定向鉆井理論與技術(shù)

.PAGE....《定向鉆井理論與技術(shù)》講稿授課教師：史玉才授課對象：船舶與海洋工程200３級１～２班授課時間：２００６～２００７學(xué)年第一學(xué)期２００６年９月定向鉆井理論與技術(shù)授課對象：船舶與海洋工程2003級01～02班學(xué)習(xí)目的：〔1在必修課中定向鉆井內(nèi)容的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步拓寬和加深,使學(xué)生掌握定向井設(shè)計和計算的基本理論和方法,初步具備分析和解決定向鉆井過程中的具體問題的能力,同時對當(dāng)前大量出現(xiàn)的定向井新技術(shù)有最基本的了解,為以后從事定向井工作打下較好的基礎(chǔ)。〔2通過本課程的學(xué)習(xí),要求學(xué)生掌握定向井井眼軌跡計算、井身剖面設(shè)計、井眼軌跡預(yù)測等方法；能初步進(jìn)行鉆柱摩阻扭矩計算、動力鉆具反扭角計算和無磁鉆鋌使用長度計算。總學(xué)時：32教材：韓志勇,《定向井設(shè)計與計算》,石油工業(yè)出版社,1989主要參考資料：有關(guān)定向井的科技論文。..第1章定向井鉆井技術(shù)概述定向井：目標(biāo)點和井口不在一條鉛垂線上的井。按照事先設(shè)計的具有井斜和方位變化的軌道鉆進(jìn)的井。一口直井打斜了,也具有井斜角和井斜方位角的變化,但那不是定向井。井眼軌道：指在一口井鉆進(jìn)之前人們預(yù)想的該井井眼軸線形狀。井眼軌跡：指一口井實際鉆出來后的井眼軸線形狀?！?-1定向井的用途20世紀(jì)30年代初,在海邊向海里打定向井開采海上油田的嘗試成功之后,定向井得到了廣泛的應(yīng)用,其應(yīng)用領(lǐng)域大體有以下三種情況。1．地面環(huán)境條件的限制地面上是高山,湖泊,沼澤,河流,溝塑,海洋,農(nóng)田或重要的建筑物等,難以安裝鉆機(jī)進(jìn)行鉆井作業(yè)時,或者安裝鉆機(jī)和鉆井作業(yè)費用很高時,為了勘探和開發(fā)它們下面的油田,最好是鉆定向井。2．地下地質(zhì)條件的要求對于斷層遮擋油藏,定向井比直井可發(fā)現(xiàn)和鉆穿更多的油層；對于薄油層,定向井和水平井比直井的油層裸露面積要大得多。對于垂直裂縫的構(gòu)造帶,打直井很難鉆遇裂縫,若鉆定向井或水平井,則鉆遇裂縫的機(jī)會就大得多；另外,側(cè)鉆井,多底井,分支井,大位移井,側(cè)鉆水平井,徑向水平井,等等定向井的新種類,顯著地擴(kuò)大了勘探效果,增加了原油產(chǎn)量,提高了油藏的采收率。新提法：用鉆井方法提高油藏采收率3．處理井下事故的要求當(dāng)井下落物或斷鉆事故最終無法撈出時,可從上部井段側(cè)鉆打定向井；特別是遇到井噴著火常規(guī)方法難以處理時,在事故井附近打定向井<稱作救援井>,與事故井貫通,進(jìn)行引流或壓并,從而可處理井噴著火事故。隨著定向井鉆井技術(shù)的發(fā)展,定向井建井周期和總成本已接近鉆直徑的水平,定向鉆井已成為油田勘探開發(fā)的極為重要的手段?！?-2井眼軌跡的基本概念1、井眼軌跡的基本參數(shù)井眼軌跡為空間曲線。為了進(jìn)行井眼軌跡控制,就要了解這條空間曲線的形狀,就要進(jìn)行軌跡測量,也即"測斜"。目前常用的測斜方法并不是連續(xù)測斜,而是每隔一定長度的井段測一個點,這些井段被稱為"測段",這些點被稱為"測點"。軌跡基本參數(shù)：井深、井斜角、井斜方位角。〔1井深〔L指井口〔通常以轉(zhuǎn)盤面為基準(zhǔn)至測點的井眼長度,也有人稱之為斜深,國外稱為測量井深<MeasureDepth,MD>。井深是以鉆柱或電纜的長度來量測。井深既是測點的基本參數(shù)之一,又是表明測點位置的標(biāo)志。一個測段的兩個測點中,井深小的稱為上測點,井深大的稱為下測點。井深的增量〔總是下測點井深減去上測點井深。〔2井斜角〔α在井眼軸線上某測點作井眼軸線的切線,該切線向井眼前進(jìn)方向延伸的方向為井眼方向線。井眼方向線與重力線之間的夾角就是井斜角。圖1-2-1井斜角與井斜方位角〔3井斜方位角〔φ某測點處的井眼方向線投影到水平面上,稱為井眼方位線,或井斜方位線。以正北方位線為始邊,順時針方向旋轉(zhuǎn)到井眼方位線上所轉(zhuǎn)過的角度,即井斜方位角,簡稱方位角。一個測段內(nèi)的井斜角增量總是下測點井斜角減去上測點井斜角。一個測段內(nèi)的方位角增量總是下測點方位角減去上測點方位角。如圖1-2-1〔a所示,A點的井斜角為、方位角為,B點的井斜角為、方位角為,AB井段的井斜角增量、方位角增量分別為：2、井眼軌跡的計算參數(shù)軌跡計算參數(shù)可用于描述軌跡的形狀和位置,可用于軌跡繪圖。計算參數(shù)包括：〔1垂直深度〔D簡稱垂深,是指軌跡上某點至井口所在水平面的距離。垂深的增量〔稱為垂增。如圖1-2-1所示,A、B兩點的垂深分別為、,AB井段的垂增〔2N坐標(biāo)〔N和E坐標(biāo)〔EN坐標(biāo)和E坐標(biāo)是指井眼軌跡上某點在以井口為原點的水平面坐標(biāo)系里的坐標(biāo)值。南北坐標(biāo)軸,以正北方向為正方向；東西坐標(biāo)軸,以正東方向為正方向。如圖1-2-2所示,A、B兩點的坐標(biāo)值分別為、和、,坐標(biāo)增量以、表示?！?水平長度〔Lp簡稱平長,是指井眼軌跡上某點至井口的長度在水平面上的投影,即井深在水平面上的投影長度。水平長度的增量稱為平增<>表示。平長和平增是指曲線長度。圖1-2-2平移及平移方位角〔4水平位移〔S水平位移簡稱平移,指井眼軌跡某點至井口所在鉛垂線的距離,或指軌跡上某點至井口的距離在水平面上的投影。此投影線稱為平移方位線。如圖1-2-2所示。A、B兩點的水平位移分別為、。在國外,將水平位移稱作閉合距。而我國油田現(xiàn)場常特指完鉆位置的水平位移為閉合距?！?平移方位角〔θ指平移方位線所在的方位角,即以正北方位為始邊順時針至平移線上所轉(zhuǎn)過的角度。如圖1-2-2所示,A、B兩點的平移方位角為θA、θB。在國外將平移方位角稱作閉合方位角。而我國油田現(xiàn)場常特指完鉆位置的平移方位角為閉合方位角?！?視平移〔V視平移也稱投影位移,是水平位移在設(shè)計方位線上的投影長度。視平移用字母V表示。如圖1-2-2所示,A、B兩點的視平移分別為VA、VB?！?井眼曲率〔K是指井眼軌跡曲線的曲率。由于實鉆井眼軌跡是任意的空間曲線,其曲率是不斷變化的。井眼曲率也有人稱作"狗腿嚴(yán)重度","全角變化率"。對一個測段<或井段>來說,上、下二測點處的井眼方向線是不同的,兩條方向線之間的夾角<注意是在空間的夾角>稱為"狗腿角",也有人稱為"全角變化"。3、井眼軌跡的圖示法一種是垂直投影圖與水平投影圖相配合,如圖1-2-3<a>所示；一種是垂直剖面圖與水平投影圖相配合,如圖1-2-3<b>所示。HHH圖1-2-3〔a垂直投影圖與水平投影圖圖1-2-3〔b垂直剖面圖與水平投影圖〔1水平投影圖水平投影圖相當(dāng)于機(jī)械制圖中的俯視圖,就是將井眼軌跡這條空間曲線投影到井口所在的水平面上。圖中的坐標(biāo)為N坐標(biāo)和E坐標(biāo),以井口為坐標(biāo)原點。在水平投影圖上,方位角是真實的?！?垂直投影圖垂直投影圖相當(dāng)于機(jī)械制圖中的側(cè)視圖,即將井眼軌跡這條空間曲線投影到設(shè)計方位線所在的那個鉛垂平面上。圖中的坐標(biāo)為垂深D和視平移V,也是以井口為坐標(biāo)原點。優(yōu)點：垂直投影圖與設(shè)計的垂直投影圖進(jìn)行比較,可以看出實鉆井眼軌跡與設(shè)計井眼軌跡的差別,便于指導(dǎo)施工中軌跡控制?！?垂直剖面圖垂直剖面圖可以這樣來理解：設(shè)想經(jīng)過井眼軌跡上每一個點作一條鉛垂線,所有這些鉛垂線就構(gòu)成了一個曲面。這種曲面在數(shù)學(xué)上稱作柱面。當(dāng)此柱面展平時就形成了垂直剖面圖。垂直剖面圖的兩個坐標(biāo)是垂深D和水平長度Lp。在垂直剖面圖上,井斜角是真實的。4、測點的井眼方向〔1-1作業(yè)：下面說法哪些是正確的？某點的井眼方向線就是該點的切線方向。井斜角就是井眼方向線與重力線之間的夾角。井眼軸線上某點處的井眼方向線投影到水平面上,即為該點的井斜方位線。方位角就是井斜方位線與正北方向的夾角。井斜方位角就是方位角。井眼軸線投影到水平面上以后,過其上某一點作投影線的切線,該切線向井眼前進(jìn)方向延伸部分,即為該點的井斜方位線。..第2章定向井井眼軌跡計算定向井井眼軌道：在一口井鉆進(jìn)之前人們預(yù)想的該井井眼軸線形狀。定向井井眼軌跡：一口已鉆成的井的實際井眼軸線形狀?！?-1井眼曲率的計算一、井眼曲率的概念從一點到另一點,井眼前進(jìn)方向變化的角度〔兩點處井眼前進(jìn)方向線之間的夾角,既反映了井斜角的變化,又反映了井斜方位角的變化,稱為全角變化值,或稱為狗腿角,通常以γ表示。由于實鉆井眼軌跡是任意的空間曲線,其曲率是不斷變化的,所以在工程上常常計算井段的平均曲率。所取測〔井段越短,平均曲率就越接近實際曲率。二、井眼曲率的計算公式1、第一套計算公式根據(jù)空間微分幾何原理推導(dǎo)而來?！?-1據(jù)空間微分幾何原理可得：對于一個測段來說,以井斜角變化率和方位角變化率代入,并以測段平均井斜角代替公式中的α,得到式〔2-1。第一套計算公式的證明過程：如右圖所示。取微段dL。根據(jù)微分幾何原理,微段的曲率為：〔2-2根據(jù)幾何關(guān)系對上式求導(dǎo),令：則得：將上式代入式〔1-2并化簡,即得式〔2-1。2、第二套計算公式：Lubinsky根據(jù)空間平面圓弧曲線推導(dǎo)而來?！?-3第二套計算公式的證明<1>：如右圖所示,假定測段是斜面圓弧曲線。由△CDE和△C’DE得：聯(lián)立可得：由幾何關(guān)系可得：代入上式可得式〔2-3。第二套計算公式的證明<2>：1點的井眼方向單位矢量為：2點的井眼方向單位矢量為：兩矢量夾角的余弦為：3、第三套計算公式〔2-4該方法源于沙尼金圖解法,是第一套計算公式在井斜角較小且兩點的井斜、方位均相差不大情況下的近似。由于上式是任意三角形余弦定理的表達(dá)式,因此可以用圖解法求γ。第三套計算公式的證明：第一套計算公式為：上式兩邊同時乘以ΔL,展開后則有：在井斜角較小,兩點的井斜、方位均相差不大時有：代入后則有：4、計算方法的選擇第一套公式：數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密,適用于各種形狀的井眼,具有普遍性。第二套公式：假設(shè)井段是平面圓弧曲線,適用于平面曲線的井眼,例如,用彎曲動力鉆具定向鉆進(jìn)鉆出的井眼。第三套公式：只能是用于井斜角較小,且兩點的井斜、方位均相差不大的情況下。我國定向井標(biāo)準(zhǔn)化委員會制定的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：使用第一套計算公式。[例2-1]：某測段長?L=30m,上測點井斜角=35?,下測點井斜角=39?,方位角增量=8?,試用三種曲率計算方法計算該測段的曲率。方法一：方法二：方法三：[作業(yè)2-1]：用不同方法計算狗腿角序號測點參數(shù)計算方法和結(jié)果α1〔°α2〔°Δφ〔°第一套公式〔°第二套公式〔°第三套公式〔°135398325310460601051015806606080§2-2測斜計算方法一、測斜計算概述1、測斜計算的意義指導(dǎo)施工：將計算結(jié)果繪圖,及時掌握井眼軌跡發(fā)展的趨勢,及時采取有效措施；資料保存：井眼軌跡數(shù)據(jù),是一口井的最重要數(shù)據(jù)之一,對鉆井、采油、修井、開發(fā)等,都有重要意義。2、測斜計算的基本依據(jù)測斜數(shù)據(jù)〔L,α,φ3、測斜計算方法的多樣性4、對測斜計算數(shù)據(jù)的規(guī)定測點編號：自上而下,第一個井斜角不為零的測點為第1測點,i=1,2,3,至n。測段編號：自上而下編號,第i-1個測點與第i個測點之間所夾的測段為第i個測段。第1測段,應(yīng)該是第0測點和第1測點之間的測段。第0測點：有連接點時以連接點作為第0測點；沒有連接點時,要規(guī)定第0測點：α0=0；L0=L1-25m；φ0=φ1；N0=0；E0=0；S0=0。用于計算全井軌跡的計算數(shù)據(jù)必須是多點測斜儀測得的數(shù)據(jù)。磁性測斜儀測得的方位角數(shù)據(jù),須根據(jù)當(dāng)?shù)禺?dāng)年的磁偏角進(jìn)行校正。測點中若有一測點井斜角為零,則該點方位角等于相鄰測點的方位角。方位角變化在一個測段內(nèi)不超過180°。若方位角增量大于180°,應(yīng)按反轉(zhuǎn)方向計算。[例1-2]：計算以下兩測段的方位角增量和平均井斜方位角：〔1上測點井斜方位角350,下測點井斜方位角2550；〔〔2上測點井斜方位角3350,下測點井斜方位角250；〔5、測斜計算的一般過程假設(shè)測段形狀；計算測段的坐標(biāo)增量〔,,、水平長度增量〔和井眼曲率〔K；根據(jù)測段增量計算測點坐標(biāo)參數(shù)和其他參數(shù),包括：H,N,E,Lp,S,θ,V,共計七項。二、測斜計算方法1、正切法：又稱下切點法假設(shè)：測段為一直線,方向與下測點井眼方向一致。所有方法中最簡單的,計算誤差最大的。2、平均角法：又稱角平均法假設(shè)：測段為一直線,其方向的井斜角和方位角分別為上、下兩測點的平均井斜角和平均方位角。3、平衡正切法假設(shè)：一個測段由兩段組成,每段等于測段長度的一半,方向分別為上、下測點的井眼方向。這種方法在國外用的比較多。4、圓柱螺線法〔曲率半徑法1968年,美國人提出了曲率半徑法。其假設(shè)條件為：測段為一圓滑曲線,該曲線與上、下二測點處的井眼方向相切,而且該曲線在垂直剖面圖和水平投影圖上都是圓弧。1975年,我國鄭基英教授提出了圓柱螺線法。他的假設(shè)條件是：兩測點間的測段是一條等變螺旋角的圓柱螺線,螺線在兩端點處與上、下二測點處的井眼方向相切?？梢宰C明,曲率半徑法和圓柱螺線法的假設(shè)是一致的?；蚩梢宰C明,曲率半徑法和圓柱螺線法的計算公式是一樣的。圓柱螺線法〔曲率半徑法特殊情況處理：第一種情況：α1=α2；φ2≠φ1；即Δα=0；Δφ≠0。第二種情況：α1≠α2；φ2=φ1；即Δα≠0；Δφ=0。第三種情況：α1=α2；φ2=φ1；即Δα=0；Δφ=0。5、校正平均角法三角函數(shù)sinx可以展開成馬克勞林無窮級數(shù)的形式：當(dāng)x小于1時,此級數(shù)收斂很快,可近似取前兩項,即：當(dāng)x為〔Δα/2或〔Δφ/2時,則有：將此二式代入到圓柱螺線法公式中,可得：這就是校正平均角法的計算公式。兩個系數(shù)fA和fH可以看作是平均角法的校正系數(shù)。校正平均角法的優(yōu)點：校正平均角法是從圓柱螺線法公式經(jīng)過簡化而推導(dǎo)出來的。因此,校正平均角法的計算精度,幾乎與圓柱螺線法完全相同。最大優(yōu)點：方法簡單,不存在特殊情況處理問題。當(dāng)式中的括弧等于1時,公式變?yōu)槠骄欠?。我國定向井?biāo)準(zhǔn)化委員會規(guī)定,當(dāng)使用電算進(jìn)行測斜計算時,要使用校正平均角法。6、最小曲率法〔斜面圓弧法1975年,美國人提出了最小曲率法。其假設(shè)條件為：測段為一圓弧線,該圓弧與上、下二測點處的井眼方向相切。可以證明圓弧線是兩測點間曲率最小的曲線,最小曲率法因此得名,最小曲率法在國外的測斜計算中得到廣泛的應(yīng)用。石油大學(xué)〔華東韓志勇教授在最小曲率法的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地推導(dǎo)了圓弧法公式,雖然沒有在測斜計算中廣泛應(yīng)用,但在定向井的其他方面,得到深入地應(yīng)用。一般來說,斜平面上是圓弧在垂直剖面圖和水平投影圖上都不再是圓弧。7、弦步法弦步法是我國劉福齊同志首先提出來的,并且給出了準(zhǔn)確實用的計算公式。弦步法亦假設(shè)相鄰兩測點之間的井眼軸線為空間一平面上的圓弧曲線。弦步法認(rèn)為,我們在測井時并不能測出這個圓弧的長度,而實際測出的是這段圓弧的弦的長度。如圖所示,在實際測斜時,由于鉆柱或電纜被盡可能拉直,所以鉆柱或電纜的軸線并不完全與井眼軸線重合,而是近似地與圓弧形井眼軸線的"弦"相重合。這就使得用鉆柱或電纜測得的"測段長度",并不代表"井段長度",而是"弦長"。按照這個假設(shè)來計算井眼軌跡的方法就是弦步法。將最小曲率法〔斜面圓弧法計算公式中的ΔL乘以系數(shù),就得到弦步法的公式。三、測斜計算方法的對比選擇上述七種計算方法可分為三類：由于曲線法優(yōu)于直線法和折線法。因此,手算采用平均角法,電算采用曲線法。動力鉆具鉆出的井眼用最小曲率法；轉(zhuǎn)盤鉆鉆出的井眼用圓柱螺線法。我國標(biāo)準(zhǔn)化委員會規(guī)定：手算用平均角法,電算用校正平均角法。正切法,公認(rèn)是不準(zhǔn)確的,目前已經(jīng)廢棄。將六種計算方法的公式進(jìn)行數(shù)學(xué)變換,將其平增和垂增的公式都變化為平衡正切法的公式形式乘一個系數(shù)K。圓柱螺線法系數(shù)校正平均角法系數(shù)最小曲率法〔斜面圓弧法的系數(shù)弦步法的系數(shù)例2-3：測段的參數(shù)為α1=330°；α2=370°；φ1=1960°；φ2=2160°；ΔL=30m。按照六種方法的Ｋ值的大小排出順序：弦步法>最小曲率法>平均角法>圓柱螺線法>校正平均角法>平衡正切法。校正平均角法與圓柱螺線法的計算值相差非常小,所以,在實際工作中,完全可以用校正平均角法代替圓柱螺線法,而且也有必要作此代替。平衡正切法的計算值總是小于曲線法的計算值。平均角法的計算值介于圓柱螺線法和最小曲率法兩種曲線法的計算結(jié)果之間,是最接近曲法的計算結(jié)果。所以,手算〔包括使用計算器應(yīng)該選用平均角法。從弦步法和平衡正切法比較來看,在30m長的一個測段內(nèi),ΔＨ和ΔLp的計算值相差約10cm。如果是一口3000m的井,將有100個測段,兩種方法差別將近10m之多?？梢娺x擇計算方法的必要性。提高井眼軌跡測斜計算的準(zhǔn)確性,除了選擇合適的計算方法外,更加重要的是要采取以下有效措施：提高測斜資料的精度。使用精度較高的測斜儀器,并盡可能使儀器的軸線與井眼軸線相平行。適當(dāng)加密測點,縮短測段長度。課后作業(yè)2-2：完成下列測斜計算：測點號L〔m〔°〔°N〔mE〔mH〔mS〔mK〔°/30m連接點1524.2416.111.0625.464.591521.3826.3211532.2417.340.8921542.8919.00358.231551.9420.120.99〔1用平均角法計算；〔2用校正平均角法計算。四、定向井軌跡常規(guī)繪圖利用測斜計算結(jié)果可以繪出垂直剖面圖〔H,Lp、水平投影圖〔N,E、垂直投影圖〔H,V。垂直剖面圖上井斜是真實的,水平投影圖上方位是真實的?！?-3定向井軌跡質(zhì)量評價1.中靶計算已知條件：目標(biāo)點坐標(biāo)〔Dt,Nt,Et和實鉆井眼軌跡數(shù)據(jù)。〔1計算中靶點p點的水平坐標(biāo)：〔2靶心矩的計算：〔3中靶精度計算當(dāng)DJ<0時,為脫靶；當(dāng)DJ=0～0.6時,為合格井；當(dāng)DJ=0.6～0.85時,為良好井；當(dāng)DJ≥0.85時,為優(yōu)質(zhì)井。2.軌跡符合率計算已知條件：設(shè)計軌道數(shù)據(jù)和實鉆井眼軌跡數(shù)據(jù)?！?計算每個測點到設(shè)計軌道水平距離：測點井深〔LiL1L2L3……Ln水平距〔JiJ1J2J3……Jn〔2計算水平距離的加權(quán)平均值JJ：〔3軌跡符合率的計算：軌跡質(zhì)量評價是否合理？對水平井的中靶精度和軌跡符合率問題沒法進(jìn)行正確地評價對狗腿和井眼曲率超標(biāo)的危害沒有考慮..第3章定向井井身剖面設(shè)計§3-1軌道設(shè)計概述一、設(shè)計條件：一般要給定的有：目標(biāo)點垂深、水平位移、設(shè)計方位角等；給定進(jìn)入目標(biāo)的要求<例如：目標(biāo)點或目標(biāo)段的井斜角>。二、設(shè)計內(nèi)容：根據(jù)設(shè)計條件,設(shè)計出合適的軌道。三、軌道設(shè)計的關(guān)鍵：造斜點選擇,增斜率和降斜率的選擇〔需要經(jīng)驗；軌道關(guān)鍵參數(shù)的求得〔需要先進(jìn)的計算公式。四、軌道自由度及軌道約束方程1、自由度〔DOF的概念將起點位置及方向均給定的軌道或曲線段形狀完全固定需要確定的獨立自由變量個數(shù)稱為軌道或曲線段的自由度。2、起點給定時各種曲線段的自由度直線段的自由度為1；二維圓弧段的自由度為2；三維圓弧段的自由度為3。3、軌道自由度為組成軌道的所有曲線段自由度之和,如：三段式軌道的自由度為4；五段式軌道的自由度為7；雙增式軌道的自由度為7。4、目標(biāo)點的約束條件稱為軌道約束方程,如：三段式軌道的約束方程數(shù)為2；五段式軌道的約束方程數(shù)為3；雙增式軌道的約束方程數(shù)為3。5、軌道設(shè)計時需要補充確定的參數(shù)個數(shù)為軌道自由度和軌道約束方程數(shù)之差,如：三段式軌道需要補充確定的參數(shù)個數(shù)為4-2=2；五段式軌道需要補充確定的參數(shù)個數(shù)為7-3=4；雙增式軌道需要補充確定的參數(shù)個數(shù)為7-3=4。五、軌道設(shè)計的一般步驟根據(jù)軌道約束方程數(shù)和需要指定的參數(shù)之和等于軌道自由度的原則選擇軌道形狀；確定需要指定的參數(shù)大小〔如造斜點、增斜率、降斜率等；建立軌道約束方程組,推導(dǎo)關(guān)鍵參數(shù)計算公式；井身參數(shù)計算及軌跡繪圖。§3-2二維常規(guī)軌道設(shè)計一、一般會給定的條件目標(biāo)點的垂深Ht、水平長度St〔井口可移動時相當(dāng)于沒給定、井斜角αt〔單靶時無要求及設(shè)計方位角θ0；造斜點井深Ha及造斜點處的井斜角αa；造斜半徑R1和R2；一般情況下,造斜點以上設(shè)計成垂直井段,αa=0；如果使用斜井鉆機(jī),則αa≠0,可根據(jù)給定的Ha和αa計算出Sa。二、軌道形狀選擇凡無特殊要求的單靶定向井,均選擇三段式軌道；井口可以移動的多靶定向井,可選多靶三段式軌道；井口不可移動的多靶定向井,需按如下計算結(jié)果進(jìn)行判斷選擇：若,則選五段式軌道；若,則選雙增式軌道；若,則選多靶三段式軌道三段式軌道三段式軌道多靶三段式軌道五段式軌道雙增式軌道五段式軌道雙增式軌道三、多靶三段式軌道設(shè)計1、已知條件目標(biāo)點的垂深Ht、井斜角αt及設(shè)計方位角θ0；造斜點井深Ha及造斜點處的井斜角αa；造斜半徑R1；2、建立約束方程3、求出關(guān)鍵參數(shù)Lw4、各節(jié)點參數(shù)計算〔將節(jié)點以上各段增量累加即可得到各節(jié)點參數(shù)直線段增量公式二維圓弧段增量公式〔增斜段取正,降斜段為負(fù)5、分點參數(shù)計算二維圓弧段〔增斜R取正,降斜R為負(fù)二維直線段abab四、雙增式軌道設(shè)計1、已知條件Ht、St、αt及θ0；Ha、αa及R1和R2；Ldt2、建立約束方程組OOSO1O2αaHtR1HaStR2αbαtHabtdcf3、求關(guān)鍵參數(shù)αb和Lw以上公式同樣適用于三段式和五段式軌道：對于三段式軌道：R2=0；Ldt=0；對于五段式軌道：R2為負(fù)值〔因為第二段為降斜段。課后作業(yè)：3-1某定向井設(shè)計條件：Ht=1418m,St=930m,Ha=190m,αa=0,K1=3°/30m,試設(shè)計該井軌道。3-2給定條件：Ht=3230m,St=1970m,αt=17.50,Ha=270m,αa=0,R1=810m,R2=1580m,靶前穩(wěn)斜段長482m,試設(shè)計該井軌道。要求：先根據(jù)軌道自由度和約束條件選擇軌道形式,然后根據(jù)有關(guān)公式進(jìn)行設(shè)計,設(shè)計結(jié)果按下表形式給出。井段項目第1段…第n段井深<m>

井斜角<°>

垂深<m>

水平長度<m>

§3-3微曲穩(wěn)斜軌道設(shè)計一、用途：常規(guī)軌道在增斜到穩(wěn)斜角之后,有一段穩(wěn)斜井段。如果穩(wěn)斜井段較短,則不會有太大問題。如果穩(wěn)斜井段很長,在鉆進(jìn)過程中,往往出現(xiàn)"穩(wěn)不住"的情況。解決"穩(wěn)不住"的問題,有兩種方法：使用常規(guī)穩(wěn)斜鉆具組合,往往出現(xiàn)降斜。這時可以將軌道設(shè)計成"微降穩(wěn)斜軌道"；設(shè)計成"微增穩(wěn)斜軌道",在鉆進(jìn)時采用微增鉆具組合。微增組合的剛度比穩(wěn)斜組合的剛度要小,有利于鉆柱起下,有利于防止卡鉆事故。"微降穩(wěn)斜軌道"和"微增穩(wěn)斜軌道",都屬于"微曲穩(wěn)斜軌道"。二、一般會給定的條件目標(biāo)點的垂深Ht、水平長度St〔井口可移動時相當(dāng)于沒給定、井斜角αt〔單靶時無要求及設(shè)計方位角θ0；造斜點井深Ha及造斜點處的井斜角αa；造斜半徑R1、R2和微曲段半徑Rw；一般情況下,造斜點以上設(shè)計成垂直井段,αa=0；如果使用斜井鉆機(jī),則αa≠0,可根據(jù)給定的Ha和αa計算出Sa。三、軌道形狀選擇凡無特殊要求的單靶定向井,均選擇三段式微曲穩(wěn)斜軌道；井口可以移動的多靶定向井,可選多靶三段式微曲穩(wěn)斜軌道；井口不可移動的多靶定向井,需按如下計算結(jié)果進(jìn)行判斷選擇：若,則選五段式微曲穩(wěn)斜軌道；若,則選雙增式微曲穩(wěn)斜軌道；若,則選多靶三段式微曲穩(wěn)斜軌道。四、多靶三段式微曲穩(wěn)斜軌道設(shè)計1、已知條件目標(biāo)點的垂深Ht、井斜角αt及設(shè)計方位角θ0；造斜點井深Ha及造斜點處的井斜角αa；造斜半徑R1和微曲段半徑Rw。2、建立約束方程3、求出關(guān)鍵參數(shù)αb4、各節(jié)點參數(shù)計算和分點參數(shù)計算同二維常規(guī)軌道設(shè)計。五、雙增式微曲穩(wěn)斜軌道設(shè)計1、已知條件Ht,St,αt及θ0；Ha,αa,R1,R2及Rw；Ldt2、建立約束方程組OOSO1O2αaHtR1HaStR2αbαtHabtdcf3、求關(guān)鍵參數(shù)αb和αc對于三段式微曲穩(wěn)斜軌道：R2=0；Ldt=0；對于五段式微曲穩(wěn)斜軌道：R2為負(fù)值〔因為第二段為降斜段。[例3-1]：某定向井設(shè)計條件：Ht=1418m,St=930m,Ha=190m,αa=0,K1=3°/30m,Kw=0.3°/30m,試設(shè)計該井軌道。1、分析：該井Ht和St是給定的,t沒給定,說明是一口單靶定向井,Kw=0.3°/30m說明該井為微曲穩(wěn)鞋軌道,因此,該井應(yīng)采用三段式微曲穩(wěn)斜軌道。三段式微曲穩(wěn)斜軌道的自由度為5,例題中已經(jīng)給定的約束條件也是5,其中,Ht=1418m和St=930m是軌道約束方程條件,Ha=190m、K1=3°/30m和Kw=0.3°/30m是附加約束條件,αa=0是軌道起點條件,不是約束。由于軌道約束數(shù)和自由度數(shù)相等,因此軌道形狀可以確定。2、求解：〔1求取軌道關(guān)鍵參數(shù)αb和αt〔2求各節(jié)點參數(shù)井段項目oaabbt井深<m>0~190556.331763.73井斜角<°>00~36.6348.71垂深<m>0~190531.871418水平長度<m>0113.17930微曲穩(wěn)斜軌道設(shè)計課后作業(yè)：3-3已知：Ht=3230m,St=1970m,αt=17.50,Ha=270m,αa=0,R1=810m,R2=1580m,Rw=5800m,靶前穩(wěn)斜段長482m,試設(shè)計該井軌道。要求：先根據(jù)軌道自由度和約束條件選擇軌道形式,然后根據(jù)有關(guān)公式進(jìn)行設(shè)計,設(shè)計結(jié)果按下表形式給出。井段項目第1段…第n段井深<m>

井斜角<°>

垂深<m>

水平長度<m>

§3-4待鉆軌道設(shè)計一、問題的提出在定向井軌道控制過程中,由于各種因素的影響,常常會使實鉆軌跡與設(shè)計軌道間出現(xiàn)偏差,若這種偏差較小,不影響中靶,可繼續(xù)鉆進(jìn),否則就需要進(jìn)行待鉆軌道設(shè)計。由于實鉆軌跡井底的井斜方位線與目標(biāo)點所在的設(shè)計方位線通常不會重合,因此待鉆軌道設(shè)計屬于三維軌道設(shè)計。二、一般會給定的條件當(dāng)前井底的所有參數(shù),包括垂深Ho、水平長度So、N坐標(biāo)No、E坐標(biāo)Eo、井斜角αo及方位角φo等；目標(biāo)點的垂深Ht、N坐標(biāo)Nt和E坐標(biāo)Et；各造斜段的半徑R1、R2等；根據(jù)中靶要求不同,目標(biāo)點的井斜角αt及方位角φt也可能是給定的；三、軌道形狀選擇凡無特殊要求的待鉆軌道設(shè)計,均選擇"圓弧段+直線段"軌道；要求以給定井斜中靶的待鉆軌道設(shè)計,可選擇"直線段+圓弧段+直線段"軌道；要求以給定方位中靶的待鉆軌道設(shè)計,可選擇"直線段+圓弧段+直線段"軌道；要求以給定的井斜及方位中靶的待鉆軌道設(shè)計,可選擇"圓弧段+直線段+圓弧段+直線段"軌道。四、無特殊要求的待鉆軌道設(shè)計1、已知條件Lo、Ho、So、No、Eo、αo及φo等Ht、Nt和Et；R1…等。2、建立約束方程3、求關(guān)鍵參數(shù)和Lw4、求節(jié)點b參數(shù)其中,M點坐標(biāo)為：5、分點參數(shù)計算其中,m、n點坐標(biāo)為：五、以給定井斜中靶的待鉆軌道設(shè)計1、已知條件Lo、Ho、So、No、Eo、αo及φo等Ht、Nt、Et和αt；R1、R2等。2、建立約束方程六、以給定方位中靶的待鉆軌道設(shè)計1、已知條件Lo、Ho、So、No、Eo、αo及φo等Ht、Nt、Et和φt；R1、R2…等。2、建立約束方程七、以給定井斜和方位中靶的待鉆軌道設(shè)計1、已知條件Lo、Ho、So、No、Eo、αo及φo等Ht、Nt、Et、αo和φt；R1、R2和Lw2等。2、建立約束方程第4章井眼軌跡預(yù)測方法§4-1井眼軌跡預(yù)測的外推法外推法是根據(jù)目前的井眼軌跡發(fā)展變化規(guī)律和趨勢預(yù)測未知井眼軌跡的方法。外推法主要適用于井內(nèi)鉆具組合沒有更換、鉆進(jìn)方式和條件沒有改變時井眼軌跡預(yù)測。主要方法有：自然參數(shù)曲線外推法圓柱螺線外推法斜面圓弧外推法恒裝置角曲線外推法一、自然參數(shù)曲線外推法自然參數(shù)曲線外推法認(rèn)為已鉆井眼的軌跡變化規(guī)律是井斜變化率和方位變化率均保持常數(shù),并且這種趨勢還將保持下去。自然參數(shù)曲線外推法主要適用于存在方位漂移井段的井眼軌跡預(yù)測。自然參數(shù)曲線外推法的關(guān)鍵是：如何獲取井斜變化率和方位變化率？井斜變化率和方位變化率確定后如何預(yù)測軌道？1、計算井斜變化率和方位變化率分別計算出最近1~3個測段內(nèi)井斜變化率和方位變化率,然后取其算術(shù)平均值作為預(yù)測用的井斜及方位變化率。2、根據(jù)井斜及方位變化率預(yù)測井眼軌跡b點為當(dāng)前井底；j點為預(yù)測點；Lj為預(yù)測點到當(dāng)前井底的距離。二、圓柱螺線外推法圓柱螺線外推法認(rèn)為已鉆井眼的軌跡是一條等變螺旋角的圓柱螺線,即在垂直剖面圖和水平投影圖上均為圓弧,并且這種趨勢還將保持下去。圓柱螺線外推法主要適用于轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)井段的井眼軌跡預(yù)測。圓柱螺線外推法的關(guān)鍵是：如何獲取圓柱螺線在垂直剖面圖和水平投影圖上的曲率？以及曲率確定后如何預(yù)測軌道？1、計算垂直剖面圖上井眼軌跡曲率KH和水平投影圖上井眼軌跡曲率KA分別計算出最近1~3個測段內(nèi)KH和KA,然后取其算術(shù)平均值作為預(yù)測用的KH和KA。2、根據(jù)KH和KA預(yù)測井眼軌跡b點為當(dāng)前井底；j點為預(yù)測點；Lj為預(yù)測點到當(dāng)前井底的距離。三、斜面圓弧外推法斜面圓弧外推法認(rèn)為已鉆井眼的軌跡是一斜平面上的圓弧線,并且將來的軌道仍然在該斜平面圓弧上。斜面圓弧外推法主要適用于保持造斜工具面不變時動力鉆具定向鉆進(jìn)井段的井眼軌跡預(yù)測。斜面圓弧外推法的關(guān)鍵是：如何獲取斜面圓弧的曲率及其法線矢量？在曲率和法線矢量確定后如何預(yù)測軌道？自然參數(shù)曲線、圓柱螺線和斜面圓弧都是三自由度曲線,當(dāng)給定曲線的兩個特征參數(shù)和曲線段長后,就可以計算出預(yù)測點各參數(shù)。自然參數(shù)曲線和圓柱螺線的兩個特征參數(shù)分別為K、K和KH、KA,且特征參數(shù)在曲線的任意點上均保持不變,所以可以用平均法求其特征參數(shù)。斜面圓弧的兩個特征參數(shù)是圓弧的曲率K和斜平面對應(yīng)的裝置角,與前面兩種曲線不同的是圓弧的特征參數(shù)在斜面圓弧的不同位置處是不一樣的,這就使得無法用平均法求其特征參數(shù)。雖然斜面圓弧的特征參數(shù)在斜面圓弧的不同位置處是不一樣的,但斜面圓弧的斜平面法線矢量卻是不變的,因此,我們以斜面圓弧的單位法線矢量和曲率作為其兩個特征參數(shù),通過計算最近1~3個測段內(nèi)曲率K和單位法線矢量,然后取其平均值作為預(yù)測用的K和。1、計算斜面圓弧的曲率K和單位法線矢量2、根據(jù)K和單位法線矢量預(yù)測井眼軌跡要預(yù)測井眼軌跡,需先知道預(yù)測點處的井眼方向單位矢量b點為當(dāng)前井底；j點為預(yù)測點；Lj為預(yù)測點到當(dāng)前井底的距離。當(dāng)預(yù)測點j處井眼方向單位矢量確定后,就可以計算出預(yù)測點出的井斜角j和方位角j。當(dāng)預(yù)測點j處井斜角j和方位角j確定后可以按下式計算其它參數(shù)。四、恒裝置角曲線外推法恒裝置角曲線外推法認(rèn)為已鉆井眼的軌跡是一條井眼曲率不變、裝置角恒定的曲線〔即恒裝置角曲線,并且將來的軌道仍然在該曲線上。恒裝置角曲線外推法主要適用于保持裝置角恒定時動力鉆具定向鉆進(jìn)井段的井眼軌跡預(yù)測。恒裝置角曲線外推法的關(guān)鍵是：如何獲取恒裝置角曲線的曲率及其裝置角的大??？在曲率和裝置角確定后如何預(yù)測軌道？1、計算恒裝置角曲線的曲率K和裝置角恒裝置角曲線的兩個特征參數(shù)是曲線的曲率K及其裝置角,且在曲線的任意點上,這兩個參數(shù)都保持恒定,因此可以通過計算最近1~3個測段內(nèi)曲率K和裝置角,然后取其平均值作為預(yù)測用的K和。2、根據(jù)K和預(yù)測井眼軌跡b點為當(dāng)前井底；j點為預(yù)測點；Lj為預(yù)測點到當(dāng)前井底的距離。五、四種曲線特性的比較自然參數(shù)曲線、圓柱螺線和恒裝置角曲線的井斜變化率都是恒定的,方位變化率分別為恒定、隨井斜角增大而增大、隨井斜角增大而減小。自然參數(shù)曲線：圓柱螺線：恒裝置角曲線：四種曲線中,只有斜面圓弧和恒裝置角曲線的曲率是恒定的,自然參數(shù)曲線和圓柱螺線的曲率都是隨井斜角增大而增大。自然參數(shù)曲線：圓柱螺線：恒裝置角曲線：斜面圓弧：§4-2工具造斜率的預(yù)測方法工具造斜率是指某種工具鉆出的井眼曲率大小工具造斜率的預(yù)測在上個世紀(jì)八、九十年代曾是井眼軌跡預(yù)測和控制的焦點之一,因為一旦工具造斜率分析準(zhǔn)了,井眼軌跡的預(yù)測和控制就變得易如反掌。但后來……目前,有代表性的預(yù)測方法有：測斜數(shù)據(jù)反算法三點定圓法〔ThreePointGeometry平衡曲率法〔BalanceCurvature一、測斜數(shù)據(jù)反算法就是根據(jù)實鉆軌跡數(shù)據(jù)反算出工具的造斜率。得到的造斜率只能用于具有相同底部鉆具組合且鉆進(jìn)方式和條件基本不變的井眼軌跡預(yù)測。利用測斜數(shù)據(jù)反算工具造斜率同斜面圓弧外推法求井眼曲率的方法是一樣的。測斜數(shù)據(jù)反算法只是反算工具造斜率,在不同的裝置角下,其預(yù)測的井眼軌跡就不一樣。這點與斜面圓弧或恒裝置角外推法是不同的。二、三點定圓法三點定圓法是美國H.Karisson等人提出的一種計算帶有雙穩(wěn)定器單彎殼體動力鉆具組合造斜率的方法。他們認(rèn)為,鉆頭和兩個穩(wěn)定器這三點肯定與下井壁相接處,由于不共線的三點可以確定一個圓弧,因此這三點確定的圓弧的曲率就是實鉆井眼的曲率。假設(shè)單彎殼體動力鉆具的彎角為2,第一個穩(wěn)定器到鉆頭的距離為L2,第二個穩(wěn)定器到第一個穩(wěn)定器的距離為L1,則有：由于1、2和2都是小角度,因此：三點定圓法的缺點：只能用于帶有雙穩(wěn)定器單彎殼體動力鉆具組合造斜率的計算；未考慮鉆柱受力及變形對工具造斜率的影響；未考慮井眼擴(kuò)大對工具造斜率的影響。三、平衡曲率法平衡曲率法是美國M.Birades和R.Fenoul首先提出的一種計算任意BHA造斜率的方法。平衡曲率法認(rèn)為,對于任意一套底部鉆具組合,在將其放入一定曲率的井眼中時鉆頭側(cè)向力要么為零,要么指向井眼軸線內(nèi)法線方向或外法線方向,只要鉆頭側(cè)向力不為零井眼曲率就要變化,最后都會趨向于使鉆頭側(cè)向力為零的一個井眼曲率而穩(wěn)定下來,平衡曲率法就是以鉆頭側(cè)向力為零時的井眼曲率作為工具的造斜率。平衡曲率法的關(guān)鍵是計算一定曲率井眼中的鉆頭側(cè)向力。鉆頭側(cè)向力的計算涉及到非常復(fù)雜的底部鉆具組合受力及變形分析,很難得到一個解析的表達(dá)式。可以采用非線性有限元法進(jìn)行求解,或簡化為縱橫彎曲梁進(jìn)行分析?！?-3給定造斜率的井眼軌跡預(yù)測方法在工具造斜率已知的條件下,定向鉆進(jìn)的方法不同,得到的井眼軌跡是不同的；保持造斜工具面不變得到的是一條斜面圓弧,保持裝置角不變得到的是恒裝置角曲線；因此,在工具造斜率已知的條件下,可以有斜面圓弧預(yù)測法和恒裝置角曲線預(yù)測法兩種方法進(jìn)行井眼軌跡的預(yù)測。一、斜面圓弧預(yù)測法b點為當(dāng)前井底；j點為預(yù)測點；Lj為預(yù)測點到當(dāng)前井底的距離預(yù)測點j的井斜角和方位角計算公式推導(dǎo)：右圖中,b點為當(dāng)前井底,j點為預(yù)測點,o點為預(yù)測圓弧段的圓心,R為圓弧段的半徑,j為預(yù)測段狗腿角,為裝置角；1方向為當(dāng)前井底的井眼方向,2方向為當(dāng)前井底的高邊方向,3方向與1、2方向均垂直。1、2、3方向的單位矢量分別為：j點方向的單位矢量可以表示為：j點方向的單位矢量還可以j點井斜角和方位角表示為：兩種方法計算的j點方向單位矢量在垂深方向分量應(yīng)相等,故有:由Lubinski狗腿角公式可知：二、恒裝置角曲線預(yù)測法b點為當(dāng)前井底；j點為預(yù)測點；Lj為預(yù)測點到當(dāng)前井底的距離。恒裝置角曲線井斜變化率和方位變化率的推導(dǎo)：前面我們推導(dǎo)了斜面圓弧法計算預(yù)測點井斜角j的公式：從j點按斜面圓弧再向前鉆進(jìn)dl,則鉆進(jìn)后的井斜角為：從j點按恒裝置角曲線再向前鉆進(jìn)dl,則鉆進(jìn)后的井斜角為：對斜面圓弧公式兩邊分別微分后有：對恒工具面角曲線公式兩邊分別微分后有：§4-4鉆頭與地層相互作用模型簡介井眼軌跡的形成是非常復(fù)雜的,它受到眾多因素的影響,主要的有：鉆頭力的大小和方向；鉆頭偏轉(zhuǎn)角及裝置角〔相對于井眼軸線；鉆頭切削的各向異性；地層的傾角、傾向及其不均質(zhì)性和各向異性。井眼軌跡預(yù)測的外推法避開了考慮以上因素,它通過相似原理來預(yù)測,因此它的適用范圍有限〔一是要有已鉆的軌跡數(shù)據(jù),另一個是要有相似條件；平衡曲率法是預(yù)測工具造斜率較好的方法之一,但它沒有考慮地層的影響,而且只能計算鉆頭側(cè)向力為零時的曲率〔即平衡曲率,而預(yù)測井眼軌跡需要知道工具在任意時候的曲率,鉆頭與地層相互作用模型就是基于這種需要提出來的。鉆頭與地層相互作用模型主要組成底部鉆具組合受力及變形分析模型地層力計算模型鉆頭側(cè)向切削地層模型鉆頭軸向切削地層模型〔鉆速方程軌道參數(shù)計算模型鉆頭與地層相互作用模型預(yù)測井眼軌跡看起來很完美,但實際效果并沒有想象的好,主要原因：模型中有些參數(shù)無法準(zhǔn)確得到,如地層各向異性系數(shù)、地層傾角和傾向、井眼直徑等模型中有些參數(shù)在鉆進(jìn)過程中是變化的,如鉆頭的性能等模型沒有考慮地層非均質(zhì)性的影響某些分模型本身計算就有誤差,如底部鉆具組合受力及變形分析模型等..第5章管柱的摩阻扭矩計算摩阻扭矩計算概述摩阻扭矩計算的軟模型摩阻扭矩計算的一般步驟一、摩阻扭矩計算概述隨著水平井、大位移井等大斜度定向井的出現(xiàn),摩阻扭矩問題逐漸被人們認(rèn)識和重視；大斜度井的突出特點是水平位移較大,且大部分井段井斜超過60°,這使得在鉆進(jìn)、起下鉆和下套管等作業(yè)過程中摩阻扭矩問題非常突出；摩阻扭矩過大,輕則會增加施工難度,延長作業(yè)時間,重則使鉆井作業(yè)無法進(jìn)行,導(dǎo)致井眼提前完鉆或報廢。1.摩阻扭矩的主要危害鉆柱起鉆負(fù)荷很大,下鉆阻力很大；滑動鉆進(jìn)時加不上鉆壓,鉆速很低；旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時扭矩很大,導(dǎo)致鉆柱強度破壞；鉆柱與套管摩擦,套管磨損嚴(yán)重,甚至被磨穿；套管下入困難,甚至下不到底。2.摩阻扭矩計算的主要模型現(xiàn)有的摩阻扭矩計算模型主要有三種,軟模型、硬模型和有限元模型；不管哪種計算模型其核心都是通過合理地假設(shè)以便求出管柱與井壁的接觸正壓力,從而求出摩阻扭矩；軟模型和硬模型都假設(shè)管柱與井眼軸線形狀一致,且與井壁連續(xù)接觸,雖然硬模型考慮了管柱的剛性對摩阻扭矩的影響,但其計算精度有時還不如軟模型,因為管柱剛性與"管柱與井眼軸線形狀一致"是不符合實際情況的；有限元模型假設(shè)與實際很接近,精度高,但計算困難。二、摩阻扭矩計算的軟模型1.軟模型的基本假設(shè)管柱類似于軟繩,其剛性很小,可以忽略；管柱與井眼軸線形狀完全一致,且與井壁連續(xù)接觸；井壁為近似剛性的；忽略管柱和井眼局部形狀如鉆桿接頭、扶正器、井徑擴(kuò)大等對摩阻扭矩的影響；忽略鉆柱動態(tài)因素的影響。2.軟模型的計算思路管柱的摩阻扭矩和大鉤載荷。根據(jù)井眼軌跡測斜數(shù)據(jù)或分點計算數(shù)據(jù)將管柱分為相應(yīng)的計算單元<微元>；對于每個微元來說,它的單位長度的浮重是已知的,只要知道微元的下端軸向力就可以計算出該微元的接觸正壓力、摩阻摩扭和上端軸向力；最下面一個微元的下端軸向力就是鉆壓或為零,這樣自下而上逐個微元進(jìn)行計算就可以計算出整個管柱的摩阻扭矩和大鉤載荷。3.管柱微元受力分析右圖所示,1平面為管柱微元所在的斜平面,2平面為過微元中點切線方向的鉛垂面以微元中點為原點,分別以中點的切線、主法線和副法線方向為三個坐標(biāo)軸的方向建立微元隨動坐標(biāo)系<et,en,eb>；將重力向隨動坐標(biāo)系三個坐標(biāo)軸方向上分解,則有：根據(jù)管柱微元的合力在三個坐標(biāo)方向上均為零列平衡方程,則有：4.管柱微元正壓力計算解上述方程組并化簡,則有：三、摩阻扭矩計算的一般步驟收集數(shù)據(jù),包括：井眼軌跡測斜數(shù)據(jù)〔對于設(shè)計軌道來說是其分點計算數(shù)據(jù)、管柱組合數(shù)據(jù)〔包括各段長度、外徑、內(nèi)徑、接頭外徑、扶正器外徑、每米重量等、泥漿密度、鉆壓、轉(zhuǎn)速、套管下深、摩阻系數(shù)、井眼直徑等；將管柱組合劃分為若干個微元或單元,對于軟模型或硬模型,可以將一個測段劃成一個微元,若一個測段內(nèi)管柱參數(shù)不一樣,則需要將不同的管柱分成不同的微元；對于有限元模型,需要劃分成若干個單元,單元長度不能相差太大。..第6章定向井〔水平井專用井下工具§6-1無磁鉆鋌1、無磁鉆鋌的材料及性能無磁鉆鋌的材料多為蒙乃爾合金<monels>；彈性模量為26*106磅/英寸。無磁鉆鋌使用無磁材料制成,目前現(xiàn)場使用無磁鉆鋌的材料多為蒙乃爾合金<monels>,它的彈性模量為26*106磅/英寸,普通鋼鉆鋌彈性模量為29*106磅/英寸,鋁為11*106磅/英寸。2、無磁鉆鋌的作用為磁性測量儀器提供無磁環(huán)境。當(dāng)使用磁性單多點測斜儀測量井眼數(shù)據(jù)時,磁羅盤必須與地球磁場相符合,羅盤所在的鉆柱處不能有使羅盤讀數(shù)失真的局部磁場。普通鋼鉆鋌是可以磁化的,尤其在接頭處還會形成"磁極"。為了防止羅盤失真,必須將羅盤放置在無磁環(huán)境中,所以儀器保護(hù)筒和測量時儀器所在的鉆鋌必須都使用不能磁化的無磁材料制成。一般使用銅、鎳、鉻和其他金屬合金制成。3、無磁鉆鋌的安放位置及長度的確定降斜鉆具組合：無磁鉆鋌直接與鉆頭連接；增斜鉆具組合：無磁鉆鋌安放在近鉆頭穩(wěn)定器上方；井底動力鉆具組合：無磁鉆鋌應(yīng)安放在動力鉆具或彎接頭之上。圖5-2無磁鉆鋌長度選擇圖無磁鉆鋌長度的確定及測量時羅盤所處的位置與井斜角、井斜方位角及井位所處的地理位置有關(guān)系的。在曲線A以下,無磁鉆鋌選用9米〔一單根在曲線B以上,無磁鉆鋌選用18米〔兩單根在曲線A與B之間,鉆具組合使用一個近鉆頭穩(wěn)定器時,無磁鉆鋌選用9米,無磁鉆鋌以下是多個穩(wěn)定器或動力鉆具時,無磁鉆鋌選用18米?！?-2螺桿鉆具螺桿鉆具是容積式井下動力機(jī)械,其作用是把鉆井液的水力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能供給鉆頭。螺桿鉆具是目前最廣泛使用的一種井下動力鉆具,主要用于定向井、水平井的造斜及扭方位施工,一部分也用于直井反扣或側(cè)鉆作業(yè)中。美國50年代中期開始研制螺桿鉆具,1962年用于生產(chǎn),不同廠家生產(chǎn)的有迪納鉆具〔Smith公司、納維鉆具〔Christense公司和波斯鉆具,其基本原理都是基于容積式馬達(dá),只是內(nèi)部結(jié)構(gòu)和技術(shù)參數(shù)略有不同。至80年代中期,美國的迪納鉆具已發(fā)展成兩個系列10種規(guī)格,納維鉆具有兩個系列14種規(guī)格。隨著配套部件質(zhì)量的提高,螺桿鉆具工作壽命從原來的30～40h,提高到100h以上,1980年在美國俄克拉荷馬州創(chuàng)造了連續(xù)運轉(zhuǎn)429h的新記錄。我國的螺桿鉆具生產(chǎn)在80年代中后期才形成一定規(guī)模,目前,常規(guī)螺桿鉆具已規(guī)格化系列化,各主要廠家如大港、北京、XX、濰坊的產(chǎn)品已覆蓋國內(nèi)絕大部分市場。某些廠家也已著手研制小徑螺桿、鉸接螺桿、中空螺桿等一些專用產(chǎn)品,并取得一定的成果,但在工作壽命、易損件耐磨性、特種螺桿鉆具制造方面與國外有一定的差距。一、基本結(jié)構(gòu)與原理螺桿鉆具由四個部件組成,從上至下依次是：〔1旁通閥總成；〔2馬達(dá)總成；〔3萬向軸總成；〔4傳動軸總成。螺桿鉆具的工作原理：通過鉆井液擠壓轉(zhuǎn)子與定子之間的密封腔,推動轉(zhuǎn)子自轉(zhuǎn)；經(jīng)萬向軸的轉(zhuǎn)換,把行星轉(zhuǎn)動變?yōu)檩S心轉(zhuǎn)動,帶動鉆頭旋轉(zhuǎn),即把鉆井液的液力能通過螺桿轉(zhuǎn)換成機(jī)械能。1、旁通閥旁通閥是螺桿鉆具的輔助部件,它的作用是在停泵時使鉆柱內(nèi)空間與環(huán)空溝通,以避免起下鉆和接換單根時鉆柱內(nèi)鉆井液溢出污染鉆臺,影響正常工作。旁通閥由閥體、閥芯、彈簧、篩板等組成,如圖1所示。在開泵時,鉆井液壓力迫使閥芯向下運動,造成彈簧壓縮并關(guān)閉閥體上的通道〔一般有5個沿圓周均勻分布的通道孔,內(nèi)裝篩板過濾異物,此時螺桿鉆具可循環(huán)鉆井液或正常鉆進(jìn)。當(dāng)停泵時,鉆井液壓力消失,被壓縮的彈簧上舉閥芯,旁通閥開啟,使鉆柱內(nèi)空間與環(huán)空溝通。顯然,旁通閥不是螺桿鉆具工作時的必須部件。在水平鉆井中,為了防止停泵時環(huán)空鉆井液內(nèi)的巖屑從旁通閥的篩板進(jìn)入馬達(dá),往往不裝旁通閥,或把旁通閥的彈簧取出來使旁通閥呈常閉狀態(tài),而在直井段的鉆柱上安裝1個鉆柱旁通閥,來代替鉆具旁通閥的作用。2、馬達(dá)總成馬達(dá)是螺桿鉆具的動力部件,馬達(dá)總成實際上是由轉(zhuǎn)子和定子兩個基本部分組成的單螺桿容積式動力機(jī)械。轉(zhuǎn)子是一根表面鍍有耐磨材料的鋼制螺桿,其上端是自由端,下端與萬向軸相連。定子包括鋼制外筒和硫化在外筒內(nèi)壁的橡膠襯套,橡膠襯套內(nèi)孔為一個螺旋曲面的型腔。圖2示出了馬達(dá)轉(zhuǎn)子和定子在某一橫截面上的線型關(guān)系。根據(jù)馬達(dá)線型理論研究結(jié)論可知：轉(zhuǎn)子線型和定子線型應(yīng)是一對擺線類共軛曲線副,常用的馬達(dá)轉(zhuǎn)子若為N頭擺線線型,則定子必為N＋l頭擺線線型；轉(zhuǎn)子和定子曲面的螺距相同,導(dǎo)程之比為N/〔N＋l。在工程上,N一般為從1至9的正整數(shù)。由干萬向軸約束了轉(zhuǎn)子的軸向運動,所以高壓鉆井液在流過馬達(dá)副時,不平衡的水壓力驅(qū)動轉(zhuǎn)子作平面行星運動,轉(zhuǎn)子的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和力矩經(jīng)萬向軸傳給傳動軸和鉆頭。轉(zhuǎn)子軸線和定子軸線間有一距離,稱為偏心距,一般以e表示。定子橡膠襯里有一定的耐溫性能和抗油性能?，F(xiàn)在,絕大多數(shù)的馬達(dá)襯里都采用丁腈橡膠,這在一般的水基鉆井液和水包油鉆井液中使用良好。但水平井常用油基鉆井液,會造成橡膠膨脹,影響螺桿鉆具的工作性能和壽命。這在設(shè)計水平井用螺桿鉆具時是一個要認(rèn)真研究的問題,選擇合適的油基品類和牌號可減輕膨脹。另外,對于深井和地溫梯度高的水平井,設(shè)計螺桿鉆具時要考慮橡膠的耐溫性能,必要時要選用特殊的抗高溫橡膠。3、萬向軸總成萬向軸總成由兩個元件組成：殼體和萬向軸。殼體通過上、下錐螺紋分別和馬達(dá)定子殼體下端及傳動軸殼體上端相連接。直螺桿鉆具的萬向軸殼體無結(jié)構(gòu)彎角,而彎殼體螺桿鉆具的萬向軸殼體則是一個帶有結(jié)構(gòu)彎角的彎殼體。萬向軸有幾種不同的結(jié)構(gòu)形式,例如應(yīng)用最普遍的瓣型連接軸〔如圖3所示和撓性連接軸〔有一定柔度,上下兩端為連接螺紋的光軸,以及其它形式的萬向軸。萬向軸的上端和馬達(dá)轉(zhuǎn)子下端相連,而下端則和傳動軸上端的導(dǎo)水帽相連。萬向軸的作用是把馬達(dá)轉(zhuǎn)子的平面行墾運動轉(zhuǎn)化為傳動軸的定軸轉(zhuǎn)動,同時把馬達(dá)的工作轉(zhuǎn)矩傳遞給傳動軸和鉆頭。螺桿鉆具在工作或循環(huán)鉆井液時,從馬達(dá)內(nèi)流出的鉆井液穿過萬向軸殼體內(nèi)壁與萬向軸間的空間,通過傳動軸上端導(dǎo)水帽的通道進(jìn)入傳動軸的內(nèi)部通道,然后從鉆頭水眼流出。4、傳動軸總成傳動軸總成的結(jié)構(gòu)如圖4所示。它由殼體、傳動軸、上部推力軸承、下部推力軸承、徑向扶正軸承組及其它輔助零件總裝組成。上、下推力軸承分別用來承受鉆具在各種工況下產(chǎn)生的軸向力。徑向扶正軸承組則用于對傳動軸進(jìn)行扶正,保證其正常工作位置。早期的螺桿鉆具傳動軸不采用滾動徑向軸承組,而是用一個套筒形的滑動軸承,它是在鋼制圓筒內(nèi)壁壓鑄耐磨橡膠構(gòu)成的,在橡膠內(nèi)壁刻育沿圓周均布的軸向溝槽、用于對分流潤滑和冷卻軸承的鉆井液進(jìn)行限流,因此通常稱限流器。如上所述,流經(jīng)萬向軸殼體的鉆井液從導(dǎo)水帽進(jìn)入傳動軸的中間流道,同時也有一小部分鉆井液〔約7%以內(nèi)流經(jīng)軸承組進(jìn)行潤滑和冷卻,然后從傳動軸殼體下部排向環(huán)空。傳動軸總成的推力軸承是螺桿鉆具最易損壞的部位,因為螺桿鉆具在惡劣的井底環(huán)境中工作時,軸承組負(fù)荷重,且為幅度很大的交變載荷,很易造成滾珠、滾道磨損,甚至碎裂。理論分析和現(xiàn)場使用經(jīng)驗表明,這種情況常發(fā)生在上部推力軸承。因此,對軸承組結(jié)構(gòu)與材質(zhì)的改進(jìn)一直是螺桿鉆具設(shè)計研究的重點,例如把軸承材質(zhì)改為優(yōu)質(zhì)的TC硬質(zhì)合金,把滑動扶正軸承換為滾動徑向扶正軸承等。常規(guī)螺桿鉆具的傳動軸外殼上不帶穩(wěn)定器。用于水平井的螺桿鉆具,一般在傳動軸殼體上帶有穩(wěn)定器。對干中曲率造斜用的螺桿鉆具,為了保證有足夠的造斜率,往往要求壓縮萬向軸殼體彎點至鉆頭的距離,這就需要設(shè)計軸向尺寸較小的傳動軸總成。二、螺桿鉆具的工作特性1、理論工作特性單螺桿馬達(dá)是典型的容積式機(jī)械,下面簡要分析一下螺桿鉆具的理論工作特性。在不計損失時,根據(jù)容積式機(jī)械工作過程中的能量守恒,在單位時間內(nèi)鉆頭輸出的機(jī)械能〔應(yīng)等干單螺桿馬達(dá)輸入的水力能〔。則有：〔1根據(jù)容積式機(jī)械的轉(zhuǎn)速關(guān)系。有〔2由以上兩式及,可得〔3〔4式中：—馬達(dá)理論扭矩；—鉆頭理論角速度；—鉆頭理論轉(zhuǎn)速,即馬達(dá)輸出的自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速；—馬達(dá)進(jìn)出口的壓力降；—馬達(dá)每轉(zhuǎn)排量,是一個結(jié)構(gòu)參數(shù),僅與線型和幾何尺寸有關(guān)；—流經(jīng)馬達(dá)的流量,即"排量"；—理論功率。分析〔2、〔3式可得如下重要結(jié)論：螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速只與排量Q和結(jié)構(gòu)有關(guān),而與工況〔鉆壓、扭矩等無關(guān)；工作扭矩與壓降和結(jié)構(gòu)有關(guān),而與轉(zhuǎn)速無關(guān)；轉(zhuǎn)速和力矩是各自獨立的兩個參數(shù)；螺桿鉆具具有硬轉(zhuǎn)速特性〔不因負(fù)載M增大而降低轉(zhuǎn)速和良好的過載能力〔增大可導(dǎo)致工作轉(zhuǎn)矩M變大；泵壓表可作為井底工況的監(jiān)視器,由變化來判斷和顯示井下工況〔MT和鉆壓比；轉(zhuǎn)速n隨排量Q的變化而線性變化,因此可通過調(diào)節(jié)排量Q很容易地進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)；工作扭矩MT與轉(zhuǎn)速n、均與結(jié)構(gòu)〔q有關(guān),增大馬達(dá)的每轉(zhuǎn)排量,可獲得適合于鉆井作業(yè)時的低速大扭矩特性。圖5給出了螺桿鉆具〔單螺桿馬達(dá)的理論工作待性曲線。2、實際工作特性事實上,螺桿馬達(dá)存在轉(zhuǎn)子與定子間的摩擦阻力和密封腔間的漏失,其它部分〔如傳動軸的軸承節(jié)也存在機(jī)械損失和水力損失。因此,螺桿鉆具存在機(jī)械效率和水力效率,其總效率為：〔5其實際轉(zhuǎn)矩M、鉆頭實際轉(zhuǎn)速n和實際輸出功率N0為：〔6〔7〔8式中：C——馬達(dá)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)〔9、——其意義將在下文提及。圖6是某螺桿鉆具由試驗臺架做出的實際工作特性曲線。圖中稱為馬達(dá)起動壓降,一般為0.5～1MPa左右,視轉(zhuǎn)子和定子間的配合松緊程度而定；稱為負(fù)荷壓降,又稱為工作壓降；稱為總壓降。三者之間的關(guān)系為：〔10或〔11當(dāng)把螺桿鉆具提離井底循環(huán)鉆井液時,與加上鉆壓鉆進(jìn)時地面泵壓表的差值就是。圖6中的曲線稱為負(fù)荷效率曲線。負(fù)荷效率是不計馬達(dá)起動階段的壓降和有關(guān)損失,只計工作階段輸出機(jī)械能與有用水力能〔間比值關(guān)系的一種計算效率,為：〔12對比圖5和圖6,可發(fā)現(xiàn)螺桿鉆具實際特性與理論特性間的差異：由干水力效率的影響,導(dǎo)致實際轉(zhuǎn)速n隨的增大而降低,是由于馬達(dá)定子橡膠襯套在作用下的變形和漏失所引起的；轉(zhuǎn)矩M仍與成線性關(guān)系,M隨的增大而線性增加,表明螺桿鉆具實際上仍有良好的過載能力；當(dāng)鉆壓變大時,導(dǎo)致鉆頭阻力矩增加,此時馬達(dá)壓降增大導(dǎo)致馬達(dá)轉(zhuǎn)矩M增大以克服阻力矩,但同時引起相應(yīng)的轉(zhuǎn)速降低。當(dāng)逐漸增大到臨界值時n=0,即鉆頭轉(zhuǎn)速為零出現(xiàn)制動,此時轉(zhuǎn)矩M達(dá)到Mmax,稱為制動力矩。當(dāng)鉆具出現(xiàn)制動時,進(jìn)入馬達(dá)的鉆井液排量Q全部由轉(zhuǎn)子和變形了的定子橡膠襯里間的縫隙漏失,,轉(zhuǎn)子停轉(zhuǎn),總效率。制動工況使鉆具的轉(zhuǎn)子、萬向軸和傳動軸承受最大扭矩Mmax,密封線承受最大壓差,對工具危害甚大,因此應(yīng)予避免。在操作時應(yīng)緩慢施加鉆壓,如果一旦發(fā)生制動工況〔此時鉆臺上泵壓表數(shù)值突增,應(yīng)立即將鉆具提離井底循環(huán)鉆井液,待泵壓表的壓力值下降后再下放鉆具緩慢施加鉆壓。由上述分析可知,螺桿鉆具的實際轉(zhuǎn)速特性與有關(guān),而變得比理論工作特性要"軟"。但是,轉(zhuǎn)速曲線的前面部分相對平緩,下降速率相對較小,所對應(yīng)的負(fù)荷效率值較大。定義負(fù)荷效率最大的工況為螺桿鉆具的工作點,工作點對應(yīng)的工作參數(shù)應(yīng)是螺桿鉆具工作的最優(yōu)參數(shù),如產(chǎn)品說明書上推薦的額定排量、額定鉆壓、額定扭矩、額定轉(zhuǎn)速和額定功率。按照規(guī)定,用戶在現(xiàn)場應(yīng)用中應(yīng)盡量使螺桿鉆具工作在其工作點附近。在這一范圍內(nèi),螺桿鉆具仍具有很強的轉(zhuǎn)速硬特性,這一點是渦輪鉆具與之無法相比的。三、螺桿鉆具的分類通常根據(jù)螺桿馬達(dá)的結(jié)構(gòu)特征及其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分類。最常用的方法是根據(jù)螺桿鉆具外徑及萬向軸殼體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類。1、按螺桿馬達(dá)的結(jié)構(gòu)特征分類〔1按螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子端面線型的"頭數(shù)"N〔Lobe,又稱波瓣數(shù),可把螺桿鉆具分為單頭鉆具和多頭鉆具。一般取N=1~9。N=1為單頭馬達(dá)〔鉆具,N2為多頭馬達(dá)。單頭馬達(dá)具有高轉(zhuǎn)速、小扭矩特性。多頭馬達(dá)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩特性?！?按馬達(dá)轉(zhuǎn)子與定子頭數(shù)的關(guān)系進(jìn)行分類。原理上講,只要二者頭數(shù)相差為1,均可構(gòu)成螺桿馬達(dá),因此可分為N/〔N+1型N/〔N－1型兩種馬達(dá)。目前在油氣井作業(yè)中普遍采用N/〔N+1型螺桿鉆具?！?按馬達(dá)"級數(shù)"進(jìn)行分類。粗略地講,螺桿馬達(dá)的定子－轉(zhuǎn)子運動副的長度與定子導(dǎo)程長度的比值,即定子－轉(zhuǎn)子運動副所包含的定子導(dǎo)程的整倍數(shù),工程上稱為螺桿馬達(dá)的級數(shù)〔Stage。級數(shù)選擇是馬達(dá)設(shè)計要考慮的重要內(nèi)容。級數(shù)S1才能構(gòu)成可應(yīng)用的馬達(dá)。實際用于鉆井作業(yè)的螺桿鉆具馬達(dá),單頭的多在3級以上,多頭的多在2級以上。級數(shù)越多,馬達(dá)可輸出的工作力矩值越大。2、按螺桿鉆具〔馬達(dá)的公稱外徑分類該分類方法主要是便于鉆井工作者根據(jù)所鉆井眼尺寸來選擇相應(yīng)直徑的螺桿鉆具〔馬達(dá),或螺桿鉆具的設(shè)計制造部門根據(jù)井眼尺寸系列來開發(fā)生產(chǎn)螺桿鉆具的系列與規(guī)格。常見的用于中、大井眼尺寸的螺桿鉆具有Φ165mm,Φ172mm〔用于Φ216mm井眼；Φ197mm,Φ203mm〔用于Φ244mm～Φ311mm井眼；Φ244mm〔95/8in〔用于Φ311mm以上井眼。常見的用于小井眼尺寸〔Φ152mm以下的螺桿鉆具有Φ120mm〔43/4in,以及Φ100mm〔448in、Φ95mm〔33/4in、Φ89mm〔31/2in、Φ54mm〔21/8in等。這些小尺寸螺桿鉆具多用于油氣井的套管開窗側(cè)鉆和修井作業(yè),以及地質(zhì)勘探和其他地下工程的鉆小孔作業(yè)。3、按螺桿鉆具萬向軸殼體結(jié)構(gòu)特征分類根據(jù)螺桿鉆具的萬向軸殼體是否帶有結(jié)構(gòu)彎角,可講螺桿鉆具劃分為常規(guī)的直螺桿鉆具〔無結(jié)構(gòu)彎角和彎殼體螺桿鉆具〔帶結(jié)構(gòu)彎角。直螺桿鉆具上方加配彎接頭主要用于鉆常規(guī)定向井。彎殼體螺桿鉆具主要用于鉆水平井、大位移井、多分支井等,而且隨著鉆井技術(shù)發(fā)展及螺桿鉆具彎殼體品種規(guī)格的增加,彎殼體螺桿鉆具的應(yīng)用更加普遍。四、彎殼體動力鉆具水平井動力鉆具包括直馬達(dá)加螺旋穩(wěn)定器動力鉆具和各種型號的單彎、同向雙彎、異向雙彎導(dǎo)向動力鉆具,不同的動力鉆具在水平井鉆井過程中,各自起著不同的作用。導(dǎo)向動力鉆具是近年發(fā)展起來的一種新型的鉆井工具,單彎、同向雙彎動力鉆具有造斜率高、造斜的效果好的特點,是水平井鉆井必備工具之一；異向雙彎導(dǎo)向動力鉆具,常用于水平井段鉆進(jìn),有微增、降斜的功能,穩(wěn)斜、穩(wěn)平效果好,可配合旋轉(zhuǎn)方式鉆進(jìn),控制軌跡方便。導(dǎo)向動力鉆具的技術(shù)關(guān)鍵是各彎點的選擇及彎角加工精度的控制。1、單彎螺桿鉆具單彎螺桿鉆具的設(shè)計是根據(jù)彎接頭配接普通直馬達(dá)鉆具組合用于造斜的基本原理,按照動力鉆具在水平井中的工作要求,在現(xiàn)有直螺桿鉆具結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改制而成的。它可以獲得較高的造斜率,為達(dá)到更好的穩(wěn)定效果使用中通常配以上下兩個穩(wěn)定器,設(shè)計主要需要解決三項關(guān)鍵技術(shù)：〔1彎殼體及彎點的確定螺桿鉆具馬達(dá)部分在普通直殼體中具有良好的工作條件,但為了水平井高造斜率施工的需要,增斜鉆具的彎點必須下移,這就要求將馬達(dá)的直殼體改為彎殼體。殼體彎點的選定應(yīng)不影響其它全部件的工作、不影響矩扭功率的輸出,從螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)分析可以看出,鉆具的最低彎曲部位只能選擇在萬向軸殼體上。螺桿鉆具的萬向軸依靠兩只反向裝配的萬向節(jié)構(gòu)成柔性聯(lián)接,將轉(zhuǎn)子的行星運動轉(zhuǎn)化成傳動軸的定軸轉(zhuǎn)動,使馬達(dá)產(chǎn)生的扭矩傳至鉆頭。由于萬向軸的運動形式是以下萬向節(jié)為錐尖的倒園錐運動,為避免在外殼上選取彎點位置時可能引起的萬向軸與殼體相互干涉,本項設(shè)計中彎殼體彎點選在下萬向節(jié)相應(yīng)的部位、即運動錐尖處。實際使用證明這種選擇是正確的,并取得了良好的效果。彎殼體角度的設(shè)計是根據(jù)鉆具造斜能力的計算和實際使用要求確定的。其系列范圍選在0.75～2°之內(nèi),級差為0.25°,精度公差＜0.1°?！?近鉆頭穩(wěn)定器位置的確定對動力鉆具近鉆頭穩(wěn)定器的設(shè)計考慮,前面已作過論述。近鉆頭穩(wěn)定器的位置,直接影響到單彎動力鉆具組合的造斜能力,本設(shè)計是根據(jù)"七·五"期間有關(guān)定向井技術(shù)研究的成果,并參考國外部分樣機(jī)資料確定的,即穩(wěn)定器中心位置距動力鉆具的鉆頭接頭端面的0.85米。按上述原則確定的位置,穩(wěn)定器應(yīng)裝于動力鉆具傳動軸殼體部位。從安裝工藝考慮,先后設(shè)計過套裝式和整體式兩種形式的結(jié)構(gòu)。套裝式穩(wěn)定器采用焊接方式組裝,便于扶正條與鉆具背彎方向的對正；整體式是將傳動軸與穩(wěn)定器加工成一體,結(jié)構(gòu)強度可靠,加寬扶正翼與鉆具背彎方向的對位在工廠完成,互換性較差?！?采用中空分流馬達(dá)原有動力鉆具許用排量范圍較小,使提高環(huán)空返速和攜屑能力受到限制,為適應(yīng)大斜度及水平井段鉆進(jìn)施工中需要較大排量的要求,將鉆具的轉(zhuǎn)子設(shè)計成中空形式、增加了分流孔道,并在上部裝有限流噴嘴。限流噴嘴采用普通鉆頭所用的噴嘴,來源廣泛,其孔徑可根據(jù)需要的分流量進(jìn)行選擇。2、同向雙彎動力鉆具同向雙彎動力鉆具的基本結(jié)構(gòu)與單彎動力鉆具相同,所不同之處是在單彎鉆具的旁通閥和馬達(dá)定子之間增加了一個彎向與萬向節(jié)彎外殼方向一致的彎接頭。在這樣兩個同向彎度的作用下,鉆具的造斜能力將有增加,并且在無穩(wěn)定器工作條件下,上下兩個彎點與井壁接觸可以保持鉆具有較穩(wěn)定的造斜率。為便于制造和使用管理,同向雙彎動力鉆具的上彎角統(tǒng)一確定為１°,下彎角按需要作成1.25～2°,系列差值為0.25°；上下兩個彎度在工廠裝配時對正、使之彎向相同,彎向偏差＜±2.5°。3、異向雙彎導(dǎo)向動力鉆具〔ＤＴＵ異向雙彎動力鉆具是在單彎的基礎(chǔ)上改制的,主要用于水平段的穩(wěn)平鉆進(jìn)。其萬向節(jié)外殼上設(shè)有兩個彎點,位置分別與萬向節(jié)的兩個節(jié)點對應(yīng),兩個彎點所形成的鉆具彎曲方向各互相異。這種組合,與單彎鉆具相比鉆頭偏移量減少,動力鉆具各部分所受應(yīng)力降低,可使鉆出的井眼更趨平滑,在需要時能以轉(zhuǎn)盤方式鉆進(jìn),使軌跡控制達(dá)到要求。設(shè)計確定上下兩個彎度的比值為1∶2,差值分別為0.32°、0.48°、0.64°,這一差值即ＤＴＵ動力鉆具之公稱角度。五、彎殼體動力鉆具造斜率的幾何分析及公式推導(dǎo)對井底鉆具組合的造斜能力及井眼軌跡預(yù)測方面,國內(nèi)外已有很多研究成果,然而在理論上精確的分析計算十分復(fù)雜,并且由于地層因素、井眼條件等參數(shù)在現(xiàn)場施工中難以確定,預(yù)測的造斜率與實際總有相當(dāng)?shù)恼`差。因此,以簡單的解析方法預(yù)測計算工具的造斜能力,仍有一定的實用意義。在一般資料中通常介紹有"三點定圓"的計算方法,即以鉆頭、上穩(wěn)定器、下穩(wěn)定器三點之間的幾何關(guān)系來確定工具的造斜能力,因水平井鉆井中所使用的工具種類較多,不同工具的結(jié)構(gòu)參數(shù)各不相同、且對造斜率都有很大影響,而上述計算的約束條件與實際相差很多,因此不能滿足對工具造斜能力預(yù)測的要求。為此,結(jié)合現(xiàn)場實際情況對這一計算方法進(jìn)行了修正,以同向雙彎動力鉆具為基本模型、以綜合彎角代替原公式的角度,推導(dǎo)出下面一種水平井動力鉆具造斜率的計算公式：造斜率： 單位：度／100米曲率半徑： 單位：米式中：Ｃ－修正系數(shù),與地層條件、鉆井參數(shù)、井眼狀況有關(guān),其值可按使用者的經(jīng)驗取0.75-1.0。δ—綜合彎角,度。其中：L1、L2、L3、L4——鉆具結(jié)構(gòu)尺寸,米Ｄfs、Ｄfx—分別為鉆具上、下穩(wěn)定器直徑,米δe、δc—同向雙彎動力鉆具鉆具上、下彎角,度此式同樣可以用于單彎或異向雙變動力鉆具組合的計算,由公式不難看出：〔1取δe＝0,L4＝0時,鉆具即為單彎組合；〔2取δe為負(fù)值,鉆具即為異向雙彎組合。需要說明的是,在運用上述公式進(jìn)行計算、設(shè)計時,應(yīng)注意對L1值的選取。L1即近鉆頭穩(wěn)定器與鉆頭間的距離,是影響鉆具組合造斜能力的重要參數(shù)之一,不限定L1的長度則難以保證計算準(zhǔn)確合理,L1值的選定一般在1-1.5m較為合適。從已鉆水平井的實踐說明,以此計算鉆具組合的造斜率與實際結(jié)果基本相符〔見表4—6,可以滿足水平井設(shè)計和指導(dǎo)實際施工的需要,有一定實用價值。彎殼體動力鉆具造斜率計算與實鉆結(jié)果的對比類別井號井段〔米構(gòu)造要素<m>預(yù)算BUR'實際BURBUR/BUR'L1L2L3L4Dfs度/30米度/30米1o單彎S2-1-P11.155.360.814.550.3087.836.380.816C20-P151.155.360.814.550.3087.837.180.917C20-P11.155.360.814.550.3087.837.570.967C20-P11.156.571.415.160.3086.115.830.9531.25o單彎S2-1-P11.15.41.154.250.2139.087.180.791C20-P11.15.41.154.250.2139.087.60.837C20-P11.145.790.844.930.3089.218.170.886C20-P21.145.680.864.820.2989.777.940.813C20-P21.155.680.864.820.2989.778.150.8352o單彎S2-1-P11.15.431.154.250.21314.5312.980.893S2-1-P11.15.41.154.250.21314.5311.380.783S2-1-P11.15.41.154.250.21314.53120.8261.25ox1o雙彎C20-P21.155.841.20.810.29810.138.540.843C20-P31.155.841.20.810.29810.137.670.761.5ox1o雙彎F15-P11.156.080.920.840.30811.88.740.7431.5ox1.25o雙彎C20-P31.157.251.451.330.30810.219.530.9371.75ox1o雙彎F15-P11.156.030.920.840.30813.5611.590.855六、現(xiàn)場應(yīng)用幾個問題的探討1、導(dǎo)向螺桿鉆具的選型原則導(dǎo)向鉆具的選型就是要確定所選鉆具的類型〔渦輪還是螺桿、規(guī)格和性能參數(shù)。渦輪鉆具與螺桿鉆具相比,轉(zhuǎn)速高、壓降大、工作特性軟、長度大和造斜率相對較低,且目前國內(nèi)產(chǎn)品較少,因此在水平井導(dǎo)向鉆具選型時,僅針對導(dǎo)向螺桿鉆具加以討論。在文獻(xiàn)中,曾把井下動力鉆具按功能、主機(jī)種類、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)形式、彎角大小與組配方式等不同特征進(jìn)行分類。實際上,一臺螺桿鉆具往往是上述諸種特征的綜合。選型就是要根據(jù)圖1所示的思路和方法,具體確定導(dǎo)向螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)與工作參數(shù),并進(jìn)一步從產(chǎn)品目錄中選定所需的型號和規(guī)格?！?根據(jù)井眼尺寸確定鉆具的公稱尺寸表中列出了水平井常用井徑與導(dǎo)向螺桿鉆具公稱尺寸的對應(yīng)關(guān)系。上述對應(yīng)關(guān)系主要是為了保證工具外徑和井壁間留有一定的環(huán)隙,約25.4mm〔1in左右,以防止井下遇卡和出現(xiàn)事故時進(jìn)行打撈作業(yè)?！?根據(jù)井身設(shè)計造斜率確定工具造斜率所選工具的造斜率〔或稱造斜能力應(yīng)滿足水平井鉆井要求,可稱之為"造斜率原則",這是導(dǎo)向鉆具的首選原則。按照水平井工藝需要,導(dǎo)向鉆具的造斜率K、應(yīng)比井身設(shè)計造斜率K高10％～20％,以便有足夠的余地應(yīng)付鉆井過程中意外出現(xiàn)的造斜率不足的問題,也就是：〔1然后根據(jù)螺桿鉆具制造廠家的產(chǎn)品說明書中推薦的產(chǎn)品造斜能力值確定產(chǎn)品規(guī)格。若說明書中缺少造斜能力值這一指標(biāo),或為了核實工具的造斜能力,可用算法〔極限曲率法計算?！?根據(jù)鉆頭水眼壓降確定傳動輸類型現(xiàn)有螺桿鉆具的型號代碼中有一項數(shù)字是標(biāo)明傳動軸性能類型的,如圖2所示。以PSLZ165—7.0B為例,"P"表示水平井用鉆具,"5"表示馬達(dá)轉(zhuǎn)子為5頭,"LZ"表示螺桿鉆具,"165＂表示外徑為165mm〔61/2’’,"7.0"表示許用的最大鉆頭水眼壓降為7.0MPa,"B"表示第二次改進(jìn)〔為中空轉(zhuǎn)子入。注：□LZ□×□□─軸承結(jié)構(gòu)形式││└───最大允許鉆頭水眼壓降<MPa>│└─────鉆具直徑<mm>└────────轉(zhuǎn)子瓣數(shù)<單頭省略>C：船用橡膠軸承Y：硬質(zhì)合金軸承J：金剛石軸承0：轉(zhuǎn)子中空1：改進(jìn)型2：撓性軸3：彎殼體4：雙彎殼體5：穩(wěn)定器6：穩(wěn)定器＋彎殼體7：穩(wěn)定器＋雙彎殼體表示傳動軸類型的就是"許用的鉆頭水眼壓降"。現(xiàn)有產(chǎn)品分為3.5MPa〔、7.0MPa〔和14.0MPa〔等三種〔國外產(chǎn)品常用值表征,該值越大,說明傳動軸的承力承壓性能越好,成本就越高。在選型時,要根據(jù)設(shè)計的鉆頭水眼核算其壓降值,再確定相應(yīng)的傳動軸類型級別。不合適的選擇會造成鉆具的先期損壞〔選低級別時或成本增加〔選高級別時?！?根據(jù)徘量霎求選擇轉(zhuǎn)子類型螺桿鉆具的工作排量有一額定值〔額定排量,它是設(shè)計螺桿鉆具的依據(jù)之一。由干螺桿鉆具的轉(zhuǎn)速與工作排量成正比,增大排量必然增大轉(zhuǎn)子、萬向軸、傳動軸的轉(zhuǎn)速和萬向軸的載荷循環(huán)頻率,故排量的大幅度增長必將會導(dǎo)致螺桿鉆具的非正常工作,容易造成破壞。但在鉆井過程中,尤其是大井眼水平井中〔如3llmm井眼,127mm鉆桿,為了攜帶巖屑需要,要求有較高的鉆井液返速,即要求有較大的工作排量。而這一排量會成倍高于螺桿鉆具的額定排量或最高排量,如3llmm井眼要求Q＝48～50L／s,而197mm螺桿鉆具的最大許用