钻井防斜打快技术

2021/3/41防斜打快技术现状与对策2021/3/42目录1.概述2.防斜与纠斜原理3.常规防斜纠斜技术4.防斜打快新技术5.几点认识2021/3/431.概述1.1引言1.2防斜研究的历史回顾2021/3/44•随着油田勘探开发工作的不断深入，所钻遇的地层构造越来越复杂，对地质中靶的要求也越来越高，特别是高陡构造的防斜打快问题更是钻井技术中的难点和重点。•直井防斜技术已有数十年的历史，对防斜打直起到了重要作用。但是，传统的防斜和纠斜技术多采用“轻压吊打”，往往是以牺牲钻井速度为代价。1.1引言2021/3/45•尽管如此，在高陡构造以及造斜能力强的地层中，即使是用很小的钻压和很低的钻速，也往往难以有效地控制井斜。•现代防斜打直技术的核心是解决提高井身质量和钻井速度之间的矛盾，必须突破“轻压吊打”旧观念的束缚，积极探讨新的防斜技术。这些新防斜技术的特征在于实现优质与高效的统一，即不仅是“防斜打直”，而且要“防斜打快”。1.1引言2021/3/46•井斜是钻井工程与生俱来的、最古老的经典问题。•井越深，井斜问题越突出，危害越严重。除直井外，定向井、水平井等特殊工艺井的直井段也都存在井斜与防斜问题。高陡构造、复杂地层的井斜问题，尤为突出，已形成一种技术“瓶径”。(1)井斜问题在钻井中普遍存在1.1引言2021/3/47•开发井，井斜使井眼偏离设计井位，打乱开发布井方案。•探井，井斜使地质资料失真，甚至错失油气层。•引发钻井工程事故(钻柱、套管磨损，破裂折断，卡钻)•引发下套管困难，影响固井质量(套管不居中导致窜槽、管外冒油气等)•影响采油工作(下封隔器困难、封隔密封不好、抽油杆磨损折断等)(2)井斜的主要危害1.1引言2021/3/48•井斜角不能超过许用值•井斜变化率(即狗腿严重度)不能超过许用值•井底水平位移不能超过许用值(3)井斜质量标准井深(m)最大水平位移(m)最大井斜角变化率(/25m)探井开发井＜3000m≥3000m0～100030201.51.25～150040301.751.50～200050402.001.50～250065551.75～300080701.75～35001000902.25～40001201102.25～45001401302.5～50001651552.5～55001901803.5～60002152053.5表1胜利油田直井水平位移和全角变化率1.1引言2021/3/49•1924年，《华盛顿邮报》“井为什么会斜？”1928年，首例使用稳定器•1929年，H.H.Jone文章“如何钻直油井或利用重力钻直油井？”(OGJ.May,1929)，首先提出利用钻铤重量来减小井斜角(1)20世纪的20年代人们已开始认识到“井斜”问题并探索井斜产生的原因，并研究利用“重力效应”来降低井斜。1.2防斜研究的历史回顾2021/3/410•1930年，“在钻进中井眼为什么会弯曲？”，用梁的弹性弯曲研究井斜问题；•1936年，“直井和定向井技术的理论研究”，指出只有使用稳定器才能收到可靠的稳定效果；•1941年，“重力杆件的纵力弯曲”，其基本思想接近直井钻柱模型。(2)3040年代人们开始深入地从钻具组合的受力变形上去分析产生井斜的原因，并探讨控制井斜的方法。1.2防斜研究的历史回顾2021/3/411这是井斜控制与BHA受力变形研究最活跃的时期，仅美国发表的有关文章54篇之多，研究结果被制成图表在生产中应用。1950年，“旋转钻柱的屈曲研究”一文，比较全面、系统地研究了直井中钻柱的受力变形和多次弯曲问题，得出一个三阶微分方程和七方面应用，指出钻头偏转角是影响井斜的主要原因，指出钻压不应加在1~2次弯曲临界值之间的结论。(3)50年代1.2防斜研究的历史回顾2021/3/412图1钻柱上作用的外力图2钻柱弯曲的曲线形状1.2防斜研究的历史回顾2021/3/413•小型造斜器理论(H.M.Rollins)•地层可钻性理论(Sultanov，Shandalov)•钻柱力矩理论•扩眼作用与钻头偏移理论•优先碎屑地层理论•Mclamore-Bradley偏斜力理论•各向异性塑性理论•Lubinski，Woods各向异性地层理论(4)6080年代国内，自1977~1988年间也开展了大量的研究工作。请参考《井斜控制理论与实践》(白家祉，苏义脑著，1990)一书。人们开始较多地从地层因素方面寻找井斜原因。1.2防斜研究的历史回顾2021/3/4142、防斜与纠斜原理2.1井斜控制原理2.2钻头侧向力和钻头倾角2.3地层造斜力2021/3/415(1)影响井斜的主要因素2.1井斜控制原理钻井工艺参数下部钻部钻具可控因素地层层特井眼几何形状不可控因素井斜图3力—位移模型图2021/3/416①井眼轨道的形成是钻头与地层相互作用的结果，井斜是由钻头侧向力和钻头倾角的联合作用产生的。一般情况下，钻头侧向力是引发井斜的主要因素。)(0)(0)(0)()(稳斜降斜造斜地层钻具FPRB③BHA确定后，实际控制参数一般只有钻压PB。(2)井斜控制参数2.1井斜控制原理②井斜控制实质上是对RB(钻头侧向力)和At(钻头倾角)的综合控制2021/3/417图4井斜原理分析2.2钻头侧向力和钻头倾角微分方程法(A.Lubinski)有限元法(K.K.Millheim)纵横弯曲法(白家祉)能量法(B.H.Walker)2021/3/418(1)计算公式11111111311111111)(6)(242sinLeuZEILMuXEILqALMLwLePPtB式中：PB—钻压；e1—第一稳定器与井眼直径差值之半，w1—钻铤线重量；—井斜角；M1—第一稳定器处内弯矩；L1—第一稳定器以下的钻柱长度q1—下部钻铤的横向载荷集度，E—钢材弹性模量；EI1—钻铤抗弯刚度X(u1)、Z(u1)—第一跨梁柱放大因子)(2111sBDDesin11wq2.2钻头侧向力和钻头倾角2021/3/419(2)应用举例对光钻铤(令M1=0)钻头侧向力上切点位置sin21111LwLePPB411111)(24uXqeEIL图5光钻铤wPPB2.2钻头侧向力和钻头倾角2021/3/420(3)影响因素分析PB↑P↑要降斜，必须减少P，即减小钻压PB,，吊打。w1↑P↓，即重钻铤可利于降斜。↑P↓，即井斜角大时，降斜效果好。钟摆钻具的At0，它引发增斜作用，使总的降斜效果又有减弱以钟摆钻具为例2.2钻头侧向力和钻头倾角2021/3/421(1)基本假设图6地层力分析简图2.3地层造斜力钻头各向切削能力相同(理想钻头)岩石处于表面破碎阶段(钻速与钻压成正比)钻头对地层的作用力位于地层剖面内各向异性层状地层在其走向方向均质连续(横观层状)2021/3/422BfPhhF)(tg1)(tg2式中“－”号表示Ff沿图中x轴反向，即指地层上倾方向。(2)计算公式Ff—地层自然造斜力h—地层各向异性指数—地层倾角—井斜角10,1hh可钻性垂直于地层层面方向的可钻性平行于地层层面方向的2.3地层造斜力2021/3/423对各向同性地层，h=0。即合位移角=合力角，钻头将沿合力方向钻进对各向异性地层，h0。表明在异性地层中钻头不会按合力方向钻进(即地层有偏斜作用)若＜，Ff＜0，表明地层力为造斜力，使钻头向上倾偏斜；若＞，Ff＞0，表明地层力为降斜力，使钻头向下倾偏斜；若=，Ff=0，表明地层无偏斜作用，钻头将沿地层面法向钻进。(3)定性分析2.3地层造斜力2021/3/424在初始钻进时，=0，Ff有最大值，使钻进方向向地层上倾方向倾斜，导致＞0；此后Ff↓，↑，直至=，即钻进方向与地层法向一致，Ff=0地层倾角越大，Ff越大，即大倾角地层井眼偏斜越严重Ff与PB成正比，即地层造斜力与钻压成正比。钻压越大，井斜越严重。这是常规降斜技术中要吊打的原因之一以上几条均与现场经验相符。2.3地层造斜力2021/3/425现场经验：45，钻头上倾60，钻头下倾=45~60，不确定上述经验说法是否正确？所谓不确定的含义是什么？(4)临界地层倾角2.3地层造斜力2021/3/426前面的地层造斜力公式是在4条假设下推出的，未考虑实际钻头的各向切削异性、体积破碎等因素。临界地层倾角c：0)cos(sin)sin(cos21212290222902hKKcccc式中c—临界地层倾角；K90—钻头横向切削指数。它在数值上等于当钻头在各向同性地层中钻进时，作用在钻头侧向(=90)上的力在单位时间所产生的切削量与同样大小的力另作用在轴向时所产生的相应的切削量之比，亦即相应钻速之比。2.3地层造斜力2021/3/427图7临界地层倾角c和K90、h间的关系临界地层倾角方程图解由图中K90、h值可作正交图线解出相应的c。2.3地层造斜力2021/3/428对各向同性地层(h=0)，理想钻头(K90=1)，可得：c=45对各向异性地层h＞0，可得：c＞45一般情况下，c在45~60间(少数也有c＞60)分析与推论2.3地层造斜力2021/3/429判据：当实际地层倾角＜c，地层力使钻头向上倾偏斜＞c，地层力使钻头向下倾偏斜这就解释了现场经验，从分析上确定了“不确定”的真实趋向。当＜45≤c，肯定向上倾偏斜当＞60，但＜c，也向上倾偏斜；＞c，即向下倾偏斜2.3地层造斜力2021/3/430(1)综合考虑多种实际影响因素，地层力公式改写为式中BfPHHF)(tg1)tg(2H—综合切削各向异性指数，它考虑了钻头切削异性的影响，其值可由公式计算，也可由现场资料统计反求。粗略计算时可取：H≈h。(5)地层力Ff的计算2.3地层造斜力2021/3/431(2)基本结论地层力与钻压成正比地层力随地层倾角与岩石各向异性指数h的增大而增大地层力有使钻进方向向地层法向靠拢的趋势在垂直钻井开始时(=0)，地层力最大；随增大地层力减小，直至max=时地层力为02.3地层造斜力2021/3/432(3)分析与应用为什么满眼钻具组合在“重压快钻”时，仍不能保持垂直钻进(大钻压引起大的地层造斜力）；为了降斜必须吊打(大钻压不仅减小降斜力，甚至产生增斜力，而且又引起很大地层造斜力)；在高陡构造条件下，足够大的地层力会使满眼组合发生偏斜，会使钟摆钻具在小钻压下也难以有效降斜2.3地层造斜力2021/3/4333.1满眼组合防斜技术3.2钟摆组合降斜技术3.3其它的防斜技术3、常规防斜纠斜技术2021/3/434这种钻具组合一般要装三个稳定器(或在大钻铤外表面适当位置加焊硬合金扶正块)，下稳定器靠近钻头，多为螺旋稳定器，依次向上是短钻铤(3m左右)、中间稳定器、钻铤(1根)和上稳定器。3.1满眼组合防斜技术(1)结构特征图8满眼钻具的结构特征2021/3/435这种钻具组合有“满眼”、“刚性”的结构特点。即其稳定器外径接近井眼尺寸，钻铤外径较大，具有较强的抗弯能力，故能承受较高钻压而变形较小，使钻具组合在井眼内基本居中。下稳定器具有抵抗地层造斜力的能力。这种钻具组合的钻头侧向力Pα一般较小，且在钻压大幅度变化时基本保持常量，因此能在钻压作用下实现快速钻进，基本维持井斜角不变，使井身具有较小的井斜变化率。(2)防斜机理3.1满眼组合防斜技术2021/3/436钻具组合为：216(mm)钻头+216近钻头稳定器S1+178短钻铤+126稳定器S2+178钻铤+216稳定器S3+178钻铤。图9满眼组合的力学特性(3)力学特性3.1满眼组合防斜技术2021/3/437第一稳定器直径减小(间隙加大)，使钻具力P明显下降；该稳定器越靠近钻头，这种影响作用愈强；在研磨性地层中考虑这一点十分重要。第二稳定器的磨损可加大钻具组