扶正器鉆具組合

1、扶正器鉆具組合扶正器鉆具組合石油大學(xué)（華東）石油大學(xué)（華東）韓志勇韓志勇1. 單扶組合的力學(xué)分析；單扶組合的力學(xué)分析；2. 單扶組合的力學(xué)特性；單扶組合的力學(xué)特性；3. 多扶組合的力學(xué)特性；多扶組合的力學(xué)特性；4. 扶正器組合使用注意事項(xiàng)；扶正器組合使用注意事項(xiàng)；5. 實(shí)用扶正器鉆具組合；實(shí)用扶正器鉆具組合；轉(zhuǎn)盤鉆扶正器組合轉(zhuǎn)盤鉆扶正器組合4此類工具此類工具不能用于改變井眼方位不能用于改變井眼方位，僅能在已有一定斜度的井眼內(nèi)，僅能在已有一定斜度的井眼內(nèi)改變井斜，即進(jìn)行增斜、降斜或穩(wěn)斜。改變井斜，即進(jìn)行增斜、降斜或穩(wěn)斜。4此類工具是在轉(zhuǎn)盤鉆的基礎(chǔ)上，利用靠近鉆頭的鉆鋌部分，巧妙此類工具是在轉(zhuǎn)盤鉆

2、的基礎(chǔ)上，利用靠近鉆頭的鉆鋌部分，巧妙地使用扶正器，得到各種性能的組合。地使用扶正器，得到各種性能的組合。 420世紀(jì)世紀(jì)80年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)扶正器鉆具組合的研究逐步深入。年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)扶正器鉆具組合的研究逐步深入。運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)和計(jì)算機(jī)工具，出現(xiàn)了微分方程法、有限元法、運(yùn)用數(shù)學(xué)、力學(xué)和計(jì)算機(jī)工具，出現(xiàn)了微分方程法、有限元法、縱橫連續(xù)梁法、加權(quán)余量法等等方法，且都需要使用較復(fù)雜的計(jì)縱橫連續(xù)梁法、加權(quán)余量法等等方法，且都需要使用較復(fù)雜的計(jì)算機(jī)程序。算機(jī)程序。4在沒(méi)有計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算在情況下，可使用現(xiàn)場(chǎng)常用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在沒(méi)有計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算在情況下，可使用現(xiàn)場(chǎng)常用的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。4轉(zhuǎn)盤鉆扶正器組合有

3、三種：轉(zhuǎn)盤鉆扶正器組合有三種： 增斜組合；增斜組合； 穩(wěn)斜組合；穩(wěn)斜組合； 降斜組合；降斜組合；單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4單扶組合的鉆頭受力分析：?jiǎn)畏鼋M合的鉆頭受力分析： 鉆壓：P 上部鉆柱在泥漿中的重力，通過(guò)鉆柱傳遞到鉆頭上。方向與鉆頭軸線一致。 鉆壓P可分解為平行井眼軸線和垂直井眼軸線的兩個(gè)分量： 角是鉆頭軸線與井眼軸線的夾角。Fi 構(gòu)成鉆頭側(cè)向力的一部分。cosPPosinPFi單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4單扶組合的鉆頭受力分析：?jiǎn)畏鼋M合的鉆頭受力分析： 鐘擺力：Fb 扶正器以下鉆柱的重量為W，作用點(diǎn)在該段鉆柱的中點(diǎn)a 點(diǎn)。 W可以分解為平行鉆柱軸線和垂直鉆柱軸線的

4、兩個(gè)分量： 角是扶正器以下鉆柱所在的井斜角。Fa 即是鐘擺力。 Fa作用到鉆頭上即為Fb 。cosWPasinWFaabFF21單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4單扶組合的鉆頭受力分析：?jiǎn)畏鼋M合的鉆頭受力分析： 彎矩Mc： 扶正器以上到切點(diǎn)的鉆柱的重力，在垂直鉆柱軸線方向的分量，相當(dāng)一個(gè)杠桿力，通過(guò)扶正器形成彎矩Mc 。 Mc 作用到鉆頭上，形成鉆頭的側(cè)向力Fc ，是鉆頭上側(cè)向力的一部分： L是鉆頭至扶正器的距離，但Mc的大小是不知道的，所以Fc難以計(jì)算。LMFcc單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4單扶組合的鉆頭受力分析：?jiǎn)畏鼋M合的鉆頭受力分析： 地層橫向力：Ff 地層橫向力是由于地層

5、的傾斜以及地層可鉆性的各向異性造成的。 Ff可能是增斜，也可能是降斜。 作用在鉆頭上的所有垂直與井眼軸線的橫向力，與平行井眼軸線的鉆壓的合力，以Q表示，即為作用于鉆頭上的所有力的合力。 Q與井眼軸線的夾角，以表示。 Q 和可用下頁(yè)公式定性表示：?jiǎn)畏鼋M合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4單扶組合的鉆頭受力分析：?jiǎn)畏鼋M合的鉆頭受力分析： 此只能定性說(shuō)明問(wèn)題，不可定量此只能定性說(shuō)明問(wèn)題，不可定量計(jì)算。計(jì)算。22)(oPFQoPFtgcossin5 . 0/sinPWLMFPPFFFFPFtgcfobcfio單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4井眼前進(jìn)的方向：井眼前進(jìn)的方向： 井眼前進(jìn)的方向，不是鉆頭井

6、眼前進(jìn)的方向，不是鉆頭軸線方向，即鉆壓軸線方向，即鉆壓P的方向，的方向，因?yàn)樵阢@頭上還作用有其他因?yàn)樵阢@頭上還作用有其他橫向力；橫向力； 井眼前進(jìn)的方向，也不是鉆井眼前進(jìn)的方向，也不是鉆頭上所有力的合力頭上所有力的合力Q的方向。的方向。因?yàn)殂@頭具有各向異性，軸因?yàn)殂@頭具有各向異性，軸向和側(cè)向的切削能力是不同向和側(cè)向的切削能力是不同的。的。 一般來(lái)說(shuō)，側(cè)向切削能力小一般來(lái)說(shuō)，側(cè)向切削能力小于軸向，所以，實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)于軸向，所以，實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)前進(jìn)方向，實(shí)在前進(jìn)方向，實(shí)在P和和Q兩個(gè)兩個(gè)方向之間。方向之間。 越大，則井眼增斜越強(qiáng)。越大，則井眼增斜越強(qiáng)。由下頁(yè)公式可以分析如何控由下頁(yè)公式可以分析如何控制增

7、斜、降斜。制增斜、降斜。單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4井斜變化分析：井斜變化分析：4為正則增斜，為正則增斜， 為負(fù)則降斜；為負(fù)則降斜； 欲增斜：欲增斜： 增大增大 ：用小鉆鋌，大鉆壓，壓：用小鉆鋌，大鉆壓，壓彎鉆柱；彎鉆柱； 增大增大Mc，縮短，縮短L; 減小減小W：用小鉆鋌；：用小鉆鋌； 欲降斜：欲降斜： 減小減小 ：用大鉆鋌，小鉆壓，不：用大鉆鋌，小鉆壓，不要壓彎鉆柱；要壓彎鉆柱； 減小減小Mc，增大，增大L; 增大增大W：用大鉆鋌；：用大鉆鋌； 井斜角井斜角也影響也影響 ；cossin5 . 0/sinPWLMFPPFFFFPFtgcfobcfio單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)

8、分析4三種組合： A組合：增斜組合。組合產(chǎn)生正向側(cè)向力。第一杠桿原理。 B組合：降斜組合。產(chǎn)生負(fù)向側(cè)向力。第二杠桿原理。 C組合：可能增斜，也可能降斜，也可能是不增不降的穩(wěn)斜。單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4扶正器具鉆頭的距離L對(duì)側(cè)向力的影響： 在A點(diǎn)以前，隨著L增大，組合產(chǎn)生增斜力，且隨L增大而減??； 在A點(diǎn)和B點(diǎn)之間，組合產(chǎn)生降斜力，且隨L增大而增大到最大值，然后又逐漸減小。 過(guò)了B點(diǎn)，扶正器不起作用，相當(dāng)于光鉆鋌產(chǎn)生負(fù)側(cè)向力。單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4側(cè)向力與井斜角的關(guān)系：側(cè)向力與井斜角的關(guān)系： 增斜組合：增斜組合：井斜角增大，則增斜力增大； ，則，則Fg，F(xiàn)c；LWA

9、LFAFgcsin單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4側(cè)向力與井斜角的關(guān)系：側(cè)向力與井斜角的關(guān)系： 降斜組合：降斜組合：井斜角增大，則降斜力增大； ，則，則Fg，F(xiàn)c；sin2121WFFgc單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4側(cè)向力與井斜角的關(guān)系：側(cè)向力與井斜角的關(guān)系： 對(duì)于接近中性的組合（L=7米為例），井斜角減小，可能成為增斜組合；井斜角增大，可能成為降斜組合。 理論上講，單扶組合可以用作增斜組合、降斜組合，也可用于穩(wěn)斜組合。 但實(shí)際上不能用于穩(wěn)斜組合。因?yàn)橛糜诜€(wěn)斜組合，性能是不穩(wěn)定的，不是增，就是降。 單扶組合實(shí)際上僅用單扶組合實(shí)際上僅用于增斜或降斜于增斜或降斜。單扶組合的力學(xué)分析

10、單扶組合的力學(xué)分析4鉆壓對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響鉆壓對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響： 增斜組合增斜組合： 規(guī)律性：在一定的組合、一定的井斜角和井眼尺寸下，鉆壓對(duì)側(cè)向力的影鉆壓對(duì)側(cè)向力的影響是很微小的響是很微小的。 為什么？ 在一定井斜角下，Lg長(zhǎng)度是由切點(diǎn)一下扶正器以上鉆柱重力的分量決定的。 在增斜鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于切點(diǎn)以下鉆柱的重量。 鉆壓的變化，只是引起切點(diǎn)以上躺在井壁下側(cè)的鉆柱長(zhǎng)度的變化。不影響Lg長(zhǎng)度鉆柱的重量。 所以， 側(cè)向力不隨鉆壓的大小而變化。 但不可形成錯(cuò)覺(jué)：P=0時(shí)，側(cè)向力也會(huì)是那么大！此使整個(gè)鉆柱的重力全被大鉤承擔(dān)，形不成切點(diǎn)。單扶組合的力學(xué)特性單扶組合的力學(xué)特性4鉆壓對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響鉆

11、壓對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響： 降斜組合降斜組合： 在一定的組合、一定的井斜角和井眼尺寸下，鉆壓的增大，將使切點(diǎn)一下鉆柱彎曲增大。彎曲增大，鉆頭向上傾斜角度增大，鉆壓的側(cè)向分量增大。 鉆壓繼續(xù)增大，鉆柱繼續(xù)彎曲，在扶正器和鉆頭之間將出現(xiàn)新的切點(diǎn)。 在出現(xiàn)新切點(diǎn)之前，鐘擺力不會(huì)減小，但由于鉆壓的側(cè)向分量增大， 將使降斜測(cè)向力減小。 在出現(xiàn)新切點(diǎn)之后，鐘擺力將會(huì)大大減小，即降斜測(cè)向力減小。 總的說(shuō)，降斜組合，鉆壓的增大將使降斜測(cè)向力減小?？偟恼f(shuō)，降斜組合，鉆壓的增大將使降斜測(cè)向力減小。單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4鉆鋌直徑對(duì)側(cè)向力的影響鉆鋌直徑對(duì)側(cè)向力的影響： 降斜組合：降斜組合： 對(duì)降斜組合來(lái)說(shuō)

12、，鉆鋌直徑對(duì)降斜組合來(lái)說(shuō)，鉆鋌直徑的影響，是明確的，即隨著的影響，是明確的，即隨著鉆鋌直徑的增加，鐘擺力將鉆鋌直徑的增加，鐘擺力將增大，因而鉆頭側(cè)向力將增增大，因而鉆頭側(cè)向力將增大。大。 在井眼直徑、扶正器直徑、在井眼直徑、扶正器直徑、扶正器具鉆頭的距離都不變扶正器具鉆頭的距離都不變的情況下，顯然，鉆鋌直徑的情況下，顯然，鉆鋌直徑越大，重力就越大，所以鐘越大，重力就越大，所以鐘擺力越大。擺力越大。單扶組合的力學(xué)分析單扶組合的力學(xué)分析4鉆鋌直徑對(duì)側(cè)向力的影響鉆鋌直徑對(duì)側(cè)向力的影響： 增斜組合：增斜組合： 對(duì)降斜組合來(lái)說(shuō)，鉆鋌直徑的影對(duì)降斜組合來(lái)說(shuō)，鉆鋌直徑的影響，不是簡(jiǎn)單的關(guān)系。影響側(cè)向響，不是

13、簡(jiǎn)單的關(guān)系。影響側(cè)向力的因素，不僅有鉆鋌的重力，力的因素，不僅有鉆鋌的重力， 還有還有扶正器到切點(diǎn)的距離扶正器到切點(diǎn)的距離，此距，此距離隨鉆鋌直徑增大而減??；離隨鉆鋌直徑增大而減??； 還有此距離內(nèi)還有此距離內(nèi)鉆鋌的彎曲情況鉆鋌的彎曲情況，鉆鋌剛度越大，彎曲就越厲害；鉆鋌剛度越大，彎曲就越厲害； 即隨著鉆鋌直徑的增加，側(cè)向力即隨著鉆鋌直徑的增加，側(cè)向力將增大，還是減??？不能直觀地將增大，還是減??？不能直觀地看出來(lái)。這是通過(guò)力學(xué)模型，利看出來(lái)。這是通過(guò)力學(xué)模型，利用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算，才能得知。用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算，才能得知。多扶組合的力學(xué)特性多扶組合的力學(xué)特性4實(shí)用多扶組合的必要性：實(shí)用多扶組合的必要性

14、： 1. 單扶組合僅用于增斜和降斜。由于單扶穩(wěn)斜組合性能的不穩(wěn)定性，穩(wěn)斜組合都是多扶正器組合。 2. 對(duì)于增斜降斜組合，由于以下原因，也廣泛使用多扶組合： 單扶組合的鉆柱可能大段與井壁接觸，產(chǎn)生粘附卡鉆或壓差卡鉆的可能性較大，而多扶組合可大大減小鉆柱與井壁的接觸； 用單扶增斜或單扶降斜組合鉆出的彎曲井眼，如果再下入多扶組合（例如多扶穩(wěn)斜組合），則容易出現(xiàn)阻卡現(xiàn)象。使用多扶增降組合，則容易下入。多扶組合的力學(xué)特性多扶組合的力學(xué)特性4多扶增斜組合的結(jié)構(gòu)： 標(biāo)準(zhǔn)多扶增斜組合：A 在標(biāo)準(zhǔn)增斜組合基礎(chǔ)上，可以變化，適當(dāng)減小增斜率； 減小第一和第二扶正器之間的距離，B ； 減小后，在第二扶正器之上，在加一

15、個(gè)扶正器，C ；多扶組合的力學(xué)特性多扶組合的力學(xué)特性4多扶增斜組合的結(jié)構(gòu)： 柔性多扶增斜組合： 柔性組合A ，使用1根小尺寸鉆鋌。國(guó)外稱作“giligan”。若標(biāo)準(zhǔn)增斜組合的增斜率為20/30m ，則“giligan”增斜率可達(dá)到30/30m 。 柔性組合B ，使用兩根相應(yīng)的鉆桿或無(wú)磁鉆桿。若標(biāo)準(zhǔn)增斜組合的增斜率為20/30m ，則此種柔性組合增斜率可達(dá)到4050/30m 。多扶組合的力學(xué)特性多扶組合的力學(xué)特性4多扶穩(wěn)斜組合的結(jié)構(gòu)： 標(biāo)準(zhǔn)多扶穩(wěn)斜組合A ：三個(gè)扶正器組成； 在標(biāo)準(zhǔn)增斜組合基礎(chǔ)上，可以變化，適當(dāng)改變?cè)鲂甭剩?B：在三扶之上，每個(gè)10m 加第四甚至第五個(gè)扶正器。增大增斜率 ； C：

16、適當(dāng)加大第一和第二扶正器之間的距離。減小增斜率 ；多扶組合的力學(xué)特性多扶組合的力學(xué)特性4多扶降斜組合的結(jié)構(gòu)： 標(biāo)準(zhǔn)多扶降斜組合A ：兩個(gè)扶正器組成，鉆頭至一扶距離20m； 在標(biāo)準(zhǔn)組合基礎(chǔ)上以變化，適當(dāng)改變降斜率； B：減小鉆頭至一扶的距離，減小降斜率； C：在鉆頭上加一個(gè)欠尺寸扶正器，減小降斜率 ； D：用一根小尺寸鉆鋌，增大降斜率；影響多扶組合性能的因素影響多扶組合性能的因素4增斜組合： 鉆壓對(duì)增斜組合側(cè)向力的影響，是不顯著的，是比較小的； 在組合、鉆壓不變情況下，井斜角增大則側(cè)向力增大；4穩(wěn)斜組合： 鉆壓對(duì)穩(wěn)斜組合性能的影響是很小的。所以在穩(wěn)斜鉆進(jìn)中，可以根據(jù)眼使性能改變鉆壓。 穩(wěn)斜組合對(duì)

17、井斜角的變化是敏感的。井斜角增大，則負(fù)側(cè)向力增大。所以，在井斜較小時(shí)顯示穩(wěn)斜的組合，在井斜較大時(shí)可能顯示為降斜組合。4降斜組合： 鉆壓增大，鉆柱正向彎曲，負(fù)側(cè)向力減小，降斜率減??；扶正器組合的使用注意事項(xiàng)扶正器組合的使用注意事項(xiàng)4增斜組合增斜組合： 在軟軟地層中使用： 軟地層中鉆進(jìn)，地層因素（傾角、走向、軟硬變化等）影響較小。 影響增斜率的主要因素是鉆具力學(xué)因素； 軟地層水力沖蝕、扶正器和鉆頭的側(cè)向刮切等作用顯著，容易井徑擴(kuò)大，使增斜率下降。 要達(dá)到一定的增斜率，應(yīng)使用增斜能力強(qiáng)的組合。 在中硬中硬地層中使用： 地層構(gòu)造因素影響非常顯著；所以要特別注意掌握底層的造斜規(guī)律，運(yùn)用這些規(guī)律，控制井眼

18、方向。 在硬硬地層中鉆進(jìn)： 地層硬，則鉆頭和扶正器的直徑容易被磨小，不易保證增斜所需要的支點(diǎn)，從而影響增斜率； 鉆頭側(cè)向切削能力本來(lái)就小，在硬地層中，即使有較大的側(cè)向力，也難以側(cè)向切削出去，這也影響造斜率； 注意使用側(cè)向切削能力大的鉆頭；或注意發(fā)揮不對(duì)稱切削作用； 為了防止扶正器磨損，可使用擴(kuò)大器作為扶正器；扶正器組合的使用注意事項(xiàng)扶正器組合的使用注意事項(xiàng)4穩(wěn)斜組合：穩(wěn)斜組合： 穩(wěn)斜比增斜、降斜都要難，常常出現(xiàn)“穩(wěn)不住”的現(xiàn)象。這是因?yàn)榉€(wěn)斜的影響因素最多。 地層因素：傾角、走向、軟硬變化、軟地層中的井眼擴(kuò)大等； 鉆具因素：扶正器尺寸的磨損，特別是近鉆頭扶正器的磨損； 鉆進(jìn)參數(shù)：不對(duì)稱的水力沖蝕； 上述因素是穩(wěn)斜組合往往變成降斜組合。 穩(wěn)斜組合總是多扶正器。在硬地層中可能出現(xiàn)起下困難。切勿“強(qiáng)行下”入。 為保證穩(wěn)斜效果， 在硬地層可使用擴(kuò)大器代替緊鉆頭扶正器； 在中硬地層，為了克服地層力的作用，可使用長(zhǎng)翼扶正器或雙聯(lián)扶正器； 注意保持正常鉆壓和較高轉(zhuǎn)速；扶正器組合的使用注意事項(xiàng)扶正器組合的使用注意事項(xiàng)4降斜組合：降斜組合： 軟地層，鉆頭側(cè)向力容易發(fā)揮作用，井徑也容易擴(kuò)大，所以地層越軟，越容易降斜 ；反之，地層越硬，越不易降斜； 在較硬地層中，需要降斜時(shí)可