《鉆井工程3-井眼軌道設(shè)計(jì)與控制》

1、1第三章第三章 井眼軌道設(shè)計(jì)與控制井眼軌道設(shè)計(jì)與控制 井眼軌道設(shè)計(jì)井眼軌道設(shè)計(jì)是鉆井作業(yè)的基礎(chǔ)。根據(jù)油是鉆井作業(yè)的基礎(chǔ)。根據(jù)油田地質(zhì)情況、地面條件和鉆采技術(shù)水平，井眼田地質(zhì)情況、地面條件和鉆采技術(shù)水平，井眼軌道可設(shè)計(jì)為直井、定向井、水平井、叢式井軌道可設(shè)計(jì)為直井、定向井、水平井、叢式井或多底分支井等。或多底分支井等。 井眼軌道控制井眼軌道控制是采用各種技術(shù)，使鉆頭沿是采用各種技術(shù)，使鉆頭沿設(shè)計(jì)的井眼軌道鉆進(jìn)。設(shè)計(jì)的井眼軌道鉆進(jìn)。 主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容第二節(jié)第二節(jié) 鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)鉆柱及下部鉆具組合設(shè)計(jì)第三節(jié)第三節(jié) 井限軌道控制理論與技術(shù)井限軌道控制理論與技術(shù) 第四節(jié)第四節(jié) 短曲率半徑水

2、平井、徑向水平井短曲率半徑水平井、徑向水平井 鉆井系統(tǒng)簡介鉆井系統(tǒng)簡介 3一、基本概念一、基本概念二、各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系二、各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系三、井眼三、井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法軌道設(shè)計(jì)的原則和方法4井眼軌道：井眼軌道：是指在一口井鉆是指在一口井鉆進(jìn)之前人們預(yù)想的該井的進(jìn)之前人們預(yù)想的該井的井眼軸線形狀。井眼軸線形狀。井眼軌跡：井眼軌跡：是指一口已鉆成是指一口已鉆成的井的實(shí)際井眼軸線形狀，的井的實(shí)際井眼軸線形狀，也就是井眼軸線（井眼中也就是井眼軸線（井眼中心線）。心線）。 一、一、 基本概念基本概念（一）井眼軌道的基本要素（一）井眼軌道的基本要素5B B點(diǎn)垂直井深點(diǎn)垂直井深A(yù)A A點(diǎn)測(cè)量井

3、深：點(diǎn)測(cè)量井深：點(diǎn)井斜角點(diǎn)井斜角HB垂深、測(cè)深、井斜角的概念垂深、測(cè)深、井斜角的概念B井深：井深：B B678KBABAAA A井斜變化率的概念和計(jì)算井斜變化率的概念和計(jì)算井斜變化率井斜變化率 ：單位井段的井斜變化：單位井段的井斜變化9KBABA方位角、方位變化率的概念和計(jì)算方位角、方位變化率的概念和計(jì)算AB方位變化率方位變化率 ：單位井段的方位變化：單位井段的方位變化10E點(diǎn)水平位移：點(diǎn)水平位移：A AOAOAE E( (完井井底完井井底) )閉合距：閉合距：S SE EOEOE閉合方位角閉合方位角 水平位移：井身軌跡某點(diǎn)與井口位置的水平距離水平位移：井身軌跡某點(diǎn)與井口位置的水平距離水平位移

4、、閉合距、閉合方位角的概念水平位移、閉合距、閉合方位角的概念11A AAE12 井眼曲率井眼曲率KK：在單位井段在單位井段內(nèi)井眼前進(jìn)的方向在三維內(nèi)井眼前進(jìn)的方向在三維空間內(nèi)的角度變化，它既空間內(nèi)的角度變化，它既包含了井斜角的變化又包包含了井斜角的變化又包含了方位角的變化。含了方位角的變化。c222sin)()(ABABABKKKK222sinc狗腿嚴(yán)重度（狗腿度）狗腿嚴(yán)重度（狗腿度）全角變化率全角變化率狗腿角：狗腿角：井眼曲率：井眼曲率：2cBA井眼曲率的概念和計(jì)算井眼曲率的概念和計(jì)算13磁偏角的概念及其校正方法磁偏角的概念及其校正方法定義：地球正北方位線定義：地球正北方位線實(shí)測(cè)：地球磁北方位

5、線實(shí)測(cè)：地球磁北方位線方位角方位角兩線不重合形成夾角兩線不重合形成夾角磁偏角磁偏角磁偏角示意圖磁偏角示意圖若磁北方位線在正北方位線以東若磁北方位線在正北方位線以東東磁偏角（東磁偏角（C） 我國西部地區(qū)我國西部地區(qū)若磁北方位線在正北方位線以西若磁北方位線在正北方位線以西西磁偏角（西磁偏角（A） 我國東部地區(qū)我國東部地區(qū)磁偏角的確定磁偏角的確定實(shí)測(cè)實(shí)測(cè)由等偏地磁圖查得由等偏地磁圖查得用該地區(qū)的經(jīng)緯度計(jì)算用該地區(qū)的經(jīng)緯度計(jì)算由當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)部門提供由當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)部門提供磁偏角的校正方法：若為東磁偏角，與磁方位角相加；磁偏角的校正方法：若為東磁偏角，與磁方位角相加； 反之相減，即為井斜方位角。反之相減，即為井斜

6、方位角。14 oN(i)E(j)D(k)rotnbADmSh假設(shè)井眼軌跡是一條空間曲線，則可以用空間直角坐標(biāo)系來描述。選取笛假設(shè)井眼軌跡是一條空間曲線，則可以用空間直角坐標(biāo)系來描述。選取笛卡爾坐標(biāo)系卡爾坐標(biāo)系。原點(diǎn)。原點(diǎn)選在井口處；選在井口處；軸指向正北軸指向正北,單位矢量為單位矢量為；軸指向正東，單位矢量為軸指向正東，單位矢量為；軸垂直向下，單位矢量為；軸垂直向下，單位矢量為。 kjirDENoz北坐標(biāo)（北坐標(biāo)（）：從井口至井眼軸線上某一點(diǎn)）：從井口至井眼軸線上某一點(diǎn)在北坐標(biāo)軸上的投影的距離。在北坐標(biāo)軸上的投影的距離。z東坐標(biāo)（東坐標(biāo)（）：從井口至井眼軸線上某一點(diǎn)）：從井口至井眼軸線上某一點(diǎn)

7、在東坐標(biāo)軸上的投影的距離。在東坐標(biāo)軸上的投影的距離。z井眼撓率（井眼撓率（）：單位長度井段井眼軸線）：單位長度井段井眼軸線的主法線繞井眼軸線所轉(zhuǎn)過的角度的主法線繞井眼軸線所轉(zhuǎn)過的角度.15z 井身剖面由井身剖面由直井段、造斜段、穩(wěn)斜段、直井段、造斜段、穩(wěn)斜段、增斜段、降斜段增斜段、降斜段和和水平段水平段組合而成。組合而成。z 直井段直井段:設(shè)計(jì)井斜角為零度的井段。設(shè)計(jì)井斜角為零度的井段。z 造斜點(diǎn)（造斜點(diǎn)（）:開始定向造斜的位置開始定向造斜的位置稱為造斜點(diǎn)。以該點(diǎn)的井深來表示。稱為造斜點(diǎn)。以該點(diǎn)的井深來表示。z 造斜率（造斜率（）:造斜工具的造斜能力造斜工具的造斜能力,即即該造斜工具所鉆出的井

8、段的井眼曲率。該造斜工具所鉆出的井段的井眼曲率。z 造造(增增)斜段斜段:井斜角隨井深增加的井段井斜角隨井深增加的井段z 穩(wěn)斜段穩(wěn)斜段:井斜角保持不變的井段。井斜角保持不變的井段。z 降斜段降斜段:井斜角隨著井深的增加而減小的井斜角隨著井深的增加而減小的井段。井段。z 水平段：水平段：井斜角大于井斜角大于86的井段。的井段。 （二）（二）井身剖面井身剖面與精度控制與精度控制直井段直井段造斜點(diǎn)造斜點(diǎn)增斜段增斜段增斜段增斜段水平段水平段直井段直井段降斜段降斜段穩(wěn)斜段穩(wěn)斜段amax水平位移水平位移16精度控制精度控制z 目標(biāo)點(diǎn)：目標(biāo)點(diǎn)：即設(shè)計(jì)規(guī)定的、必須鉆達(dá)的地層位置即設(shè)計(jì)規(guī)定的、必須鉆達(dá)的地層位置

9、通常以地面通常以地面井口為坐標(biāo)原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)值來表示。井口為坐標(biāo)原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系的坐標(biāo)值來表示。z 靶區(qū)及靶區(qū)半徑（靶區(qū)及靶區(qū)半徑（）:包含目標(biāo)點(diǎn)在內(nèi)的一個(gè)區(qū)域稱為包含目標(biāo)點(diǎn)在內(nèi)的一個(gè)區(qū)域稱為靶區(qū)。在一般油氣井中，靶區(qū)半徑為允許實(shí)鉆井眼軌跡偏靶區(qū)。在一般油氣井中，靶區(qū)半徑為允許實(shí)鉆井眼軌跡偏離設(shè)計(jì)目標(biāo)點(diǎn)的水平距離離設(shè)計(jì)目標(biāo)點(diǎn)的水平距離,靶區(qū)為在目標(biāo)點(diǎn)所在的水平面靶區(qū)為在目標(biāo)點(diǎn)所在的水平面上上,以目標(biāo)點(diǎn)為圓心以目標(biāo)點(diǎn)為圓心,以靶區(qū)半徑為半徑的一個(gè)圓面積。以靶區(qū)半徑為半徑的一個(gè)圓面積。z 安全控制圓錐（柱）安全控制圓錐（柱）:以設(shè)計(jì)井眼軸線為中心以設(shè)計(jì)井眼軸線為中心,所限定的圓所限定的圓錐

10、（柱）空間。錐（柱）空間。 z 靶心距（靶心距（）:在靶區(qū)平面上在靶區(qū)平面上,實(shí)鉆井眼軸線與目標(biāo)點(diǎn)之實(shí)鉆井眼軸線與目標(biāo)點(diǎn)之間的距離。間的距離。z 誤差橢球誤差橢球:由測(cè)量和計(jì)算誤差引起的井底位置不確定性所由測(cè)量和計(jì)算誤差引起的井底位置不確定性所構(gòu)成的以井底為中心的橢球體。構(gòu)成的以井底為中心的橢球體。17目標(biāo)點(diǎn)和誤差橢球目標(biāo)點(diǎn)和誤差橢球 o設(shè)計(jì)井眼設(shè)計(jì)井眼實(shí)鉆井眼實(shí)鉆井眼目標(biāo)點(diǎn)目標(biāo)點(diǎn)誤差橢球誤差橢球油氣層油氣層靶心距靶心距18直井和定向井的靶區(qū)和控制圓錐直井和定向井的靶區(qū)和控制圓錐 靶區(qū)靶區(qū)靶區(qū)半徑靶區(qū)半徑控制圓錐控制圓錐井口井口油氣層油氣層19水平井的靶區(qū)水平井的靶區(qū) 井眼軌道井眼軌道水平范圍

11、水平范圍垂直范圍垂直范圍水平段長度水平段長度20草古草古100-平平5井井水平位移736.5米完鉆井深完鉆井深1427m水平位移736.5米水平位移水平位移736.5m高難度高難度三三靶點(diǎn)靶點(diǎn)21 （三）井眼（三）井眼軌道水平投影軌道水平投影z1）工具彎角工具彎角:在造斜鉆具在造斜鉆具組合中，拐彎處上下兩段組合中，拐彎處上下兩段的軸線間的夾角。的軸線間的夾角。z2）工具面：工具面：在造斜鉆具在造斜鉆具組合中，由彎曲工具的兩組合中，由彎曲工具的兩個(gè)軸線所決定的平面。個(gè)軸線所決定的平面。22z 3）反扭角（）反扭角（r ）：）：在使用井下動(dòng)力在使用井下動(dòng)力鉆具進(jìn)行定向造斜或扭方位時(shí)，動(dòng)力鉆具進(jìn)行定

12、向造斜或扭方位時(shí)，動(dòng)力鉆具啟動(dòng)前的工具面與啟動(dòng)后且加壓鉆具啟動(dòng)前的工具面與啟動(dòng)后且加壓鉆進(jìn)時(shí)的工具面之間的夾角。鉆進(jìn)時(shí)的工具面之間的夾角。z 4）高邊：）高邊：定向井的井底是個(gè)呈傾斜狀定向井的井底是個(gè)呈傾斜狀態(tài)的圓平面，稱為態(tài)的圓平面，稱為井底圓井底圓；井底圓上；井底圓上的最高點(diǎn)稱為的最高點(diǎn)稱為高邊高邊；從井底圓心至高；從井底圓心至高邊之間的連線所指的方向稱為邊之間的連線所指的方向稱為高邊方高邊方向向；從正北方向線順時(shí)針轉(zhuǎn)至高邊方；從正北方向線順時(shí)針轉(zhuǎn)至高邊方向在水平面上的投影所轉(zhuǎn)過的角度稱向在水平面上的投影所轉(zhuǎn)過的角度稱為為高邊方位角高邊方位角。 ON正北方向線正北方向線 OE正東方位線正東

13、方位線OA井底井斜方位線高邊方位線井底井斜方位線高邊方位線OB造斜工具定向方位線造斜工具定向方位線OC造斜工具的安置方位線造斜工具的安置方位線23z 5）工具面角（）工具面角（t）：）：造斜工具下造斜工具下到井底以后，工具面所在的角度。到井底以后，工具面所在的角度。它有兩種表示方法：它有兩種表示方法：。高邊工具面角是以高邊工具面角是以高邊方向線為始邊，順時(shí)針轉(zhuǎn)到工高邊方向線為始邊，順時(shí)針轉(zhuǎn)到工具面與井底圓平面的交線所轉(zhuǎn)過的具面與井底圓平面的交線所轉(zhuǎn)過的角度；磁工具面角為以正北方向線角度；磁工具面角為以正北方向線為始邊，順時(shí)針轉(zhuǎn)到工具面與井底為始邊，順時(shí)針轉(zhuǎn)到工具面與井底圓平面的交線在水平面上的

14、投影線圓平面的交線在水平面上的投影線所轉(zhuǎn)過的角度。所轉(zhuǎn)過的角度。ON正北方向線正北方向線 OE正東方位線正東方位線OA井底井斜方位線高邊方位線井底井斜方位線高邊方位線OB造斜工具定向方位線造斜工具定向方位線OC造斜工具的安置方位線造斜工具的安置方位線24工具面角工具面角25z 6）裝置角（）裝置角（）：）：在啟動(dòng)鉆具后在啟動(dòng)鉆具后且加壓鉆進(jìn)時(shí)，工具面所處的角且加壓鉆進(jìn)時(shí)，工具面所處的角度，與工具面角一樣，既可用高度，與工具面角一樣，既可用高邊工具面表示，也可用磁工具面邊工具面表示，也可用磁工具面表示。表示。z 7) 安置角（安置角（s）：）：在啟動(dòng)鉆具在啟動(dòng)鉆具前，工具面所處的角度。與工具前，

15、工具面所處的角度。與工具面角一樣，既可用高邊工具面表面角一樣，既可用高邊工具面表示，也可用磁工具面表示。示，也可用磁工具面表示。ON正北方向線正北方向線 OE正東方位線正東方位線OA井底井斜方位線高邊方位線井底井斜方位線高邊方位線OB造斜工具定向方位線造斜工具定向方位線OC造斜工具的安置方位線造斜工具的安置方位線26二、各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系二、各參數(shù)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系(一一)基本參數(shù)基本參數(shù) 石油工程中，井眼軌道參數(shù)是通過下入井眼內(nèi)的石油工程中，井眼軌道參數(shù)是通過下入井眼內(nèi)的測(cè)斜儀器測(cè)斜儀器測(cè)出的，它測(cè)出的是一系列離散測(cè)出的，它測(cè)出的是一系列離散所對(duì)應(yīng)的所對(duì)應(yīng)的和和，通過它們可以確定出其它參數(shù)，所

16、以將它們稱為，通過它們可以確定出其它參數(shù)，所以將它們稱為基本參數(shù)?；緟?shù)。(二二)坐標(biāo)參數(shù)坐標(biāo)參數(shù) 用于描述井眼軌道的空間位置。主要有北坐標(biāo)，東坐標(biāo)，用于描述井眼軌道的空間位置。主要有北坐標(biāo)，東坐標(biāo)，垂直深度。垂直深度。(三三)撓曲參數(shù)撓曲參數(shù) 描述井眼軌道的描述井眼軌道的彎曲和扭轉(zhuǎn)程度。彎曲和扭轉(zhuǎn)程度。主要有主要有和和。27( (四四) )坐標(biāo)參數(shù)與基本參數(shù)的關(guān)系坐標(biāo)參數(shù)與基本參數(shù)的關(guān)系lllllDllEllN000dcos)(dsinsin)(dcossin)(井斜角井斜角方位角方位角-為井口到計(jì)算點(diǎn)的曲線長度（測(cè)深）為井口到計(jì)算點(diǎn)的曲線長度（測(cè)深）l28(五五)撓曲參數(shù)與基本參數(shù)的關(guān)系

17、撓曲參數(shù)與基本參數(shù)的關(guān)系nbtbnntrtnbnboddddddddllll2b3o32o2on2o22o22b)dd,dd,dd(ddddlllllrrrrrt,n,b分別為切線、主法線和副法線方向的單位矢量分別為切線、主法線和副法線方向的單位矢量b,n為為r0點(diǎn)的曲率和撓率點(diǎn)的曲率和撓率r0=Ni+Ej+Dk29（一）井眼軌道的類型（一）井眼軌道的類型 按設(shè)計(jì)井眼軌道在空間直角坐標(biāo)系中的形狀按設(shè)計(jì)井眼軌道在空間直角坐標(biāo)系中的形狀,可分為二維井眼軌道和三維井眼軌道?？煞譃槎S井眼軌道和三維井眼軌道。 是指設(shè)計(jì)井眼軸線僅在設(shè)計(jì)方是指設(shè)計(jì)井眼軸線僅在設(shè)計(jì)方位線所在鉛垂平面上變化的井眼軌道。位線所

18、在鉛垂平面上變化的井眼軌道。 是指在設(shè)計(jì)的井眼軸線上是指在設(shè)計(jì)的井眼軸線上,既有井斜角變化既有井斜角變化,又有方位角又有方位角變化的井眼軌道。變化的井眼軌道。 1.二維井眼軌道二維井眼軌道 二維井眼軌道組成：二維井眼軌道組成： 垂直井段垂直井段 增斜井段增斜井段 穩(wěn)斜井段穩(wěn)斜井段 降斜井段降斜井段 三、井眼三、井眼軌道設(shè)計(jì)的原則和方法軌道設(shè)計(jì)的原則和方法 30 2.三維井眼軌道三維井眼軌道 三維井眼軌道設(shè)計(jì)用于三維井眼軌道設(shè)計(jì)用于繞障井繞障井和和現(xiàn)場(chǎng)待鉆修正井眼軌道現(xiàn)場(chǎng)待鉆修正井眼軌道設(shè)計(jì)。若在設(shè)計(jì)。若在地面井口位置與設(shè)計(jì)目標(biāo)點(diǎn)之間的鉛垂平面內(nèi)地面井口位置與設(shè)計(jì)目標(biāo)點(diǎn)之間的鉛垂平面內(nèi), ,存在

19、著井眼難于直接通過存在著井眼難于直接通過的障礙物的障礙物( (如已鉆的井眼、巖丘、氣頂?shù)龋┤缫雁@的井眼、巖丘、氣頂?shù)龋瑒t設(shè)計(jì)的井眼軌道需要繞過，則設(shè)計(jì)的井眼軌道需要繞過障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。在鉆進(jìn)過程中，井眼軌道總是要偏離設(shè)計(jì)井眼軌道，障礙物到達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。在鉆進(jìn)過程中，井眼軌道總是要偏離設(shè)計(jì)井眼軌道，為了保證鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，必須時(shí)刻修正鉆進(jìn)參數(shù)；此時(shí)由于井底的方位角為了保證鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)，必須時(shí)刻修正鉆進(jìn)參數(shù)；此時(shí)由于井底的方位角與設(shè)與設(shè)計(jì)的方位角不一致，必須進(jìn)行三維軌道設(shè)計(jì)計(jì)的方位角不一致，必須進(jìn)行三維軌道設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)師井設(shè)計(jì)師井31（二）、設(shè)計(jì)井眼軌道的原則（二）、設(shè)計(jì)井眼軌道的原則 （1）根據(jù)油氣田勘

20、探開發(fā)要求）根據(jù)油氣田勘探開發(fā)要求,保證實(shí)現(xiàn)鉆井目的。保證實(shí)現(xiàn)鉆井目的。 （2）根據(jù)油氣田的構(gòu)造特征、油氣產(chǎn)狀，有利于提高）根據(jù)油氣田的構(gòu)造特征、油氣產(chǎn)狀，有利于提高油氣產(chǎn)量和采收率，改善投資效益。油氣產(chǎn)量和采收率，改善投資效益。 （3）在選擇造斜點(diǎn)、井眼曲率、最大井斜角等參數(shù)時(shí)，）在選擇造斜點(diǎn)、井眼曲率、最大井斜角等參數(shù)時(shí)，有利于鉆井、采油和修井作業(yè)。有利于鉆井、采油和修井作業(yè)。 （4）在滿足鉆井目的的前提下，應(yīng)盡可能選擇比較簡）在滿足鉆井目的的前提下，應(yīng)盡可能選擇比較簡單的剖面類型，力求使設(shè)計(jì)的測(cè)深最短，以減小井眼單的剖面類型，力求使設(shè)計(jì)的測(cè)深最短，以減小井眼軌道控制的難度和鉆井工作量，有

21、利于安全、快速鉆軌道控制的難度和鉆井工作量，有利于安全、快速鉆井，降低鉆井成本。井，降低鉆井成本。32（三）井眼軌道設(shè)計(jì)中關(guān)鍵因素的選擇（三）井眼軌道設(shè)計(jì)中關(guān)鍵因素的選擇1.造斜點(diǎn)造斜點(diǎn) (1)造斜點(diǎn)應(yīng)選擇在較穩(wěn)定的地層造斜點(diǎn)應(yīng)選擇在較穩(wěn)定的地層,應(yīng)避開巖石破碎帶、漏失地層、流應(yīng)避開巖石破碎帶、漏失地層、流砂層或容易坍塌等復(fù)雜地層；砂層或容易坍塌等復(fù)雜地層；(2)地層可鉆性均勻，不應(yīng)有硬夾層；地層可鉆性均勻，不應(yīng)有硬夾層；(3)要滿足采油工藝要求；要滿足采油工藝要求；(4) 垂深大、水平位移小的井，造斜點(diǎn)應(yīng)深，以垂深大、水平位移小的井，造斜點(diǎn)應(yīng)深，以便簡化井身結(jié)構(gòu)、加快鉆速；便簡化井身結(jié)構(gòu)、加

22、快鉆速；(5) 垂深小、水平位移大的井，造斜點(diǎn)應(yīng)垂深小、水平位移大的井，造斜點(diǎn)應(yīng)淺，以減少定向施工的工作量；淺，以減少定向施工的工作量；(6) 在井眼方位漂移地區(qū)，應(yīng)使斜井段在井眼方位漂移地區(qū)，應(yīng)使斜井段避開方位漂移大的地層或利用井眼方位漂移規(guī)律鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。避開方位漂移大的地層或利用井眼方位漂移規(guī)律鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)。2.最大井斜角最大井斜角 實(shí)踐證明，井斜角實(shí)踐證明，井斜角15，方位不穩(wěn)定，容易漂移；井斜角，方位不穩(wěn)定，容易漂移；井斜角45，測(cè)井和完井難度大，扭方位困難，扭矩大，易發(fā)生井壁坍塌等問題。因測(cè)井和完井難度大，扭方位困難，扭矩大，易發(fā)生井壁坍塌等問題。因此，常規(guī)定向井的最大井斜角應(yīng)盡可能控

23、制在此，常規(guī)定向井的最大井斜角應(yīng)盡可能控制在1545范圍內(nèi)。范圍內(nèi)。3.井眼曲率井眼曲率是一個(gè)很重要的參數(shù)是一個(gè)很重要的參數(shù) 井眼曲率過大會(huì)給鉆井井眼曲率過大會(huì)給鉆井、采油和修井作業(yè)造成困難。因此，定向鉆井的采油和修井作業(yè)造成困難。因此，定向鉆井的井眼曲率一般取井眼曲率一般取512/100m，最大不超過，最大不超過16/100m。 1.造斜點(diǎn)造斜點(diǎn)2.最大井斜角最大井斜角3.井眼曲率井眼曲率33 設(shè)計(jì)井眼軌道時(shí)，一般選擇簡單的二維軌道。二維軌道設(shè)計(jì)井眼軌道時(shí)，一般選擇簡單的二維軌道。二維軌道由由組合而成，組合而成，最常用的有四種類型。最常用的有四種類型。 （四）井眼軌道類型的選擇（四）井眼軌道

24、類型的選擇三段制三段制五段五段制制S型型直井直井34 直井段直井段造斜段造斜段水平段水平段側(cè)鉆水平井側(cè)鉆水平井直井段直井段造斜段造斜段穩(wěn)斜段穩(wěn)斜段造斜段造斜段水平段水平段常規(guī)水平井常規(guī)水平井水平井眼軌道類型的選擇水平井眼軌道類型的選擇側(cè)鉆水平井技術(shù)是指使用專門井下工具，從老井套管內(nèi)側(cè)鉆而成的水側(cè)鉆水平井技術(shù)是指使用專門井下工具，從老井套管內(nèi)側(cè)鉆而成的水平井。平井。它是在側(cè)鉆井技術(shù)、水平井技術(shù)和小井眼技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的它是在側(cè)鉆井技術(shù)、水平井技術(shù)和小井眼技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的代表九十年代代表九十年代，不僅能使老井復(fù)活，而且可以大幅度提，不僅能使老井復(fù)活，而且可以大幅度提高單井產(chǎn)量和采收率。高

25、單井產(chǎn)量和采收率。35（五）二維定向井井眼軌道設(shè)計(jì)方法（五）二維定向井井眼軌道設(shè)計(jì)方法 定向井和水平井井眼軌道設(shè)計(jì)一定要認(rèn)真執(zhí)行井眼軌道設(shè)計(jì)原則，選擇定向井和水平井井眼軌道設(shè)計(jì)一定要認(rèn)真執(zhí)行井眼軌道設(shè)計(jì)原則，選擇合理的井眼軌道類型，結(jié)合本井情況，設(shè)計(jì)出良好的井眼軌道。合理的井眼軌道類型，結(jié)合本井情況，設(shè)計(jì)出良好的井眼軌道。 (1)掌握原始資料主要是該地區(qū)的地質(zhì)剖面，地表對(duì)井位的限制條件，掌握原始資料主要是該地區(qū)的地質(zhì)剖面，地表對(duì)井位的限制條件，目的層位的垂直井深和總水平位移，自然造斜規(guī)律，工具造斜能力，鉆井技目的層位的垂直井深和總水平位移，自然造斜規(guī)律，工具造斜能力，鉆井技術(shù)水平和故障提示等等

26、。術(shù)水平和故障提示等等。 (2)根據(jù)井眼軌道確定原則，選定一個(gè)井眼根據(jù)井眼軌道確定原則，選定一個(gè)井眼軌道類型軌道類型。 (3)根據(jù)原始資料選定造斜點(diǎn)的位置，并確定根據(jù)原始資料選定造斜點(diǎn)的位置，并確定造斜率造斜率大小。大小。 (4)確定確定最大井斜角最大井斜角。 (5)計(jì)算剖面上各井段的井斜角，方位角，垂直井深，水平位移。計(jì)算剖面上各井段的井斜角，方位角，垂直井深，水平位移。 (6)核算井眼曲率，使其滿足對(duì)它的各種限制條件，并作出井身的控核算井眼曲率，使其滿足對(duì)它的各種限制條件，并作出井身的控制圓柱，即誤差范圍。制圓柱，即誤差范圍。 (7)繪制井眼軌道圖，標(biāo)出安全圓柱。繪制井眼軌道圖，標(biāo)出安全圓

27、柱。 井眼軌道設(shè)計(jì)方法圖版法井眼軌道設(shè)計(jì)方法圖版法 作圖法作圖法 解析法解析法36（六）井眼軌道隨鉆修正設(shè)計(jì)（六）井眼軌道隨鉆修正設(shè)計(jì) 實(shí)際鉆進(jìn)過程中，要使實(shí)際鉆進(jìn)過程中，要使實(shí)鉆軌道與設(shè)計(jì)軌道實(shí)鉆軌道與設(shè)計(jì)軌道完全吻合是不完全吻合是不可能的，二者之間總會(huì)有一定的偏差。可能的，二者之間總會(huì)有一定的偏差。 很小的偏差是允許的，只要對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)或鉆具組合作些適很小的偏差是允許的，只要對(duì)鉆進(jìn)參數(shù)或鉆具組合作些適當(dāng)調(diào)整，便可繼續(xù)鉆進(jìn)。當(dāng)調(diào)整，便可繼續(xù)鉆進(jìn)。 若偏差較大，則必須對(duì)若偏差較大，則必須對(duì)待鉆井眼待鉆井眼做出新的設(shè)計(jì)；若因地質(zhì)做出新的設(shè)計(jì)；若因地質(zhì)勘探等原因，需要中途改變靶區(qū)的位置時(shí)，也需要重新

28、設(shè)計(jì)井勘探等原因，需要中途改變靶區(qū)的位置時(shí)，也需要重新設(shè)計(jì)井眼軌道。將上述情況統(tǒng)稱為眼軌道。將上述情況統(tǒng)稱為井眼軌道的隨鉆修正設(shè)計(jì)。井眼軌道的隨鉆修正設(shè)計(jì)。 無論原設(shè)計(jì)是二維還是三維井眼軌道，修正設(shè)計(jì)往往都是無論原設(shè)計(jì)是二維還是三維井眼軌道，修正設(shè)計(jì)往往都是三維三維的?，F(xiàn)有的幾種隨鉆修正設(shè)計(jì)方法大多數(shù)是把三維設(shè)計(jì)問的。現(xiàn)有的幾種隨鉆修正設(shè)計(jì)方法大多數(shù)是把三維設(shè)計(jì)問題轉(zhuǎn)化成二維設(shè)計(jì)。題轉(zhuǎn)化成二維設(shè)計(jì)。 37（七）井眼軌道繞障和防碰設(shè)計(jì)（七）井眼軌道繞障和防碰設(shè)計(jì) 在地面井位和目標(biāo)點(diǎn)所在的鉛垂平面內(nèi)在地面井位和目標(biāo)點(diǎn)所在的鉛垂平面內(nèi), ,如果存在著不可逾越的障礙物如果存在著不可逾越的障礙物（如已鉆

29、井（如已鉆井眼、復(fù)雜地層）眼、復(fù)雜地層）要繞過障礙物鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)要繞過障礙物鉆達(dá)目標(biāo)點(diǎn)的定向井稱為的定向井稱為繞障井繞障井。 在密集叢式井和油田開發(fā)后期，常遇到在密集叢式井和油田開發(fā)后期，常遇到繞障問題。繞障問題。 從理論上講，如果不受井眼曲率、最大從理論上講，如果不受井眼曲率、最大井斜角、井口位置、目標(biāo)點(diǎn)位置、經(jīng)濟(jì)因井斜角、井口位置、目標(biāo)點(diǎn)位置、經(jīng)濟(jì)因素和施工水平的限制，就不必進(jìn)行三維設(shè)素和施工水平的限制，就不必進(jìn)行三維設(shè)計(jì)。但在實(shí)際工作中，進(jìn)行三維軌道設(shè)計(jì)計(jì)。但在實(shí)際工作中，進(jìn)行三維軌道設(shè)計(jì)更經(jīng)濟(jì)、更容易實(shí)現(xiàn)。更經(jīng)濟(jì)、更容易實(shí)現(xiàn)。38 就叢式鉆井中每一單井而言，就是一口定向井；井就叢式鉆井中

30、每一單井而言，就是一口定向井；井?dāng)?shù)不多的叢式井與一般定向井的設(shè)計(jì)基本相同；但就數(shù)不多的叢式井與一般定向井的設(shè)計(jì)基本相同；但就叢式井簇叢式井簇而言，尤其是多井密集的叢式鉆井，還應(yīng)該而言，尤其是多井密集的叢式鉆井，還應(yīng)該考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)?？紤]以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。 1.叢叢式井位置、數(shù)量和井?dāng)?shù)的確定式井位置、數(shù)量和井?dāng)?shù)的確定 無論是海上或是陸地，叢式鉆井首先遇到的就是無論是海上或是陸地，叢式鉆井首先遇到的就是叢式井場(chǎng)叢式井場(chǎng)( (或海上平臺(tái)或海上平臺(tái)) )的的。解決這些問題，必須：一是要滿足油田。解決這些問題，必須：一是要滿足油田開發(fā)的要求，這是叢式井網(wǎng)布置的依據(jù)；二是要從地開發(fā)的要求，這是叢式井

31、網(wǎng)布置的依據(jù)；二是要從地面實(shí)際條件出發(fā)，井場(chǎng)必須設(shè)在指定的位置。但無論面實(shí)際條件出發(fā)，井場(chǎng)必須設(shè)在指定的位置。但無論哪種情況，所設(shè)置的叢式井場(chǎng)數(shù)量和所鉆井?dāng)?shù)的總成哪種情況，所設(shè)置的叢式井場(chǎng)數(shù)量和所鉆井?dāng)?shù)的總成本都必須最低。當(dāng)然，在叢式井場(chǎng)布井時(shí)，還需滿足本都必須最低。當(dāng)然，在叢式井場(chǎng)布井時(shí)，還需滿足地質(zhì)、采油和鉆井工程方面提出的限制條件，如井眼地質(zhì)、采油和鉆井工程方面提出的限制條件，如井眼軌道的最大軌道的最大井斜角、井斜角、“狗腿狗腿”嚴(yán)重度等。嚴(yán)重度等。 39 2.防止井眼相碰防止井眼相碰是叢式井設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵是叢式井設(shè)計(jì)和施工的關(guān)鍵 (1)井網(wǎng)類型井網(wǎng)類型輻射型輻射型 錐散型錐散型 開發(fā)

32、整個(gè)油區(qū)，地面又沒有限制，可以在地面均勻設(shè)置井場(chǎng)，井網(wǎng)布開發(fā)整個(gè)油區(qū)，地面又沒有限制，可以在地面均勻設(shè)置井場(chǎng)，井網(wǎng)布置采用輻射型，即以叢式井場(chǎng)為中心，置采用輻射型，即以叢式井場(chǎng)為中心，。這種。這種布井方式井眼相互干擾較小，不易相碰。布井方式井眼相互干擾較小，不易相碰。 若地面限制嚴(yán)，各井只能從若地面限制嚴(yán)，各井只能從，即錐散，即錐散型井網(wǎng)型井網(wǎng)(或叫普通型井網(wǎng)或叫普通型井網(wǎng))。這類井網(wǎng)井眼間干擾較大，必須在造斜點(diǎn)、最。這類井網(wǎng)井眼間干擾較大，必須在造斜點(diǎn)、最大井斜角、井眼軌道、鉆井順序等各方面進(jìn)行綜合考慮，防止井眼相碰。大井斜角、井眼軌道、鉆井順序等各方面進(jìn)行綜合考慮，防止井眼相碰。40 (2

33、)井眼軌道設(shè)計(jì)井眼軌道設(shè)計(jì) 多用二維平面井眼軌道，而多用二維平面井眼軌道，而或老油田打調(diào)整井，有或老油田打調(diào)整井，有時(shí)必須用三維井眼軌道或多造斜率的二維井眼軌道時(shí)必須用三維井眼軌道或多造斜率的二維井眼軌道,以保證井眼互不干擾。以保證井眼互不干擾。三維井眼軌道設(shè)計(jì)多數(shù)是將空間井眼軌道利用矩陣或坐標(biāo)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化成空間平三維井眼軌道設(shè)計(jì)多數(shù)是將空間井眼軌道利用矩陣或坐標(biāo)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化成空間平面上的井眼軌道，或者從水平投影圖開始，設(shè)計(jì)一些特殊的空間井眼軸線。面上的井眼軌道，或者從水平投影圖開始，設(shè)計(jì)一些特殊的空間井眼軸線。 (3)井口布置井口布置 叢式鉆井的井口布置方法很多，叢式鉆井的井口布置方法很多，叢式井場(chǎng)

34、叢式井場(chǎng)范圍有限范圍有限(尤其是海上平臺(tái)尤其是海上平臺(tái))，井口距離一般不超過，井口距離一般不超過2.5 m。如果造斜點(diǎn)較淺。如果造斜點(diǎn)較淺(100300 m)，井口距離可以縮小到，井口距離可以縮小到12 m；反之，井口距離應(yīng)稍大一些，；反之，井口距離應(yīng)稍大一些，以防止由于測(cè)斜累積誤差而致實(shí)際井眼相碰。以防止由于測(cè)斜累積誤差而致實(shí)際井眼相碰。要考慮安全要考慮安全設(shè)施，防止井噴失火株連整個(gè)叢式井場(chǎng)。在目前的油田開發(fā)條件下，井口布設(shè)施，防止井噴失火株連整個(gè)叢式井場(chǎng)。在目前的油田開發(fā)條件下，井口布置還須為油田后期的抽油、修井、增產(chǎn)等處理措施留下適當(dāng)?shù)奈恢?。置還須為油田后期的抽油、修井、增產(chǎn)等處理措施留

35、下適當(dāng)?shù)奈恢谩?1 (4)造斜點(diǎn)位置造斜點(diǎn)位置 鄰井間方位角相差大，造斜點(diǎn)可以相距不大；反之，則要求造斜點(diǎn)相距較鄰井間方位角相差大，造斜點(diǎn)可以相距不大；反之，則要求造斜點(diǎn)相距較遠(yuǎn)。但是造斜點(diǎn)的選擇還取決于地層條件、油層深度、水平位移以及對(duì)最大遠(yuǎn)。但是造斜點(diǎn)的選擇還取決于地層條件、油層深度、水平位移以及對(duì)最大井斜角和井眼曲率的限制，必須綜合考慮。井斜角和井眼曲率的限制，必須綜合考慮。 (5)造斜率與最大井斜角造斜率與最大井斜角 距叢式井場(chǎng)或平臺(tái)中心越遠(yuǎn)的井，造斜率越高，最大井斜角越大。但最大距叢式井場(chǎng)或平臺(tái)中心越遠(yuǎn)的井，造斜率越高，最大井斜角越大。但最大井斜角不能任意選取，受地質(zhì)、測(cè)井、鉆井工藝

36、、采油等多方面的限制。井斜角不能任意選取，受地質(zhì)、測(cè)井、鉆井工藝、采油等多方面的限制。 (6)鉆井次序鉆井次序 叢式井網(wǎng)常將造斜點(diǎn)深、水平位移小的井安排在中心區(qū)，優(yōu)先鉆進(jìn)。然后叢式井網(wǎng)常將造斜點(diǎn)深、水平位移小的井安排在中心區(qū)，優(yōu)先鉆進(jìn)。然后依次向外擴(kuò)展，最后鉆造斜率高和井斜角大的邊緣井，以便在實(shí)際井眼軌道依次向外擴(kuò)展，最后鉆造斜率高和井斜角大的邊緣井，以便在實(shí)際井眼軌道出現(xiàn)誤差時(shí)，有修正后續(xù)井眼軌道的余地。出現(xiàn)誤差時(shí)，有修正后續(xù)井眼軌道的余地。 (7)控制安全圓柱控制安全圓柱 為了保證井眼準(zhǔn)確鉆達(dá)靶心。人們習(xí)慣于以設(shè)計(jì)井眼軸線為中心規(guī)定一定為了保證井眼準(zhǔn)確鉆達(dá)靶心。人們習(xí)慣于以設(shè)計(jì)井眼軸線為中

37、心規(guī)定一定半徑值作為安全范圍，所以稱為安全圓柱。隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的發(fā)展，安全半徑值作為安全范圍，所以稱為安全圓柱。隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的發(fā)展，安全圓柱的半徑將日益減小。圓柱的半徑將日益減小。(8)提高測(cè)斜儀器的精度提高測(cè)斜儀器的精度(9)使用電子計(jì)算機(jī)繪制井眼防碰圖使用電子計(jì)算機(jī)繪制井眼防碰圖42圖圖3-5 典型的鉆柱組合典型的鉆柱組合 鉆柱鉆柱是自方鉆桿至鉆是自方鉆桿至鉆頭以上的鉆具管串的總頭以上的鉆具管串的總稱。鉆柱由稱。鉆柱由方鉆桿、鉆方鉆桿、鉆桿、鉆挺、接頭和穩(wěn)定桿、鉆挺、接頭和穩(wěn)定器器等鉆具組成。鉆井過等鉆具組成。鉆井過程中，通過鉆柱把鉆頭程中，通過鉆柱把鉆頭和地面連接起來。和地面連接起

38、來。 434445 鉆井中常用的鉆柱下部鉆具組鉆井中常用的鉆柱下部鉆具組合中包括合中包括 穩(wěn)斜鉆具、降斜鉆具穩(wěn)斜鉆具、降斜鉆具、防斜鉆具防斜鉆具、造斜鉆具、增斜鉆具、造斜鉆具、增斜鉆具、幾何導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和地質(zhì)導(dǎo)向鉆幾何導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)和地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)井系統(tǒng) 等。等。 一、一、鉆柱下部鉆具鉆柱下部鉆具 組合設(shè)計(jì)方法組合設(shè)計(jì)方法 下部鉆具組合設(shè)計(jì)的原則：下部鉆具組合設(shè)計(jì)的原則： l）能有效地鉆出設(shè)計(jì)的井眼軌道）能有效地鉆出設(shè)計(jì)的井眼軌道. 2）鉆頭、馬達(dá)和測(cè)量系統(tǒng)工作穩(wěn)）鉆頭、馬達(dá)和測(cè)量系統(tǒng)工作穩(wěn) 定性好定性好 ，能施加較大的鉆壓，能施加較大的鉆壓， 有利于提高鉆速有利于提高鉆速. 3）具有較高的強(qiáng)

39、度和壽命）具有較高的強(qiáng)度和壽命. 4）便于安裝和起下。）便于安裝和起下。鉆鋌鉆鋌穩(wěn)定器穩(wěn)定器動(dòng)力段動(dòng)力段彎外殼彎外殼軸承外殼軸承外殼墊塊墊塊變接頭變接頭旁通閥旁通閥柔性連接柔性連接彎接頭彎接頭46 穩(wěn)斜鉆具穩(wěn)斜鉆具的作用是使井眼軌道沿當(dāng)前井底切線方向，保持井斜角和方的作用是使井眼軌道沿當(dāng)前井底切線方向，保持井斜角和方位角不變鉆進(jìn)。穩(wěn)斜鉆具是采用剛性滿眼鉆具結(jié)構(gòu)，通過增大下部鉆具組位角不變鉆進(jìn)。穩(wěn)斜鉆具是采用剛性滿眼鉆具結(jié)構(gòu)，通過增大下部鉆具組合的剛性，控制下部鉆具組合在外力作用下的變形達(dá)到穩(wěn)定井斜和方位的合的剛性，控制下部鉆具組合在外力作用下的變形達(dá)到穩(wěn)定井斜和方位的效果。常用的穩(wěn)斜鉆具組合是

40、：鉆頭效果。常用的穩(wěn)斜鉆具組合是：鉆頭+近鉆頭穩(wěn)定器近鉆頭穩(wěn)定器+短鉆挺短鉆挺+穩(wěn)定器穩(wěn)定器+單單根鉆挺根鉆挺+穩(wěn)定器穩(wěn)定器+鉆挺鉆挺+鉆桿。鉆桿。 降斜鉆具降斜鉆具用于定向井中降低井眼軌道的井斜角。防斜鉆具用于直井中用于定向井中降低井眼軌道的井斜角。防斜鉆具用于直井中抑制和防止井斜的產(chǎn)生。降斜和防斜鉆具一般采用鐘擺鉆具組合，利用鉆抑制和防止井斜的產(chǎn)生。降斜和防斜鉆具一般采用鐘擺鉆具組合，利用鉆具自身重力產(chǎn)生的鐘擺力實(shí)現(xiàn)降斜。據(jù)設(shè)計(jì)井眼軌道要求的井斜角大小，具自身重力產(chǎn)生的鐘擺力實(shí)現(xiàn)降斜。據(jù)設(shè)計(jì)井眼軌道要求的井斜角大小，設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)，便可改變鐘擺力的大小。，便可改變鐘擺力的大小。 造斜鉆具造斜鉆具

41、用于從直井段沿一定的方位鉆出斜井段。用于從直井段沿一定的方位鉆出斜井段。增斜鉆具增斜鉆具用于增加用于增加斜井段待鉆部分的井斜角。斜井段待鉆部分的井斜角。所有的造斜鉆具都可作為增斜鉆具使用。所有的造斜鉆具都可作為增斜鉆具使用。常用常用的造斜鉆具組合為彎接頭的造斜鉆具組合為彎接頭+井下動(dòng)力鉆具、各種彎外殼井下動(dòng)力鉆具（包括井下動(dòng)力鉆具、各種彎外殼井下動(dòng)力鉆具（包括導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)）。導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)）。 （幾何幾何）地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)）地質(zhì)導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)由鉆頭、導(dǎo)向馬達(dá)、由鉆頭、導(dǎo)向馬達(dá)、無線隨鉆測(cè)井儀無線隨鉆測(cè)井儀、無線、無線隨鉆測(cè)斜儀和地面計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成。特點(diǎn)：不需要起下鉆就可連續(xù)完成造隨鉆測(cè)斜儀和地面計(jì)

42、算機(jī)系統(tǒng)組成。特點(diǎn)：不需要起下鉆就可連續(xù)完成造斜、增斜、降斜、扭方位、穩(wěn)斜鉆進(jìn)，有利于提高鉆進(jìn)速度和控制井眼軌斜、增斜、降斜、扭方位、穩(wěn)斜鉆進(jìn)，有利于提高鉆進(jìn)速度和控制井眼軌道，且可隨時(shí)測(cè)得地層參數(shù)，以便及時(shí)修改地質(zhì)設(shè)計(jì)和井眼軌道。道，且可隨時(shí)測(cè)得地層參數(shù)，以便及時(shí)修改地質(zhì)設(shè)計(jì)和井眼軌道。47 （1）鉆柱的材質(zhì)）鉆柱的材質(zhì) 鉆柱的各個(gè)組成部分均由優(yōu)質(zhì)合金鋼或優(yōu)質(zhì)鋁合金制造。鉆柱的各個(gè)組成部分均由優(yōu)質(zhì)合金鋼或優(yōu)質(zhì)鋁合金制造。API標(biāo)準(zhǔn)中，標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定鉆桿的鋼級(jí)有規(guī)定鉆桿的鋼級(jí)有D級(jí)、級(jí)、E級(jí)、級(jí)、95（X）級(jí)、）級(jí)、105（G）級(jí)和）級(jí)和135（S）級(jí)）級(jí)共五種。其中共五種。其中X級(jí)、級(jí)、G級(jí)和

43、級(jí)和S級(jí)鉆桿為高強(qiáng)度鉆桿；鉆鋌和方鉆桿的鋼級(jí)級(jí)鉆桿為高強(qiáng)度鉆桿；鉆鋌和方鉆桿的鋼級(jí)為為AISI4145和和AISI4150。 （2）鉆柱的物理機(jī)械性能）鉆柱的物理機(jī)械性能 鉆桿的強(qiáng)度數(shù)據(jù)主要包括鉆桿外徑、壁厚、名義質(zhì)量、材質(zhì)、扭力屈鉆桿的強(qiáng)度數(shù)據(jù)主要包括鉆桿外徑、壁厚、名義質(zhì)量、材質(zhì)、扭力屈服強(qiáng)度、服強(qiáng)度、 按最小屈服強(qiáng)度計(jì)算的最小抗拉力、最小抗擠壓力、抗內(nèi)壓力按最小屈服強(qiáng)度計(jì)算的最小抗拉力、最小抗擠壓力、抗內(nèi)壓力等；鉆挺規(guī)范數(shù)據(jù)主要包括外徑、內(nèi)徑、長度、質(zhì)量、緊扣扭矩等。等；鉆挺規(guī)范數(shù)據(jù)主要包括外徑、內(nèi)徑、長度、質(zhì)量、緊扣扭矩等。 具體數(shù)據(jù)可查閱有關(guān)手冊(cè)或具體數(shù)據(jù)可查閱有關(guān)手冊(cè)或API公報(bào)。

44、公報(bào)。1.鉆柱的物理機(jī)械性能鉆柱的物理機(jī)械性能 二、二、鉆柱的物理機(jī)械性能及強(qiáng)度校核鉆柱的物理機(jī)械性能及強(qiáng)度校核 48 （3）鉆柱的破壞）鉆柱的破壞 統(tǒng)計(jì)資料說明，絕大多數(shù)鉆柱的損壞有：統(tǒng)計(jì)資料說明，絕大多數(shù)鉆柱的損壞有： 1）鉆柱的疲勞破壞。疲勞破壞是構(gòu)件在交變應(yīng)力的長期作）鉆柱的疲勞破壞。疲勞破壞是構(gòu)件在交變應(yīng)力的長期作用下所發(fā)生的破壞。主要有三種形式：用下所發(fā)生的破壞。主要有三種形式：純疲勞、傷痕疲勞和腐純疲勞、傷痕疲勞和腐蝕疲勞蝕疲勞。純疲勞破壞沒有任何可見的先天起因。從受力分析中。純疲勞破壞沒有任何可見的先天起因。從受力分析中可知道，鉆桿承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲循環(huán)應(yīng)力，但其中可知

45、道，鉆桿承受拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)和彎曲循環(huán)應(yīng)力，但其中拉壓的交替作用是最危險(xiǎn)的應(yīng)力。鉆桿在彎曲井眼中旋轉(zhuǎn)時(shí)，拉壓的交替作用是最危險(xiǎn)的應(yīng)力。鉆桿在彎曲井眼中旋轉(zhuǎn)時(shí)，彎曲循環(huán)應(yīng)力是造成疲勞破壞的主要因素。彎曲循環(huán)應(yīng)力是造成疲勞破壞的主要因素。 靠近鉆鋌部分的鉆桿易發(fā)生疲勞破壞靠近鉆鋌部分的鉆桿易發(fā)生疲勞破壞是因鉆桿的剛度遠(yuǎn)小于是因鉆桿的剛度遠(yuǎn)小于鉆鋌，即使是較小的壓力也易發(fā)生彎曲。鉆桿的最大應(yīng)力常發(fā)鉆鋌，即使是較小的壓力也易發(fā)生彎曲。鉆桿的最大應(yīng)力常發(fā)生在加厚部位的末端，這是因?yàn)榻宇^與加厚部位的剛度大于本生在加厚部位的末端，這是因?yàn)榻宇^與加厚部位的剛度大于本體部分，在截面變化的部位形成了體部分，在截面

46、變化的部位形成了交變應(yīng)力交變應(yīng)力作用的薄弱環(huán)節(jié)。作用的薄弱環(huán)節(jié)。這就是多數(shù)鉆桿的這就是多數(shù)鉆桿的破壞發(fā)生在距接頭破壞發(fā)生在距接頭1.2m范圍以內(nèi)的原因范圍以內(nèi)的原因。49 鉆柱表面造成鉆柱表面造成傷痕疲勞傷痕疲勞破壞的表面損傷有：卡瓦的咬痕破壞的表面損傷有：卡瓦的咬痕和擦傷、大鉗的咬痕、旋扣鏈鉤的咬痕和擦傷、印模記號(hào)、和擦傷、大鉗的咬痕、旋扣鏈鉤的咬痕和擦傷、印模記號(hào)、橡膠保護(hù)器所造成的溝槽、電弧的灼傷、地層巖石和井下金橡膠保護(hù)器所造成的溝槽、電弧的灼傷、地層巖石和井下金屬碎屑造成的刻痕。屬碎屑造成的刻痕。 在井深時(shí)，整個(gè)鉆柱的重量很大，卡瓦在鉆桿上的溝槽在井深時(shí)，整個(gè)鉆柱的重量很大，卡瓦在鉆

47、桿上的溝槽特別具有危險(xiǎn)性，即使很小心地使用卡瓦，也很難避免。因特別具有危險(xiǎn)性，即使很小心地使用卡瓦，也很難避免。因此在井深時(shí)不使用卡瓦而用吊卡代替。此在井深時(shí)不使用卡瓦而用吊卡代替。 腐蝕疲勞腐蝕疲勞是金屬在腐蝕環(huán)境中的疲勞，這是鉆柱失效的是金屬在腐蝕環(huán)境中的疲勞，這是鉆柱失效的常見原因。常見原因。 腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。化學(xué)腐蝕是指金屬表腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕?；瘜W(xué)腐蝕是指金屬表面與腐蝕介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)作用而引起的腐蝕；電化學(xué)腐蝕是金面與腐蝕介質(zhì)產(chǎn)生化學(xué)作用而引起的腐蝕；電化學(xué)腐蝕是金屬與電解質(zhì)溶液接觸，產(chǎn)生電化學(xué)作用引起的腐蝕，特點(diǎn)是屬與電解質(zhì)溶液接觸，產(chǎn)生電化學(xué)作用引起的腐蝕，

48、特點(diǎn)是在整個(gè)腐蝕反應(yīng)中有電流產(chǎn)生。在整個(gè)腐蝕反應(yīng)中有電流產(chǎn)生。50 2）鉆桿的氫脆破壞）鉆桿的氫脆破壞 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，金屬管材在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，金屬管材在介質(zhì)中工作一段時(shí)介質(zhì)中工作一段時(shí)間后突然出現(xiàn)裂縫，發(fā)生嚴(yán)重的破壞。這是由于硫化氫的腐間后突然出現(xiàn)裂縫，發(fā)生嚴(yán)重的破壞。這是由于硫化氫的腐蝕和脆化的結(jié)果，這種破壞稱為蝕和脆化的結(jié)果，這種破壞稱為氫脆氫脆。防止氫脆可采用。防止氫脆可采用與與兩種措施。兩種措施。 為了防止硫化氫侵入鉆井液，應(yīng)保持一定的為了防止硫化氫侵入鉆井液，應(yīng)保持一定的鉆井液密度鉆井液密度，防止地層流體的侵入。根據(jù)井下可能遇到的溫度，不采用在防止地層流體的侵入。根據(jù)井下可能遇到

49、的溫度，不采用在此高溫下可能分解的鉆井液處理劑，或避免使用含硫原油或此高溫下可能分解的鉆井液處理劑，或避免使用含硫原油或含硫化物的鉆井液處理劑。含硫化物的鉆井液處理劑。 為了控制腐蝕速度，應(yīng)保證鉆井液有為了控制腐蝕速度，應(yīng)保證鉆井液有較高的較高的PH值值，使硫，使硫化物處于非活性狀態(tài)，以減弱腐蝕作用。常用的方法是在鉆化物處于非活性狀態(tài)，以減弱腐蝕作用。常用的方法是在鉆具內(nèi)壁涂以塑料保護(hù)膜、在鉆井液中加入緩蝕劑、用化學(xué)劑具內(nèi)壁涂以塑料保護(hù)膜、在鉆井液中加入緩蝕劑、用化學(xué)劑處理鉆井液使硫化物以惰性狀態(tài)沉淀、用油基鉆井液鉆井。處理鉆井液使硫化物以惰性狀態(tài)沉淀、用油基鉆井液鉆井。 512.鉆柱所受載荷

50、種類鉆柱所受載荷種類 鉆柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)很復(fù)雜，它在井眼內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)鉆柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)很復(fù)雜，它在井眼內(nèi)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式可能有四種：形式可能有四種： 自轉(zhuǎn)自轉(zhuǎn)鉆柱象一根柔性軸繞自身軸線旋轉(zhuǎn)鉆柱象一根柔性軸繞自身軸線旋轉(zhuǎn) 公轉(zhuǎn)（渦動(dòng)）公轉(zhuǎn)（渦動(dòng)）鉆柱象一個(gè)剛體繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿井壁滑動(dòng)鉆柱象一個(gè)剛體繞井眼軸線旋轉(zhuǎn)并沿井壁滑動(dòng) 公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)的結(jié)合 整個(gè)鉆柱或部分鉆柱作無規(guī)則的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)整個(gè)鉆柱或部分鉆柱作無規(guī)則的旋轉(zhuǎn)擺動(dòng)52 （l）軸向力）軸向力 起下鉆過程中，由于自重的作用，起下鉆過程中，由于自重的作用，整個(gè)鉆柱受整個(gè)鉆柱受拉力拉力，井口處的拉力最大，井口處的拉力最大，愈向下拉力愈小。鉆柱在鉆

51、井液中，還愈向下拉力愈小。鉆柱在鉆井液中，還受到鉆井液的受到鉆井液的浮力浮力，浮力的方向正好同，浮力的方向正好同拉力的方向相反，減小了鉆柱上部的拉拉力的方向相反，減小了鉆柱上部的拉力。在起下鉆時(shí)，鉆柱與井壁間有力。在起下鉆時(shí)，鉆柱與井壁間有摩擦摩擦力力，此摩擦力在起鉆時(shí)增加上部鉆柱的，此摩擦力在起鉆時(shí)增加上部鉆柱的拉伸載荷；在下鉆時(shí)，摩擦力減輕了上拉伸載荷；在下鉆時(shí)，摩擦力減輕了上部鉆往所受拉力。部鉆往所受拉力。53（2）彎曲應(yīng)力）彎曲應(yīng)力 當(dāng)鉆柱處于彎曲井眼中或受壓彎曲當(dāng)鉆柱處于彎曲井眼中或受壓彎曲時(shí)，鉆柱受到彎曲力矩的作用。當(dāng)鉆時(shí)，鉆柱受到彎曲力矩的作用。當(dāng)鉆往自轉(zhuǎn)時(shí)，則產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。

52、往自轉(zhuǎn)時(shí)，則產(chǎn)生交變彎曲應(yīng)力。 （3）離心力）離心力 鉆柱繞井眼軸線公轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生離心鉆柱繞井眼軸線公轉(zhuǎn)時(shí)，產(chǎn)生離心力，促使鉆柱發(fā)生彎曲。力，促使鉆柱發(fā)生彎曲。54 （4）扭矩）扭矩 當(dāng)用轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)用轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，由于轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)鉆柱、鉆由于轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)鉆柱、鉆頭旋轉(zhuǎn)，并克服鉆柱與井壁的摩擦，使鉆頭破碎巖頭旋轉(zhuǎn)，并克服鉆柱與井壁的摩擦，使鉆頭破碎巖石，因此鉆柱內(nèi)有扭矩存在，并且鉆柱承受的扭矩石，因此鉆柱內(nèi)有扭矩存在，并且鉆柱承受的扭矩在井口處最大，鉆頭處最?。辉诰谔幾畲?，鉆頭處最小； 當(dāng)用井下動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)時(shí)，當(dāng)用井下動(dòng)力鉆具鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆頭旋轉(zhuǎn)給鉆由于鉆頭旋轉(zhuǎn)給鉆柱施加反扭矩，所以鉆柱內(nèi)仍然

53、有扭矩存在，并且柱施加反扭矩，所以鉆柱內(nèi)仍然有扭矩存在，并且鉆柱承受的扭矩在鉆頭處最大，越往上越小。鉆柱承受的扭矩在鉆頭處最大，越往上越小。55 （5）縱向振動(dòng)）縱向振動(dòng) 鉆進(jìn)時(shí)鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)（特別是牙鉆進(jìn)時(shí)鉆頭的轉(zhuǎn)動(dòng)（特別是牙輪鉆頭），引起鉆柱的縱向振動(dòng)?？v輪鉆頭），引起鉆柱的縱向振動(dòng)?？v向振動(dòng)與鉆頭結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)、鉆壓、向振動(dòng)與鉆頭結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)、鉆壓、轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。 當(dāng)鉆頭的轉(zhuǎn)速和鉆柱固有振動(dòng)當(dāng)鉆頭的轉(zhuǎn)速和鉆柱固有振動(dòng)周期周期時(shí)，就產(chǎn)生共振時(shí)，就產(chǎn)生共振現(xiàn)象，稱為跳鉆。嚴(yán)重的挑鉆，會(huì)使現(xiàn)象，稱為跳鉆。嚴(yán)重的挑鉆，會(huì)使鉆柱彎曲、磨損增快，以致迅速疲勞鉆柱彎曲、磨損增快，以致迅

54、速疲勞破壞和嚴(yán)重影響鉆頭使用壽命。破壞和嚴(yán)重影響鉆頭使用壽命。56 （6）扭轉(zhuǎn)振動(dòng)）扭轉(zhuǎn)振動(dòng) 由于鉆頭破碎巖石時(shí)井底反扭矩由于鉆頭破碎巖石時(shí)井底反扭矩的變化，引起鉆柱的周向振動(dòng)，如憋的變化，引起鉆柱的周向振動(dòng)，如憋鉆。鉆。它和鉆頭的結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)、鉆它和鉆頭的結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)、鉆壓和轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。壓和轉(zhuǎn)速等因素有關(guān)。 （7）橫向振動(dòng)）橫向振動(dòng) 當(dāng)用轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆柱當(dāng)用轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆柱偏心或鉆柱繞并眼軸線公轉(zhuǎn)誘發(fā)鉆柱偏心或鉆柱繞并眼軸線公轉(zhuǎn)誘發(fā)鉆柱的橫向振動(dòng)。的橫向振動(dòng)。它和下部鉆具組合、鉆它和下部鉆具組合、鉆頭的結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)、鉆壓和轉(zhuǎn)速等頭的結(jié)構(gòu)、巖石性質(zhì)、鉆壓和轉(zhuǎn)速等因素有

55、關(guān)。因素有關(guān)。57 （8）動(dòng)載）動(dòng)載 在起下鉆中，由于鉆柱運(yùn)動(dòng)速度的變化，會(huì)引起縱向在起下鉆中，由于鉆柱運(yùn)動(dòng)速度的變化，會(huì)引起縱向動(dòng)載，在鉆柱中產(chǎn)生縱向瞬時(shí)交變應(yīng)力，動(dòng)載的動(dòng)載，在鉆柱中產(chǎn)生縱向瞬時(shí)交變應(yīng)力，動(dòng)載的有關(guān)。有關(guān)。 （9）鉆往與井壁的正壓力和摩擦力）鉆往與井壁的正壓力和摩擦力 由于有井斜和曲率的存在，承受重力和拉力作用的鉆由于有井斜和曲率的存在，承受重力和拉力作用的鉆柱與井壁之間就有正壓力存在。鉆柱運(yùn)動(dòng)時(shí)，存在摩擦力。柱與井壁之間就有正壓力存在。鉆柱運(yùn)動(dòng)時(shí)，存在摩擦力。 總之，作用在鉆柱上的載荷，沿鉆柱的全長變總之，作用在鉆柱上的載荷，沿鉆柱的全長變化，受力嚴(yán)重的部位是：化，受力嚴(yán)

56、重的部位是： 下部鉆柱受壓情況嚴(yán)重，同時(shí)有扭矩和彎曲力下部鉆柱受壓情況嚴(yán)重，同時(shí)有扭矩和彎曲力的作用；起鉆時(shí)，井口處受到最大軸向拉力。的作用；起鉆時(shí)，井口處受到最大軸向拉力。 58NWV1 N N d V2WaN59（1）鉆柱組合設(shè)計(jì)）鉆柱組合設(shè)計(jì) l）鉆挺的確定（外徑、內(nèi)徑、鉆壓）鉆挺的確定（外徑、內(nèi)徑、鉆壓）從提供鉆壓的角度，鉆從提供鉆壓的角度，鉆鋌的外徑越大內(nèi)徑越小越好，但鉆鋌的外徑受井徑的限制，還鋌的外徑越大內(nèi)徑越小越好，但鉆鋌的外徑受井徑的限制，還須留有一定的環(huán)形空間以便鉆井液返出，而鉆鋌的內(nèi)徑還須保須留有一定的環(huán)形空間以便鉆井液返出，而鉆鋌的內(nèi)徑還須保證鉆井液順利通過。鉆鋌的長度須

57、充分滿足鉆壓的需要。證鉆井液順利通過。鉆鋌的長度須充分滿足鉆壓的需要。 2）鉆桿的確定）鉆桿的確定 鉆桿既要有足夠的強(qiáng)度，保證鉆進(jìn)時(shí)不致發(fā)鉆桿既要有足夠的強(qiáng)度，保證鉆進(jìn)時(shí)不致發(fā)生斷裂生斷裂，又要盡量細(xì)輕又要盡量細(xì)輕，保證鉆井液的正常循環(huán)和減少能量消耗保證鉆井液的正常循環(huán)和減少能量消耗. 3）鉆挺的安放位置）鉆挺的安放位置 鉆井斜較小的井段時(shí)，鉆井斜較小的井段時(shí)，提供鉆壓的鉆挺提供鉆壓的鉆挺直接安放在下部鉆具上部，采用鐘擺、滿眼或塔式結(jié)構(gòu)；直接安放在下部鉆具上部，采用鐘擺、滿眼或塔式結(jié)構(gòu)；鉆井鉆井斜較大的井段或水平井段時(shí)，斜較大的井段或水平井段時(shí)，鉆挺放在井斜較小的井段，大斜鉆挺放在井斜較小的井

58、段，大斜度井段或水平井段則用承壓鉆桿與下部鉆具連接。度井段或水平井段則用承壓鉆桿與下部鉆具連接。3.鉆柱受力分析與強(qiáng)度校核鉆柱受力分析與強(qiáng)度校核60 （2）鉆柱受力分析與強(qiáng)度校核）鉆柱受力分析與強(qiáng)度校核 為了使鉆柱在不同的工作條件下為了使鉆柱在不同的工作條件下能安全地工作，需計(jì)算鉆往內(nèi)部的各能安全地工作，需計(jì)算鉆往內(nèi)部的各種載荷和應(yīng)力，作為合理設(shè)計(jì)和校核種載荷和應(yīng)力，作為合理設(shè)計(jì)和校核強(qiáng)度的依據(jù)。強(qiáng)度的依據(jù)。 鉆柱主要承受鉆柱主要承受軸向拉壓載荷、扭軸向拉壓載荷、扭矩、彎矩、內(nèi)外壓力等四種載荷。矩、彎矩、內(nèi)外壓力等四種載荷。 61 當(dāng)鉆柱所受的軸向壓力小于一定值時(shí)，鉆柱躺當(dāng)鉆柱所受的軸向壓力小

59、于一定值時(shí)，鉆柱躺在井壁下側(cè)，呈直線狀態(tài)；當(dāng)軸向力大于一定值時(shí)，在井壁下側(cè)，呈直線狀態(tài)；當(dāng)軸向力大于一定值時(shí)，鉆柱就發(fā)生正弦屈曲；當(dāng)軸向力繼續(xù)增大時(shí)，鉆柱就會(huì)發(fā)生鉆柱就發(fā)生正弦屈曲；當(dāng)軸向力繼續(xù)增大時(shí)，鉆柱就會(huì)發(fā)生螺旋屈曲。鉆柱屈曲后，鉆柱與井壁的壓力、摩擦力急劇增螺旋屈曲。鉆柱屈曲后，鉆柱與井壁的壓力、摩擦力急劇增加，鉆柱內(nèi)的應(yīng)力增加。加，鉆柱內(nèi)的應(yīng)力增加。 4.鉆柱的穩(wěn)定性校核鉆柱的穩(wěn)定性校核bippzbippzbipbippzrEIqFrEIqFrEIqrEIqFsin22sin2sin22sin2桿管柱處于未失穩(wěn)狀態(tài)桿管柱處于未失穩(wěn)狀態(tài)桿管柱處于正弦屈曲狀態(tài)桿管柱處于正弦屈曲狀態(tài)桿管柱

60、處于螺旋屈曲狀態(tài)桿管柱處于螺旋屈曲狀態(tài)6263 井眼軌道控制是鉆井工作中的一項(xiàng)重要工作。在石油開井眼軌道控制是鉆井工作中的一項(xiàng)重要工作。在石油開發(fā)的早期，對(duì)井眼軌道控制并不嚴(yán)格。發(fā)的早期，對(duì)井眼軌道控制并不嚴(yán)格。 上世紀(jì)上世紀(jì)20年代末期，年代末期，人們發(fā)現(xiàn)了鉆井過程中井眼彎曲問人們發(fā)現(xiàn)了鉆井過程中井眼彎曲問題并認(rèn)識(shí)到要鉆絕對(duì)直的井是不可能的，并逐漸認(rèn)識(shí)到了井題并認(rèn)識(shí)到要鉆絕對(duì)直的井是不可能的，并逐漸認(rèn)識(shí)到了井斜的危害。斜的危害。上世紀(jì)上世紀(jì)40年代末至年代末至50年代初期，年代初期，防斜成為鉆井技防斜成為鉆井技術(shù)領(lǐng)域所關(guān)注的問題。術(shù)領(lǐng)域所關(guān)注的問題。 后來，后來，利用井斜鉆成了定向井、水平井