导向钻井钻具组合结构造斜特性分析.doc

·138·
石油天然气学报(江汉石油学院学报)2007年4月第29卷第2期
JournalofOilandGasTechnology(J1JPI)Apr12007Vol129No12

导向钻井钻具组合结构造斜特性分析

张新红,冯定(长江大学机械工程学院,湖北荆州434023)

[摘要]在导向钻井钻具组合结构中,本体稳定器、上稳定器的选用与计算外径,以及螺杆弯角的选用,
对用全力增、减方位时的侧向力有影响,可用来评价导向钻井钻具造斜特性,分析和设计导向钻具组合。现场使用结果表明,螺杆本体稳定器采用偏心式时计算外径与丈量直径存在偏差;上稳定器对钻头侧向
力具有较大的影响,可以优化设计;螺杆弯角对钻头侧向力影响较大,需合理使用。
[关键词]导向钻井;钻具组合结构;稳定器;造斜;力学分析
[中图分类号]TE92112 [文献标识码]A[文章编号]10009752(2007)02013803

随着大斜度、大位移、水平井等井型的广泛实施,以弯螺杆和随钻测量为主的导向钻井技术成为目
前使用频率最高的一种钻井技术,形成了导向钻井新技术方式[1～3]。其主要特点是利用了偏心防斜原理在弯螺杆钻具转动过程中表现出的稳斜性。这使传统“五段制”和“三段制”剖面可以用一种钻具一趟钻实现,从而大大提高了钻井效率。导向钻井技术应用的关键是底部钻具组合的选配,目前在现场应用中仍存在许多认识上的误区,造成施工的盲目性。笔者通过对导向钻具几个力学问题的分析,将现场遇到的问题理论化,用以指导现场设计及施工。
在设计钻具组合结构时[4～7],为了取得钻进中的稳斜效果,就要分析在装置角为90°或270°(全力增、减方位)时的造斜力大小。通过调整底部钻具组合各参数值,使钻头侧向力趋于零[8]。

1本体稳定器的选用与计算外径

水平井常用的稳定器有单弯螺旋稳定器和直筋稳定器。螺旋型稳定器可形成规范的计算直径和可靠的支点,从而得到稳定的工具面和造斜率;但定向时钻进阻力大,因此在井斜较大时不宜选择螺旋稳定器。一般水平井用螺杆均选择直筋型稳定器,以减少钻进中的阻力,特别是连续造斜和全角变率较大时尤其如此。

螺杆本体稳定器外径一般设计为欠尺寸,国际标准推荐值为比井眼直径小∀3in～∀;in(11588～31175mm)。螺杆上给定的是稳定器的实际结构直径,在力学分析时,当使用偏心稳定器时,由于偏心的影响,计算输入直径与实
际结构直径发生偏差,需作计算。偏心稳定器最大偏心结构见图1。
以三筋直筋型稳定器为例。在外圆周增加了3根轴向直筋扶正块,一般是1大2小,且相对于圆周非均匀分布,其形心与质心有一偏
差。偏心稳定器增加了钻头侧向力,使弯螺杆具有更好的造斜性。江汉油田以前曾引进过多筋稳定器螺杆,没有偏心度,在造斜过程中造
图1偏心稳定器最大偏心结构示意图
斜率极低,尤其在降斜时,造斜率达不到1°/10m,后在笔者的建议下终止了使用,目前均采用带偏心

[收稿日期]20070120
[作者简介]张新红(1964),男,1987年大学毕业,讲师,现从事工程力学、石油机械方面的教学与研究工作。

HYPERLINKhttp://www.cnki.net©1994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.http://www.cnki.net
第29卷第2期 张新红等:导向钻井钻具组合结构造斜特性分析
·139·

稳定器结构的单弯螺杆。
对于同心稳定器,计算直径与结构直径是相等的。而对于偏心直筋稳定器,在钻具转动过程中计算直径不断变化,可求出2种特殊状态下的数值,即最小值和最大值。
当大直筋块中心A转到井眼低边时,偏心距最小,为:
lsmin=(Do-Ds)/2 (1)
当稳定器顺时针转动时,大直筋块偏离井眼低边时,偏心距越来越大,当2小块扶正块边缘接触下井壁时,偏心距最大,为:
o
lsmax= D2

s
-D2sin2θ-Dscosθ (2)
相应的稳定器计算直径最大和最小值分别为:
D′smax=Ds (3)
o
lsmin=Do+Dscos- D2

s
-D2sinθq

(4)

对于三筋直筋型稳定器,取θ=45°,井眼直径Do=21519mm,稳定器结构外径Ds=212mm,则得实际计算外径D′s=21014mm;结构外径为213mm时,计算外径为21118mm。可见实际计算直径比丈量外径要小1～2mm。
由于弯螺杆在钻进过程中存在扩径现象,导致计算直径与规则井径有偏差。对于稳定器结构外径,当井径分别为21519,220,225,230mm时,计算外径值分别为21014,208186,207109,205144mm。可见,井