斜井基本常识课件.ppt

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。斜井段的定向井。大斜度井：大斜度井：最大井斜角在最大井斜角在60 80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，并保持这种井斜角钻完一定长度段的井。度段的井。 长曲率半径：长曲率半径：6 /30m 中曲率半径：中曲率半径：6 20 /30m水平井水平井 中短曲率半径：中短曲率半径：1 20 /30m 短曲率半径：短曲率半径：1 10/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，其中可含中可含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：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 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 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：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: :设计井斜角为零设计井斜角为零度的井段。度的井段。2) 2) 造斜点（造斜点（）: :开始开始定向造斜的位置称为造斜点。定向造斜的位置称为造斜点。通常以该点的井深来表示。通常以该点的井深来表示。3) 3) 造斜率（造斜率（）: :造斜工造斜工具的造斜能力具的造斜能力, ,即该造斜工即该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。具所钻出的井段的井眼曲率。4 4) ) 造造( (增增) )斜段斜段: :井斜角随井井斜角随井深增加的井段。深增加的井段。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 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实钻井眼轴线与目标点之间的距离点之间的距离 。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，通常以设计规定的、必须钻达的地层位置，通常以地面井口为坐标原点的空间坐标系的坐标值来表示。地面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状体。轨道的一个柱状体。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 1) 1) 工具弯角（工具弯角（）: :在造斜在造斜钻具组合中钻具组合中, ,拐弯处上下两段的拐弯处上下两段的轴线间的夹角。轴线间的夹角。 2) 2) 工具面工具面: :在造斜钻具组合在造斜钻具组合中中, ,由弯曲工具的两个轴线所决由弯曲工具的两个轴线所决定的平面。定的平面。 3) 3) 反扭角（反扭角（）: :在使用井在使用井下动力钻具进行定向造斜或扭方下动力钻具进行定向造斜或扭方位时位时, ,动力钻具启动前的工具面动力钻具启动前的工具面与启动后且加压钻进时的工具面与启动后且加压钻进时的工具面之间的夹角。反扭角总是使工具之间的夹角。反扭角总是使工具面逆时针转动。面逆时针转动。3. 3. 井眼轨道水平投影井眼轨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5)工具面角（工具面角（）：）：造斜工具下到井底以后，工具面所造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。它有在的角度。它有两种表示方法：高边工具面角和磁工具两种表示方法：高边工具面角和磁工具面角。面角。高边工具面角是以高边方向线为始边，顺时针转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底圆平面的交线所转过的角度；磁工具面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线为始边，顺时针转到工具面与井底圆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面上的投影线所转过的角度。平面的交线在水平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，称为井底圆井底圆；井底圆上的最高点称为；井底圆上的最高点称为高边高边；从井底圆心至高；从井底圆心至高边之间的连线所指的方向称为边之间的连线所指的方向称为高边方向高边方向；从正北方向线；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为高边方位角高边方位角。 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6) 6) 装置角（装置角（）: :在启动钻具后且加压钻进时在启动钻具后且加压钻进时, ,工具面所工具面所处的角度，与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也处的角度，与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也可用磁工具面表示。可用磁工具面表示。7) 7) 安置角（安置角（）：）：在启动钻具前在启动钻具前, ,工具面所处的角度。工具面所处的角度。与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也可用磁工具与工具面角一样，既可用高边工具面表示，也可用磁工具面表示。面表示。8) 8) 安全控制圆锥（柱）安全控制圆锥（柱）: :以设计井眼轴线为中心所限定的以设计井眼轴线为中心所限定的圆锥（柱）空间。圆锥（柱）空间。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。所构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井眼曲率的计算井眼曲率的计算1）简单表示法）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：nhRR 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：mAmBBAhDDlR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：RlRhH1hHnRR 水平：水平：rSSRABhA1lRihAiRR 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、EA、NA、A 、 A 、ShA；井深增加到；井深增加到B点，设点，设AB弧弧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 2dAcosddlDsinddlSh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：2dAsinddhSEcosddhSN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：由于：由于：sinddlShsinsinddlEcossinddlNlDlElNdcosddsinsinddcossind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222222222222222222sincossinsincosdsinsindddsinsincoscosddsinsindcoscosd)cos(sindddsinddsind)(cosdddddddddinhininnRRRRRllERRlldllNRlllDlElNlDKRn、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 设计井眼轴线仅在设计方位线所在铅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。垂平面上变化的井眼轨道。 二维井眼轨道由垂直井段、增斜井段、二维井眼轨道由垂直井段、增斜井段、稳斜井段和降斜井段组合而成。稳斜井段和降斜井段组合而成。 在设计井眼轴线上，既有江斜在设计井眼轴线上，既有江斜角变化又有方位角变化的井眼轨道。角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。和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1)1) 根据油气田勘探开发要求，保证实现钻井目的；根据油气田勘探开发要求，保证实现钻井目的；2)2) 根据油气田的构造特征、油气产状，有利于提高油气根据油气田的构造特征、油气产状，有利于提高油气产量和采收率，改善投资效益；产量和采收率，改善投资效益；3)3) 在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等参数时，有在选择造斜点、井眼曲率、最大井斜角等参数时，有利于钻井、采油和修井作业；利于钻井、采油和修井作业；4) 在满足钻井目的的前提下，应尽可能选择比较简单的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度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井、降控制的难度和钻井工作量，有利于安全、快速钻井、降低钻井成本。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)造斜点的选择在比较稳定的地层，避免在造斜点的选择在比较稳定的地层，避免在岩石破碎带、漏失地层岩石破碎带、漏失地层2 2）地层可钻性均匀，不应有硬夹层；地层可钻性均匀，不应有硬夹层；3 3） 要满足采油工艺要求；要满足采油工艺要求；4)4) 垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，垂深大、水平位移小的井，造斜点应深，以简化井身结构、加快钻速；以简化井身结构、加快钻速；5)5) 垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，垂深小、水平位移大的井，造斜点应浅，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，应使斜井段避开方在井眼方位漂移地区，应使斜井段避开方位漂移大的地层。位漂移大的地层。(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 (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，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。因此，应根据具体情况，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直井在规定井斜角内；常规井和水平井交斜角小于于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. 井眼轨道类型的选择井眼轨道类型的选择 设计井眼轨道时，一般选择简单的二维轨道。二维设计井眼轨道时，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、降斜井段组合轨道由垂直井段、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。而成，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直井直井三段制三段制五段制五段制“S”型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1)1) 掌握原始资料主要是该地区的地质剖面、地表对井位掌握原始资料主要是该地区的地质剖面、地表对井位的限制条件、目的层位的垂直井深和总水平位移、自然造的限制条件、目的层位的垂直井深和总水平位移、自然造斜规律、工具造斜能力、钻井技术水平以及故障提示等；斜规律、工具造斜能力、钻井技术水平以及故障提示等；2)2) 根据井眼轨道确定原则，选定一个井眼轨道类型；根据井眼轨道确定原则，选定一个井眼轨道类型；3)3) 根据原始资料选定造斜点的位置，并确定造斜率和降根据原始资料选定造斜点的位置，并确定造斜率和降斜率的大小；斜率的大小；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4) 确定最大井斜角；确定最大井斜角；5)5)计算剖面上各井段的井斜角、方位角、垂直井深、计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；6) 核算井眼曲率，使其满足对它的各种限制条件，并做核算井眼曲率，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；出井身的控制圆柱，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，造斜率造斜率Rb1=2=2/30m/30m，降斜率，降斜率Rb2=1.5=1.5/30m/30m ，油层垂直，油层垂直深度深度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：kjfjtgmhoSfjhjakDkjo2tgRakm12tgRcfhjm22)tgR(RDkjm21o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)tgR(RDStgm21ohom2tg122tgtgRRRm2mm21o若令：若令：0S2tg2D2)tgS(2Rhomom2hoohoo2hohoooomS2RSS2RDD2arctg)cos(1RSSSsinRDDDe2hehhoe2kopeoShe ：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:造斜率与曲率半径的关系：造斜率与曲率半径的关系：bbR1RR1R40.511408.99mS2459.49mD2005.5mR1146mR859.5m230R8400mD2700mDmhooo21ekope计算：计算：)cos(1RSSSsinRDDDe2hehhoe2kopeo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：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 hi ij jk kmemmeo o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= 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 = = Dbc tgtgm 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水平位移水平位移Sh(m): Shd = = Shc + + Shcd = 1457.91457.9 段长段长l(m): lcd= 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= Ddt tge=42.16 DShShoSheDkopR1R2DoDea ab bc cf ft te eg go o2 2o o1 1h hi ij jk kmemmeo o6. 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) 丛式井位置、数量和井数的确定丛式井位置、数量和井数的确定(2) (2) 防止井眼相碰防止井眼相碰 防止井眼相碰是丛式井设计和施工的关键。为此，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。我们应该注意下述几个方面。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 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。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。在钻井过程中，通过钻柱把钻头和地面连接起来。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4) 通过钻柱可以了解钻头工作情况、井眼状况及地层情通过钻柱可以了解钻头工作情况、井眼状况及地层情况等；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 钻具是钻井工具的简称钻具是钻井工具的简称,常用钻具包括钻头、钻铤、常用钻具包括钻头、钻铤、稳定器、减振器、震击器、加重钻杆、钻杆、方钻杆、稳定器、减振器、震击器、加重钻杆、钻杆、方钻杆、井底马达和连续导向动力钻具组合等。井底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 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，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。使得下部钻柱受压缩。 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，并在某一点与井壁接触，称为钻柱的曲，并在某一点与井壁接触，称为钻柱的第一次弯曲第一次弯曲；如；如果继续加大钻压则弯曲形状改变，切点下移，当钻压增大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，钻柱弯曲出现第二个半波，着是钻柱的到新的临界值时，钻柱弯曲出现第二个半波，着是钻柱的第二次弯曲第二次弯曲。如果继续增大钻压，则会出现。如果继续增大钻压，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、不规则运自转、不规则运动动第五章第五章 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。 不同的工作条件、不同部位，钻不同的工作条件、不同部位，钻柱受柱受载荷不同：载荷不同：拉、压拉、压扭矩扭矩弯矩弯矩内外压力内外压力 包括稳态载荷和动态载荷，一般除振动严重外，忽包括稳态载荷和动态载荷，一般除振动严重外，忽略动态。略动态。第五章第五章 第二节第二节 钻柱及下部钻具组合设计钻柱及下部钻具组合设计第五章第五章 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：轴向应力轴向应力线与静液柱压力的交点。线与静液柱压力的交点。此点的静液柱压力等于此点的静液柱压力等于钻柱中压缩应力。钻柱中压缩应力。 中和点位置可以由中和点位置可以由钻压钻压W除以单位长度浮除以单位长度浮重来确定。重来确定。fsqqWNNqqWNqDqWNDqfssff)()(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 钻进过程中钻柱轴向载荷：钻进过程中钻柱轴向载荷：WBWWppt 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在空气中的重量。若设分析截面距井底长度为L，则，则LqWspphsfpptphspffhspfpfpfpfApWWWApWBLDpWLAALLDDAB)1()()(WWWsfppt)1 (对于井口处：对于井口处：钻柱的平均应力：钻柱的平均应力：pptzAW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 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，扭矩钻头施加给钻柱反扭矩，扭矩在钻头处最大，井口处最小。在钻头处最大，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该截面上钻柱由于承受扭矩而产生的剪切应力bIMr 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钻柱所受的扭矩取决于转盘传给钻柱的功率功率nNNMNNN)(9549破岩空转破岩空转第五章第五章 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 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钻柱尺寸、钻压、转速、钻井液性能及井眼质量的功能因素素有关，可以用经验公式确定。有关，可以用经验公式确定。5555721031,6105 .38,151048,25108 .18,0kW)(106 . 4CCCCLndCNed空转式中：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：)kW(1017.32503. 1nCDWNb破岩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)kW(100785. 03nWDNb破岩psoIgLJT2222243N/mcm,N/m,r/s,刚性系数，截面积极惯性矩钻柱材料重度转动惯量旋转角速度钻柱旋转动能GIJTpso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、井眼清洁程为经验系数，与岩性、钻井液性质、井眼清洁程度、钻头磨损等有关。一般取：度、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为变形位能，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pGILMU22变形位能：UT pspIgLGILM2222)Nm(108maxgGIMsp最大扭矩：最大扭矩：)Pa(maxmaxpIrM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。部弯曲应力大。 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，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。状态下，钻柱自转，产生交变弯曲应力。yEkbbmmPaPa1距中性面的高度，钻柱曲率，弹性模量，弯曲应力，ykEbb4)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222222222)( 4)(rddddppdddpdppippippopipipppopipir222222222)( 4)(rddddppdddpdppippippopipipppopipim-mPaPa钻柱半径，钻柱内外径，、钻柱内外液体压力，、，分别为径向和周向应力、rddppppipopir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、内外压力：弯矩：扭矩：轴向拉力：rbz222243rbzfsSmax4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，钻柱为于一定值时，钻柱为直线稳定状态直线稳定状态；当轴向压力大于一；当轴向压力大于一定值时，钻柱就发生定值时，钻柱就发生正弦屈曲正弦屈曲；当轴向力继续增大时，；当轴向力继续增大时，钻柱就会发生钻柱就会发生螺旋屈曲螺旋屈曲。钻柱屈曲后，钻柱与井壁的压。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。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。差，井眼半径与钻柱半径之；截面惯性矩，；钻柱的线浮重，；钻柱轴向力，mmN/mN4bppzrIqFbippzbippzbipbippzrEIqFrEIqFrEIqrEIqFsin22sin2sin22sin2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4 4、钻柱的破坏、钻柱的破坏1 1）钻柱的物理机械性能）钻柱的物理机械性能 (1) (1) 钻柱的材质钻柱的材质 钻柱的各个组成部分均由优质合金钢或优质铝合金制钻柱的各个组成部分均由优质合金钢或优质铝合金制造。在造。在APIAPI标准中，标准中，规定钻杆的钢级有规定钻杆的钢级有D D级、级、E E级、级、9595（X X）级、级、105105（G G）级和）级和135135（S S）级共五种。）级共五种。其中其中X X级、级、G G级和级和S S级钻杆为高强度钻杆；钻铤和方钻杆的钢级为级钻杆为高强度钻杆；钻铤和方钻杆的钢级为AISI4145AISI4145和和AISI4150AISI4150，其机械物理性能见有关手册或，其机械物理性能见有关手册或APIAPI公报。公报。 (2) (2) 钻柱的物理机械性能钻柱的物理机械性能 钻杆的强度数据主要包括钻杆外径、壁厚、名义重量、钻杆的强度数据主要包括钻杆外径、壁厚、名义重量、材质、扭力屈服强度、按最小屈服强度计算的最小抗材质、扭力屈服强度、按最小屈服强度计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 统计资料说明，绝大多数钻柱的损坏有下述几种情况：统计资料说明，绝大多数钻柱的损坏有下述几种情况：（1）钻柱的疲劳破坏钻柱的疲劳破坏 疲劳破坏有疲劳破坏有三种形式：纯疲劳、伤痕疲劳和腐蚀疲三种形式：纯疲劳、伤痕疲劳和腐蚀疲劳。劳。（2）钻杆的氢脆破坏）钻杆的氢脆破坏 2）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。具体数据请查括外径、内径、长度、质量、紧扣扭矩等。具体数据请查阅有关册或阅有关册或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钻铤的确定钻铤的确定内、外径，内小、外大，受井径限内、外径，内小、外大，受井径限制、钻井制、钻井 液流动限制，长度满足液流动限制，长度满足钻压要求。钻压要求。强度足够，钻进不断，尽量保证钻强度足够，钻进不断，尽量保证钻井液正常循环减少能量损耗。井液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