井斜及其控制

1、第六章第六章 井斜及其控制井斜及其控制概述概述第一節(jié)第一節(jié) 井斜的原因井斜的原因第二節(jié)第二節(jié) 鐘擺鉆具控制井斜技術(shù)鐘擺鉆具控制井斜技術(shù)第三節(jié)第三節(jié) 剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)小結(jié)小結(jié)概述概述一、井斜概念一、井斜概念 井斜指實鉆井眼對井斜指實鉆井眼對設(shè)計鉛垂井眼的偏離設(shè)計鉛垂井眼的偏離概述概述二、井斜的危害二、井斜的危害l勘探：勘探：l開發(fā)：開發(fā)：l鉆井工程：鉆井工程：概述概述二、井斜的危害二、井斜的危害l勘探勘探：地質(zhì)資料失真；錯過油氣層；測井困難。概述概述二、井斜的危害二、井斜的危害概述概述概述概述三三、井斜的度量指標、井斜的度量指標l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平

2、位移l井斜變化率井斜變化率l方位角方位角l方位變化率方位變化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO概述概述三三、井斜的度量指標、井斜的度量指標l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜變化率井斜變化率l方位角方位角l方位變化率方位變化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定義定義：井眼軸線的切線與鉛垂直線之間的夾角 概述概述三三、井斜的度量指標、井斜的度量指標l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜變化率井斜變化率l方位角方位角l方位變化率方位變化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定義定義：井底在水平面上偏離原井口的大小OBBA概述概述三三、井斜的度量指標、井斜

3、的度量指標l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜變化率井斜變化率l方位角方位角l方位變化率方位變化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定義定義：單位長度內(nèi)井斜角的變化值, /LBA概述概述三三、井斜的度量指標、井斜的度量指標l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜變化率井斜變化率l方位角方位角l方位變化率方位變化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定義定義：井眼軸線的切線在水平面投影的方向與正北方向之間的夾角。BA概述概述三三、井斜的度量指標、井斜的度量指標l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜變化率井斜變化率l方位角方位角l方位變化率方位變化率l井斜平面

4、井斜平面l方位平面方位平面NOO定義定義：單位長度內(nèi)方位角的變化值, /LBA概述概述三三、井斜的度量指標、井斜的度量指標l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜變化率井斜變化率l方位角方位角l方位變化率方位變化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定義定義：OAB平面BA概述概述三三、井斜的度量指標、井斜的度量指標l井斜角井斜角l井底水平位移井底水平位移l井斜變化率井斜變化率l方位角方位角l方位變化率方位變化率l井斜平面井斜平面l方位平面方位平面NOO定義定義：水平平面BA第一節(jié)第一節(jié) 井斜的原因井斜的原因井斜原因井斜原因：1. 1. 地質(zhì)因素地質(zhì)因素1.1 1.1 層狀地層層狀

5、地層1.2 1.2 地層各向異性地層各向異性1.3 1.3 巖性交替變化巖性交替變化1.4 1.4 斷層斷層1.5 1.5 地應(yīng)力地應(yīng)力1.6 1.6 裂縫發(fā)育帶裂縫發(fā)育帶1.1. 地質(zhì)因素地質(zhì)因素1.1 1.1 層狀地層層狀地層機理：重壓崩掉遺留小臺階直至井眼與斜面垂直為止。 (小造斜器理論)方向：60，下傾影響：傾角越大、成層性越強、鉆壓越大，則井斜越大。有效井徑小斜臺1. 1. 地質(zhì)因素地質(zhì)因素1.2 1.2 地層各向異性地層各向異性機理：鉆頭將沿巖石可鉆性最好的方向鉆進。 鉆進往往沿著強度最低，可鉆性最好的方向進行。但預(yù)定的鉆進方向往往和可鉆性最好的方向不重合，故井眼發(fā)生偏斜。一般說來

6、由于成層狀況、膠結(jié)、層理等造成垂直于層面的方向強度低、可鉆性好。 如圖63所示：Vt1 Vt2 Vt3 。1231231. 1. 地質(zhì)因素地質(zhì)因素1.3 巖性交替變化巖性交替變化井斜方向：上傾影響機理：由軟地層由軟地層 硬地層硬地層硬地層支撐，軟地層吃入鉆進快，偏轉(zhuǎn)力矩造成井斜。由硬地層由硬地層 軟地層軟地層產(chǎn)生臺階力軟地層軟地層軟地層軟地層硬地層硬地層硬地層硬地層FaFbFaFb1. 1. 地質(zhì)因素地質(zhì)因素以上三因素均與地層傾角有關(guān)，可見，以上三因素均與地層傾角有關(guān)，可見，是影響井斜的一個關(guān)鍵因素！是影響井斜的一個關(guān)鍵因素！FaFb 1. 地質(zhì)因素地質(zhì)因素1.4 1.4 斷層斷層破碎帶疏松不

7、穩(wěn)定，鉆頭受力不均、工作不穩(wěn)造成井斜。1.5 1.5 地應(yīng)力地應(yīng)力1.6 1.6 裂縫發(fā)育帶裂縫發(fā)育帶 以上因素是影響井斜的客觀因素，是不可避免以上因素是影響井斜的客觀因素，是不可避免的。除了這類因素外，鉆井過程中主觀的操作因素的。除了這類因素外，鉆井過程中主觀的操作因素也是造成井斜的主要原因，而這因素一般可規(guī)為鉆也是造成井斜的主要原因，而這因素一般可規(guī)為鉆柱彎曲這一原因柱彎曲這一原因。2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響基本原理基本原理：P問題問題：下部鉆柱何時引起井斜，必須分析下部鉆柱何時引起井斜，必須分析：彎曲條件，彎曲情況，防止彎曲的方法鉆柱彎曲鉆柱彎曲鉆頭與井眼軸線

8、有一傾角鉆頭與井眼軸線有一傾角井斜井斜2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響2.1 垂直井內(nèi)下部鉆柱彎曲對井斜的影響垂直井內(nèi)下部鉆柱彎曲對井斜的影響： 現(xiàn)象現(xiàn)象：鉆壓為零或在合適的小鉆壓下：鉆柱是直的鉆壓增至鉆壓臨界值：鉆柱發(fā)生彎曲。彎曲鉆柱與井壁的接觸點稱為切點，彎曲鉆柱使鉆頭偏離井眼軸線一個角度、稱為鉆頭傾斜角(鉆頭轉(zhuǎn)角)。PT2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響PT：切點處鉆柱與井壁相磨刮可能產(chǎn)生切點處鉆柱與井壁相磨刮可能產(chǎn)生坍塌坍塌；彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生交變應(yīng)力以至彎曲鉆柱旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生交變應(yīng)力以至疲勞破壞疲勞破壞；鉆頭轉(zhuǎn)角使鉆頭不再垂直向下，可能造成鉆頭轉(zhuǎn)角使

9、鉆頭不再垂直向下，可能造成井眼傾斜2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響 研究內(nèi)容研究內(nèi)容：A.A.彎曲條件彎曲條件：鉆壓過大！什么是產(chǎn)生彎曲的鉆壓臨界值？P.99式6-6mrqEJmmqqLPmLmzmm02.104.204.232. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響B(tài). B. 彎曲情況彎曲情況：彎曲鉆柱是什么形狀？ 一次彎曲，二次彎曲切點和最大疲勞應(yīng)力的位置各在何處？P.99式6-5在什么條件下彎曲鉆柱中的應(yīng)力會過載？彎曲鉆柱與井壁相互作用力有多大？2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響一次彎曲，二次彎曲2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱

10、彎曲對井斜的影響C. C. 防止方法防止方法：什么條件鉆頭的傾角有成為最小的可能？如何避免鉆柱彎曲？鉆柱已發(fā)生彎曲時，如何盡量減小壞的影響？2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響 問題的分析與推導(dǎo)問題的分析與推導(dǎo)基本依據(jù)：彎曲微分方程mqFCCdxdyxdxydm2330 xy2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響 研究的結(jié)論研究的結(jié)論： 鉆壓低于彎曲臨界鉆壓可鉆出直井（不幸的是該鉆壓太低），如現(xiàn)場采用的吊打措施。 增大鉆柱外徑、增大鉆柱剛度EI可減小鉆頭傾角，有利于防斜。2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響2.2 斜斜井內(nèi)下部鉆柱彎曲對井斜的

11、影響井內(nèi)下部鉆柱彎曲對井斜的影響實際鉆井實踐中，垂直井幾乎不存在，一口井或多或少都有一些偏斜，分析斜井內(nèi)鉆柱力學(xué)對井斜的影響具有普遍意義。，因此分析鉆頭上的受力情況可幫助我們了解影響井斜的主要因素。2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響 斜直井內(nèi)鉆柱的受力斜直井內(nèi)鉆柱的受力分析分析基本假定基本假定：（略）鉆柱受力圖鉆柱受力圖：重力W(分解為F與W2),鉆頭處側(cè)向力FbFfFiPFFdWF2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響造斜力造斜力:FfFiPF1FdWF降斜力：降斜力：BfFPFsin1sin21WFd當(dāng)：當(dāng)：F1F1FdFd時，時，平衡平衡F1FdF1F

12、d時，時，井斜角增大井斜角增大F1FdF1-達到新的平衡。達到新的平衡。2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響 鉆頭上受的力鉆頭上受的力：在井眼方向在井眼方向：鉆壓分量鉆壓分量：Pcos,由鉆柱重量產(chǎn)生在垂直于井眼方向在垂直于井眼方向：造斜力造斜力：F1= 鉆壓分量地層造斜力 =Fi+Ff=Psin+Ff鐘擺力鐘擺力： Fd=F/2FfFiPF1FdWFB 2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響 分析分析：l井斜平衡角主要取決于三個因素井斜平衡角主要取決于三個因素：鉆壓、鉆鋌尺寸和井眼尺寸。鉆壓、鉆鋌尺寸和井眼尺寸。2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井

13、斜的影響l討論討論:鉆壓愈大，鉆具的造斜力愈大;井眼與鉆具的間隙愈大，可能的彎曲角大，鉆具的造斜力愈大;井斜角愈小，鉆具的造斜力愈大;鉆柱愈輕，鉆具的造斜力愈大;切點愈低，鉆具的造斜力愈大。2. 下部鉆柱彎曲對井斜的影響下部鉆柱彎曲對井斜的影響由前面分析可以看出由前面分析可以看出, ,防止井斜可從兩方面入手：防止井斜可從兩方面入手：FfFiF1FdB 第二節(jié)第二節(jié) 鐘擺鉆具控制井斜技術(shù)鐘擺鉆具控制井斜技術(shù)1 1、鐘擺鉆具的工作原理、鐘擺鉆具的工作原理 利用提高鉆鋌鐘擺力的方法增大鉆頭上的降斜力。F1FdB 增加降斜力的途徑：增大鉆柱增大鉆柱( (切點以下切點以下) )剛度剛度增大切點高度增加鉆

14、鋌重量增大切點高度增加鉆鋌重量增大切點高度的方法：在比切點略高處安裝一個穩(wěn)定器在比切點略高處安裝一個穩(wěn)定器第二節(jié)第二節(jié) 鐘擺鉆具控制井斜技術(shù)鐘擺鉆具控制井斜技術(shù)二、鐘擺鉆具穩(wěn)定器安放位置計算二、鐘擺鉆具穩(wěn)定器安放位置計算穩(wěn)定器位置的正確安放是鐘擺鉆具技術(shù)的關(guān)鍵：l過低：糾斜力偏小，效果差。l過高：穩(wěn)定器以下可能形成新的切點、使鐘擺鉆具失效。l理想位置：在保證穩(wěn)定器以下鉆柱不與井壁接觸條件下盡可能高。l影響因素：鉆鋌尺寸、鉆壓、井眼斜度l計算方法：圖表法。P.103圖6-13，6-14F1FdB 第二節(jié)第二節(jié) 鐘擺鉆具控制井斜技術(shù)鐘擺鉆具控制井斜技術(shù)三、鐘擺鉆具的適用條件三、鐘擺鉆具的適用條件l

15、不易井斜地區(qū)l用于糾斜四、鐘擺鉆具的四、鐘擺鉆具的特點特點：在直井無防斜作用在直井無防斜作用第三節(jié)第三節(jié) 剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)一、剛性滿眼鉆具組成一、剛性滿眼鉆具組成組成：組成：三個以上穩(wěn)定器外徑較大的鉆鋌特點：特點：剛性大，填滿井眼第三節(jié)第三節(jié) 剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)二、剛性滿眼鉆具的工作原理二、剛性滿眼鉆具的工作原理l剛度大，間隙小，穩(wěn)定器與井壁多點支撐，在大鉆壓下不易彎曲所造成的井斜，使鉆壓對井斜影響小。l地層橫向力使穩(wěn)定器頂住井壁而能承受了部分造斜力。l短鉆鋌的彈性彎曲在鉆頭上產(chǎn)生抗斜力關(guān)鍵：保證鉆鋌不發(fā)生彎曲，從而防關(guān)鍵：保證鉆鋌

16、不發(fā)生彎曲，從而防止和減小了鉆頭出現(xiàn)的偏斜止和減小了鉆頭出現(xiàn)的偏斜第三節(jié)第三節(jié) 剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)1 1）在垂直井眼內(nèi)）在垂直井眼內(nèi)作用作用：保持井眼沿垂直方向鉆進原理原理：穩(wěn)定的居中鉆柱減少鉆柱 彎曲； 近鉆頭穩(wěn)定器限制鉆頭 橫向位移和鉆頭偏轉(zhuǎn)。第三節(jié)第三節(jié) 剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)2 2）在增斜井眼內(nèi)）在增斜井眼內(nèi)l作用作用：減緩增斜速度l原理原理：鉆頭穩(wěn)定器限制鉆頭橫向位移和偏轉(zhuǎn)；鉆頭橫向位移使短鉆鋌產(chǎn)生彎矩抗拒彎曲產(chǎn)生彎矩抗拒彎曲。M第三節(jié)第三節(jié) 剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)3 3）在降斜井眼內(nèi)）在降斜井眼內(nèi)l作

17、用作用：限制降斜速度l原理原理：鉆頭穩(wěn)定器限制鉆頭橫向位移和偏轉(zhuǎn)；短鉆鋌的彈彈性恢復(fù)力性恢復(fù)力使降斜減緩。第三節(jié)第三節(jié) 剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)結(jié)論結(jié)論： 在直井內(nèi)當(dāng)?shù)貙釉煨绷Σ淮髸r可保持直線鉆進；在彎曲井(增斜、降斜井)減緩井斜的變化速度，使井眼趨于小曲率的平滑曲線?？墒┘虞^大鉆壓鉆進。第三節(jié)第三節(jié) 剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)影響滿眼鉆具的因素：影響滿眼鉆具的因素：l間隙間隙：間隙小，不易彎曲，承受造斜力的能力大。l長度長度：總長度大，單段長度小，不易彎；長度與間隙有關(guān)。l剛度剛度：剛度大，不易彎。第三節(jié)第三節(jié) 剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)剛性滿眼鉆

18、具控制井斜技術(shù)三、滿眼鉆具的設(shè)計和計算三、滿眼鉆具的設(shè)計和計算1.1.設(shè)計內(nèi)容設(shè)計內(nèi)容選擇鉆鋌，確定穩(wěn)定器的安放位置選擇鉆鋌，確定穩(wěn)定器的安放位置。后者是關(guān)鍵。第三節(jié)第三節(jié) 剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)2 2、設(shè)計要求設(shè)計要求（1）小間隙小間隙(滿眼)，254mm-.79mm,254-381-1.58mm,381-2.38（2）大剛度大剛度(剛性)，通過增大尺寸獲得。（3）足夠的支撐足夠的支撐（針對不同地層造用不同的扶正條、長度和穩(wěn)定器類型），防止填埋入地層，增加穩(wěn)定器數(shù)量和長度。（4）適當(dāng)?shù)你@具長度適當(dāng)?shù)你@具長度：18182727m m（5）近鉆頭穩(wěn)定器近鉆頭穩(wěn)定器：（6）短鉆鋌短鉆鋌：第三節(jié)第三節(jié) 剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)剛性滿眼鉆具控制井斜技術(shù)3 3、穩(wěn)定器位置計算、穩(wěn)定器位置計算：l近鉆頭穩(wěn)定器近鉆頭穩(wěn)定器：直接裝在鉆頭上l上穩(wěn)定器上穩(wěn)定器：一般距中穩(wěn)定器一根鉆鋌l中穩(wěn)定器中穩(wěn)定器：最優(yōu)位置計算(兩種