造斜點(diǎn)和造斜率計(jì)算

1、第二章造斜點(diǎn)選擇及造斜率計(jì)算第一節(jié)造斜點(diǎn)選擇在定向井設(shè)計(jì)與施工中，造斜點(diǎn)的選擇很重要，其具體選擇遵循如下原則： 造斜點(diǎn)應(yīng)選在比較穩(wěn)定的地層，避免在巖石破碎帶，漏失地層，流砂層或容易坍塌等復(fù)雜地層定向造斜，以免出現(xiàn)井下復(fù)雜情況，影響定向施工。 應(yīng)選在可鉆性較均勻的地層，避免在硬夾層定向造斜。 造斜點(diǎn)的深度應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)井的垂直井深，水平位移和選用的剖面類型決定，并要考慮滿足采油工藝的需要。如：設(shè)計(jì)垂深大、位移小的定向井，應(yīng)采用深層定向造斜，以簡化井身結(jié)構(gòu)和強(qiáng)化直井段鉆井措施，加快鉆井速度。對于設(shè)計(jì)垂深小，位移大的定向井，則應(yīng)提高造斜點(diǎn)的位置，在淺層定向造斜，這樣既可減少定向施工的工作量，又可滿足大水

2、平位移的要求。 在井眼方位漂移嚴(yán)重的地層鉆定向井，造斜點(diǎn)位置選擇應(yīng)盡可能使斜井段避開方位自然漂移大的地層或利用井眼方位漂移的規(guī)律鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。 造斜點(diǎn)高使得定向容易（起下鉆和測量快，容易定準(zhǔn)，進(jìn)尺快，動(dòng)力鉆具工作時(shí)間短）；上部地層軟，形成的鍵槽軟，易破壞掉；用較小的井斜獲得的位移大。其缺點(diǎn)是軌跡控制井段變長，后面井段長，鉆具重，更容易形成鍵槽。通常達(dá)到穩(wěn)斜段后、下一層技套封固造斜段可避免鍵槽帶來的麻煩。 造斜點(diǎn)低則定向困難，需要的造斜率和最大井斜相對要大。但需要控制的井段大大縮短，為了準(zhǔn)確，往往采用隨鉆測量工具定向。高造斜點(diǎn)選用高造斜率是十分危險(xiǎn)的。它形成的狗腿角大，很容易在下部（長井段）鉆具重

3、量作用下形成嚴(yán)重的鍵槽，造成卡鉆。相反，為了減少軌跡控制的工作量，提高定向井鉆井速度，在位移條件允許情況下，可采用低造斜點(diǎn)高造斜率施工，全井的摩阻也會(huì)因斜井段短而變小。同樣，需要隨鉆測量手段保證定向的準(zhǔn)確。第二節(jié)短彎外殼導(dǎo)向鉆具的造斜率計(jì)算根據(jù)短彎外殼導(dǎo)向鉆具在井眼中的造斜特性，推導(dǎo)了導(dǎo)向鉆具組合造斜率的計(jì)算公式，方法是精確的，沒有做近似處理。這種方法還能考慮近鉆頭扶正囂的欠尺寸影響，可對在井眼軌跡控制中使用的單彎和雙彎導(dǎo)向鉆具組合進(jìn)行預(yù)測計(jì)算。這種方法易編成計(jì)算機(jī)程序，在現(xiàn)場使用。在大斜度井和水平井的鉆井中，越來越多地用到了短彎外殼導(dǎo)向動(dòng)力鉆具。短彎外殼導(dǎo)向力鉆具組合都帶有一個(gè)短外殼的馬達(dá)，

4、由于彎接頭以下部分的長度較短,使這類鉆具組合能鉆出較大曲率的井眼，而又能在井眼中順利通過。一般認(rèn)為平衡曲率或極限曲率是鉆具組合的造/降斜率。鉆具組合的平衡曲率是鉆頭側(cè)力等于零時(shí)的井眼曲率。當(dāng)短彎外殼導(dǎo)向動(dòng)力鉆具組合的鉆頭側(cè)向力等于零時(shí)，這種鉆具組合能基本上保持其剛性形狀，所以它的幾何形狀能基本上決定它的造斜率。這就是在計(jì)算短彎外殼導(dǎo)向動(dòng)力鉆具組合的造斜率時(shí)，區(qū)別于一般轉(zhuǎn)盤鉆井鉆具組合的地方。后者在鉆壓、自重和鉆井液等載荷的作用下要發(fā)生變形，需要根據(jù)受力與變形分析來確定平衡曲率（或極限曲）。1、三點(diǎn)定圓的解析解過三個(gè)非共線點(diǎn)(x1,x2),(x2,y2)，(x3,y3)的圓的方程是:2,2x +

5、yxy12,2xi 十yixiyi1_212,0x2+y2x2y2122x3+y3&y31為了方便，取其中的一點(diǎn)為原點(diǎn)，展開上式，則:x2x3y2y3(x22y2)-x2x32y22y3y2y32x22x32y22y3x2x3X2x3y2y3x2y2A1x旦yDDB1=x2+x2+2y22y3又2x3(D(2)(3)(4)眾所周知，對于圓，x2+y2+Ax+By+C=0的半徑是R=(A2+B2-4C)/4,將（4）式中的系數(shù)代入，則R=（A2+B：）/4D2,該圓的曲率是:,57.2957830k二=57.29578302DA2B12(/30m)(5)2、導(dǎo)向動(dòng)力鉆具“三點(diǎn)公式”的推證對于單彎

6、雙穩(wěn)定器導(dǎo)向鉆具組合，國外文獻(xiàn)認(rèn)為上穩(wěn)定器、彎點(diǎn)和鉆頭三點(diǎn)決定鉆出的圓弧。根據(jù)本文提出的解析方法，可以求出這個(gè)導(dǎo)向鉆具圓弧曲率精確表達(dá)式。如圖1,取上穩(wěn)定器為坐標(biāo)原點(diǎn)，分別得出上穩(wěn)定器、彎點(diǎn)和鉆頭三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)為(0,0),(0,L2),(LiSina,L2+LiCOSa)將三個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)代入(3)式得:2.D=-LUsin二Ai=-(LiL2cos)LiL2,Bi=LiL2Sin.i將D、Ai、Bi的表達(dá)式代入(3)式得：(6)2sin;(L2L：2LiL2cos：)i/2當(dāng)ot較小時(shí)，sina,cosa電i,則k=2ct/(L1+L2),這就是“三點(diǎn)公式”推證過程說明，它是一個(gè)近似式，準(zhǔn)確表達(dá)

7、式是(6)式。3、各種單彎鉆具造斜率的計(jì)算3.i單彎雙穩(wěn)定器導(dǎo)向鉆具組合單彎雙穩(wěn)定器導(dǎo)向鉆具組合(圖i)是現(xiàn)場用得較多的一種鉆具組合，一般用“三點(diǎn)公式”進(jìn)行計(jì)算。在這個(gè)公式中，由鉆頭、彎點(diǎn)和上穩(wěn)定器三點(diǎn)來確定鉆出井眼曲率，(6)式是這個(gè)圓弧曲率的精確表達(dá)式。但是，在這個(gè)公式中沒有用到L。，這是“三點(diǎn)公式”不合理的地方，因普遍認(rèn)為Lo是影響鉆具組合造斜率的重要參數(shù)。仔細(xì)研究一下，這個(gè)公式取彎點(diǎn)作為決定圓弧的三點(diǎn)之一是不合理的，因?yàn)閺濣c(diǎn)不一定處于井眼中心線上，它可以和下井壁接觸，也可以和上井壁接觸。所以，選下穩(wěn)定器取代三點(diǎn)中的彎點(diǎn)是合理的。選定上、下穩(wěn)定器和鉆頭作為確定圓弧的三個(gè)點(diǎn)之后，選上穩(wěn)定器

8、為坐標(biāo)原點(diǎn)，確定兩個(gè)穩(wěn)定器及鉆頭三點(diǎn)的坐標(biāo)為：(xi=0,yi=0)X2=(L-L0)sina,y2=L2+(L|-L0)cos口】，(7)(X3=Lisina,y=L3+Lcos)圖i單彎雙穩(wěn)定器導(dǎo)向鉆具組合圖2單彎雙穩(wěn)定器導(dǎo)向鉆具組合下穩(wěn)定器是短彎外殼本體上的欠尺寸穩(wěn)定器，和井壁之間有間隙。為了考慮這個(gè)間隙的影響，將(7)式中穩(wěn)定器2的坐標(biāo)修改為：x2=(L1-L0)sinot-dcosa20(8)x3=L2+(L1-L0)cosct+5sina其中a是下穩(wěn)定器與井壁的間隙。如果使用“三點(diǎn)公式”，則k=8.880/30m,比例1中計(jì)算的結(jié)果大31.75%?？梢钥闯?，“三點(diǎn)公式”的結(jié)果偏高不

9、少。圖2是單彎雙穩(wěn)定器導(dǎo)向鉆具的造斜率隨彎角的變化曲線。圖中間隙是指下穩(wěn)定器與井壁的間隙，間隙1mmffi間隙0mmi勺兩根線基本平行，說明下穩(wěn)定器與井壁的間隙對鉆具造斜率的影響不隨彎角大小而變化。間隙1mm寸鉆具的造斜率大于無間隙時(shí)鉆具的造斜率，所以將下穩(wěn)定器設(shè)計(jì)成欠尺寸的，有利于提高鉆具組合的造斜率。還可以看出，隨著彎角的增大，“三點(diǎn)公式”的計(jì)算結(jié)果和本文前計(jì)算結(jié)果相差越來越大。雙彎不帶穩(wěn)定器的導(dǎo)向鉆具組合雙彎不帶穩(wěn)定器的導(dǎo)向鉆具組合鉆出的井眼曲率由彎點(diǎn)1、2和鉆頭底側(cè)3確定(圖3),這與有關(guān)文獻(xiàn)中的假設(shè)是不一樣的。有的文獻(xiàn)假設(shè)兩個(gè)彎點(diǎn)和鉆頭中心確定了鉆出的圓孤，這樣就忽略了井眼間隙的影響

10、。從井眼的實(shí)際情況來看，這種不帶穩(wěn)定器的鉆具組合，其造斜率受到鉆具與井壁間隙的影響。圖3雙彎不帶穩(wěn)定器的導(dǎo)向鉆具組合取上彎點(diǎn)1為原點(diǎn)，則彎點(diǎn)2和鉆頭底側(cè)3的坐標(biāo)可以寫為:(Xi=0,yi=0)X2=L2sina,y2=L2cosaX3=Lzsin工;Lisin(:工一l：1)一cos(二一旦)ylL2cos：sLicos(：)-、sin(:工，；)同向雙彎無穩(wěn)定器導(dǎo)向鉆具組合同向雙彎帶雙穩(wěn)定器的導(dǎo)向鉆具組合的結(jié)構(gòu)如圖4,上、下穩(wěn)定器1、2和鉆頭3決定鉆出的井眼曲率。取上穩(wěn)定器1為原點(diǎn)，則圖4同向雙彎無穩(wěn)定器導(dǎo)向鉆具(Xi=0,yi=0)“(I0)x2=L2sin+(L|-Lo)sin(a+P)

11、y2=L2cos+(LI-Lo)cos(a+B)十L3x3=L2sina+L|sin(a+P)y3=L2cos，cosaI)L3如果考慮下穩(wěn)定器與井壁間隙的影響，則將2點(diǎn)的坐標(biāo)修口(ii)x2=L2sin(Li-Lo)sin(-：),-1)-、cos(-：；)y2=L2cos工(Li-Lo)cos(,工I)L3-sin(工、l)其中6是下穩(wěn)定囂與井壁的間隙。異向雙彎帶雙穩(wěn)定器導(dǎo)向鉆具組合異向雙彎帶雙穩(wěn)定器的導(dǎo)向鉆具組合，同樣是由上、下穩(wěn)定器I、2和鉆頭3決定鉆出的井眼曲率，如圖5。取上穩(wěn)定器I為坐標(biāo)原點(diǎn)，則(Xi=0,yi=0)x2=-L2sino(+(L1-Lo)sin(P-a)y2=L2c

12、osot+(L1Lo)cos(a+P)+L3(12)x3=-L2sina+L|sin(P-a)y3=L2cos二二L1cosc；)L3如果考慮下穩(wěn)定器與井壁間隙的影響，則將2點(diǎn)的坐標(biāo)修改為：x2=-L2sina+(L1-Lo)sin(P-a)-dcos(P-a)、rjALB)y2:L2cos：-(L1Lo)cos(-)L3-，)sin(-)|其中6是下穩(wěn)定器與井壁的間隙。4、工具造斜能力的預(yù)測方法對工具造斜能力的預(yù)測是工具設(shè)計(jì)或選型的首要問題，也是大斜度井井眼軌道控制的關(guān)鍵之一，在有多靶區(qū)造斜段的井身中，由于井斜增加快，設(shè)計(jì)井段短，如果發(fā)現(xiàn)因工具造斜率不準(zhǔn)而造成實(shí)鉆軌道嚴(yán)重偏離設(shè)計(jì)軌道，那么往

13、往沒有足夠的井段作為調(diào)整和校正的余地。尤其是在多靶區(qū)井段只有一段造斜段的多目標(biāo)井，可能會(huì)因工具造斜率的誤差而不能使軌道擊中目標(biāo)窗口。國外文獻(xiàn)中多以“三點(diǎn)定園法，來預(yù)測導(dǎo)向鉆具組合的造斜率。嚴(yán)格來說，這種僅憑導(dǎo)向鉆具上三點(diǎn)(鉆頭、下穩(wěn)定器和上穩(wěn)定器)問的幾何關(guān)系來計(jì)算造斜率的方法是值得商榷的。一方面，它未考慮地層特性、井眼幾何條件和工藝參數(shù)的影響；另一方面，對于鉆具本身的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)(如穩(wěn)定器直徑、鉆具組合的剛度等)的影響也未加以考慮。重要的是，由三點(diǎn)定園法可以得出“近鉆頭穩(wěn)定器離鉆頭越遠(yuǎn)造斜率越高”的結(jié)論，這明顯與實(shí)際情況相悖。通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)證明運(yùn)用此法預(yù)測工具造斜率誤差較大。再者，對于不帶穩(wěn)定

14、器的單彎動(dòng)力鉆具，三點(diǎn)定圓法因找不到“三點(diǎn)”而無法計(jì)算造斜率。結(jié)構(gòu)參數(shù)中下穩(wěn)定器離鉆頭愈近，其鉆頭側(cè)向力愈大，相應(yīng)造斜率愈高，增大結(jié)構(gòu)彎角可顯著提高造斜力和造斜率。另外，下穩(wěn)定器的磨損會(huì)明顯降低側(cè)向力和造斜率。減小上穩(wěn)定器外徑會(huì)使側(cè)向力和造斜率略有增加，鉆頭側(cè)向力對鉆壓不敏感。但是，由于地層與鉆壓成正比，鉆壓的變化還影響機(jī)械鉆速與側(cè)向切削效果，因此鉆壓仍是影響造斜率的重要因素。由于鉆壓可以人為調(diào)節(jié)，所以它是鉆井過程中調(diào)節(jié)造斜率的關(guān)鍵因素。由理論分析得出的另一條重要結(jié)論是：工具的極限曲率對井斜角很不敏感，亦即當(dāng)井斜角變化很大時(shí)，工具的極限曲率相對變化較小，進(jìn)而言之，工具的平均造斜能力幾乎不受井斜角的影響，無論是在初始定向階段，還是在大斜度井段，工具都能以比較固定的造斜率進(jìn)行造斜。這就是導(dǎo)向鉆具可以連續(xù)造斜、保持井眼均勻園滑的原因。這一結(jié)論對工具設(shè)計(jì)和井眼軌道控制具有重要意義在選擇工具造斜率時(shí)，重點(diǎn)要考慮：工具的平均造斜率要略大于井眼軌道的設(shè)計(jì)增斜率，盡管工具的造斜能力是經(jīng)過精心設(shè)計(jì)的，對造斜工具選用前要進(jìn)行定量預(yù)測，但由于地層因素等方面的原因，總會(huì)使理論造斜率和實(shí)際造斜率之間存在誤差。即便是同一個(gè)工具，在不同地區(qū)鉆井其造斜率也不會(huì)完全相同。為了便于控