轴4——花键轴套8——被动轴14——短管——钻头。

造斜钻进时，滑块滑出通过滚轮与井壁卡固，并随着钻进的延伸，沿井壁滚动同步下行。

20、采用孔底动力机定向钻进有何优点？

1）钻杆可以不转动，减少钻杆的疲劳和磨损，从而减少了钻杆折断事故。

2）既降低了钻杆和套管的磨损，也防止了因钻杆摩擦碰撞孔壁而造成的井径扩大，坍塌掉块及卡埋钻等井内事故。

3）与高精度定向仪配合，可精确控制井眼轴线方向

4）对地层的适应性广，既可在硬、坚硬完整地层造斜，又可在破碎地层、第四系地层、松软以及中硬、软硬不均的地层中造斜。

5）造斜强度均匀，可以根据需要任意调节。

6）可以施工大曲率半径和中曲率半径的定向井和特种工程定向井。

如穿越江河的过河井，水力采矿的对接井，各种注浆孔等。

21、涡轮钻的结构工作原理是什么？

其输出特性与输入流量有何联系？

1）涡轮钻的结构原理

它是一种通过涡轮马达将钻井液所具有的水力能转换成涡轮轴上回转机械能的水力机械，涡轮钻连接在钻杆柱下端，随钻柱下入井底，当开泵循环钻井液时，利用水流的力量冲击涡轮叶片，带动涡轮轴转动，驱动钻具下端的钻头回转破碎岩石。

2）联系：

涡轮钻具的输出特性参数均与流量有关，转速与排量成正比；

扭矩与排量的平方成正比；

功率与排量的立方成正比；

压力降与排量的平方成正比。

因此，用涡轮钻进时，流量控制非常重要，对实际钻进不利。

22、试分析比较涡轮钻与螺杆钻的结构原理与输出特性有何异同点？

螺杆钻是一种容积式正排量马达，与涡轮钻相同，它也是以钻井液为动力传递介质，通过螺杆马达将水泵泵送的高压液体的能量转化为回转机械能，直接驱动钻头破碎岩石，是一种能在井内产生回转的井底动力机。

是近年来国内外广泛使用的一种井底动力机。

与涡轮钻相比，螺杆钻克服了涡轮钻的一些缺点:

1、结构简单，动力机较短，易损件少，工作可靠；

2、输出特性过载性能较高，通过改变定转子尺寸和结构参数，大幅度改变输出特性参数，且输出扭矩与钻压成正比，输出转速与流量成正比（300~800r/min），在小流量工作时转速较低，因而钻头寿命较长，可用金刚石或硬质合金钻进；

3、工作液体压力降小（＜3Mpa）

4、在小尺寸时也能有较大的扭矩和功率；

但其不耐高温，耐冲蚀性能较差。

23、试从力学条件与连续性条件两个方面分析说明螺杆马达为什么可以在高压液流的作用下产生连续回转。

（一）力学条件（机械动力传递的基本过程）

螺杆马达的转子处于定子的包容之中，由于转子的螺旋头数比定子的螺旋头数少一个，转子外表面螺旋波齿与定子内表面的螺旋波齿不会啮合，呈有规律的接触状态，这些接触的点沿螺杆轴向形成若干条连续的螺旋线。

这些螺旋线将螺杆马达中的环空容腔分隔成若干个密封腔，当高压液体到达定转子时，其中一些密封腔充满高压液体形成高压区，另一些则为低压区，在高压区和低压区的压力差作用

下，分力dF会产生一个旋转力矩M和一个作用在定子橡胶衬套上的径向力K，力矩M使转子旋转。

（二）连续性条件（连续回转过程）

在高、低压区压差的作用下，力矩M使转子旋转——高压腔沿轴向向前移动，在同一截面上则表现为高压区减少，低压区增多——全是低压区。

密封腔移动是发生能量转换的条件（容积式马达），在高压腔沿螺杆轴向向前移动的同时，其内的高压液体同时推动转子旋转，至螺杆马达的末端，液体释放，高低压腔消失，在输入端，新的高低压腔不断形成，螺杆马达工作时，其内同时有若干个螺旋状的高、低压区，保证了转子连续转动。

24、试述螺杆马达的波齿比与其结构和工作性能的关系。

螺杆马达的波齿比是重要的结构参数，理论上，只要保证定子的波齿数Z1比转子的波齿数Z2多一个齿，其波齿比可以是任意的，但波齿比对螺杆马达的工作性能、结构参数有较大影响，如果不考虑这一点，设计时，往往会使设计的螺杆钻失去使用价值，使用时，也无法正确选用。

25、螺杆钻具中，溢流阀、万向节和驱动轴有什么作用？

螺杆钻具中有哪些类型的万向联轴节？

（一）作用

1）溢流阀的作用

A、防止螺杆钻具反转脱扣。

钻杆连接螺杆钻具下入井内时，溢流阀常通，井内液流经溢流孔进入钻杆内腔，内外压力平衡，防止反向驱动马达。

B、泵送液流驱动螺杆钻具工作时，关闭溢流孔，全部液体经主通道进入螺杆马达。

C、工作结束提钻时，溢流阀打开，钻杆内液体经溢流孔流回到井内，防止抽吸作用，同时还防止提钻拧卸时，钻杆内的液体在井口的喷溅和污染。

2）万向节的作用

A、传递马达扭矩。

B、将螺杆马达中转子的偏心回转转变为同心回转。

3）驱动轴的作用

推进装载机光滑度，使得所述驱动轮可按照不同的角速度转动

（二）万向节的种类

1）十字轴万向联轴节

万向转动灵活，承受扭矩大，但径向尺寸大，密封性差，可用于大直径螺杆钻。

2）花瓣型万向节

联轴节内部有若干个钢球将花瓣沿轴向撑开，利用花瓣与花瓣之间的偶合弧线达到万向活动的作用，花瓣轴外部用橡胶管套封，中间注入润滑油。

靠花瓣侧面传递扭矩，靠花瓣与花瓣之间弧形啮合产生绕动，其传递扭矩小，径向尺寸小，容易密封，多用于小直径单头螺杆钻。

3）鼓形齿内花键万向节

主要部件有：

鼓形齿、内花键套、钢球等。

利用

鼓形齿与内花键的啮合传递扭矩，利用鼓形齿及钢球产生绕动。

特点：

传递扭矩大，绕动灵活，但绕动角度3~6º

，径向尺寸小多用于多头螺杆钻。

26、与螺杆钻具配合的使用的造斜件有哪些？

目前，与螺杆钻具配合使用的造斜件主要有：

弯钻杆、弯接头、弯外管、偏心块、液压可调式弯接头、组合式偏斜工具等。

1）弯钻杆：

使用弯钻杆造斜时，上端一般连接有定向接头，定向接头内有一定向键，定向键中心母线一般与钻杆弯曲方向一致。

受孔径限制，弯钻杆的弯曲角一般为2.5~5º

。

由于弯钻杆螺杆钻具的弯曲力臂长，钻杆本身的柔性大，所以，它的造斜强度很小，一般只适用于第三系、第四系地层。

2）弯接头：

接头一端的螺纹丝扣偏转一定角度，弯接头内本身一般设置有定向键。

偏转角一般为0.5~3.0，其力臂较长，造斜强度较小。

3）弯外管：

一端螺纹偏转，安装在螺杆马达与驱动轴之间，必须在溢流阀前端连接定向接头。

力臂最短、刚性强、造斜强度较大。

4）偏心块：

一种孔壁接触器，与LZ机械式连续造斜器的滑块有些类似，一般安装在驱动轴下端。

可调整的偏心量较小，造斜强度较小（0.15~0.2º

/m），在松软地层使用较多。

5）液压可调弯接头：

通过调节泵送液体压力达到调节弯接头偏转角的目的，不提钻调节井内螺杆钻具的造斜强度。

调节变量间隔：

0.5º

，范围：

0~2º

，国内使用较少。

6）组合式偏斜工具：

一种将LZ机械式连续造斜器和螺杆钻具造斜件相结合的偏斜方法。

工作时由于钻杆不转动，偏斜器的稳定性和准确性能提高20—30％，造斜强度大，国内使用较少。

（?

）27、螺杆钻具的工作特性曲线包含有哪些？

其工作特性曲线有何特点？

如何根据工作特性曲线确定其合理工作范围？

1）螺杆钻具的工作特性包括：

螺杆钻具的输出转速、输出扭矩、有效功率、工作液体压力降和水力效率。

2）特点：

螺杆钻具的工作特性随外载特性的变化而变化

28、安装角：

在垂直于原钻井轴线的平面上，自原钻井倾斜方向顺时针旋转至造斜工具造斜弯曲面方向的角度。

工具面向：

人工弯曲工具造斜作用面的方向

磁性高边：

是以磁北极为准的夹角，一般时5度一下用磁性高边。

重力高边：

是以井眼轨迹为基准的夹角。

全弯曲角：

孔段轴线上相邻两点沿各自轴线延伸方向的切线之间的空间夹角

反扭转角：

使定子钻杆柱发生反向扭曲变形，使定子及造斜件产生一定角度的反向偏转，该偏转角称之为反扭转角

WMD：

随钻测量定向（MeasureWhileDrilling）

29、掌握斜孔定向安装角的作图求解方法（290）

30、造斜工具在孔内的定向有哪两种方法？

其特点和使用条件是什么？

（一）造斜工具在井内的定向方法有直接定向法和间接定向法。

1）直接定向

测量安装角，与原钻井倾斜方向有关。

2）间接定向

（二）直接定向法、间接定向法的适用条件

1）当原钻孔是垂直井时，由于无倾斜方位，所以，

只能用直接定向法。

2）原钻井