扶正器钻具组合

– 稳斜组合总是多扶正器。在硬地层中可能出现起下困难。切 勿“强行下”入。
– 为保证稳斜效果，
• 在硬地层可使用扩大器代替紧钻头扶正器； • 在中硬地层，为了克服地层力的作用，可使用长翼扶正器或双联
扶正器； • 注意保持正常钻压和较高转速；
扶正器组合的使用注意事项
降斜组合：
– 软地层，钻头侧向力容易发挥作用，井径也容易扩大，所以 地层越软，越容易降斜 ；反之，地层越硬，越不易降斜；
扶正器钻具组合
1. 单扶组合的力学分析； 2. 单扶组合的力学特性； 3. 多扶组合的力学特性； 4. 扶正器组合使用注意事项； 5. 实用扶正器钻具组合；
石油大学（华东） 韩志勇
转盘钻扶正器组合
此类工具不能用于改变井眼方位，仅能在已有一定斜度的井眼内 改变井斜，即进行增斜、降斜或稳斜。 此类工具是在转盘钻的基础上，利用靠近钻头的钻铤部分，巧妙 地使用扶正器，得到各种性能的组合。 20世纪80年代以来，国内外对扶正器钻具组合的研究逐步深入。 运用数学、力学和计算机工具，出现了微分方程法、有限元法、 纵横连续梁法、加权余量法等等方法，且都需要使用较复杂的计 算机程序。 在没有计算机软件计算在情况下，可使用现场常用的经验数据。 转盘钻扶正器组合有三种： – 增斜组合； – 稳斜组合； – 降斜组合；
– 在硬地层中钻进：
• 地层硬，则钻头和扶正器的直径容易被磨小，不易保证增斜所需要的 支点，从而影响增斜率；
• 钻头侧向切削能力本来就小，在硬地层中，即使有较大的侧向力，也 难以侧向切削出去，这也影响造斜率；
• 注意使用侧向切削能力大的钻头；或注意发挥不对称切削作用； • 为了防止扶正器磨损，可使用扩大器作为扶正器；
– 在增斜钻进时，钻压远远大于切点以 下钻柱的重量。
– 钻压的变化，只是引起切点以上躺在 井壁下侧的钻柱长度的变化。不影响 Lg长度钻柱的重量。
– 所以， 侧向力不随钻压的大小而变化。
• 但不可形成错觉：P=0时，侧向力也会 是那么大！此使整个钻柱的重力全被 大钩承担，形不成切点。
单扶组合的力学特性
钻压对钻头侧向力的影响：
– 降斜组合：
• 在一定的组合、一定的井斜角和井眼尺寸下，钻压的增大，将使切点一下钻柱弯 曲增大。弯曲增大，钻头向上倾斜角度增大，钻压的侧向分量增大。
• 钻压继续增大，钻柱继续弯曲，在扶正器和钻头之间将出现新的切点。 • 在出现新切点之前，钟摆力不会减小，但由于钻压的侧向分量增大， 将使降斜
稳斜组合：
– 钻压对稳斜组合性能的影响是很小的。所以在稳斜钻进中， 可以根据眼使性能改变钻压。
– 稳斜组合对井斜角的变化是敏感的。井斜角增大，则负侧向 力增大。所以，在井斜较小时显示稳斜的组合，在井斜较大 时可能显示为降斜组合。
降斜组合：
– 钻压增大，钻柱正向弯曲，负侧向力减小，降斜率减小；
扶正器组合的使用注意事项
测向力减小。 • 在出现新切点之后，钟摆力将会大大减小，即降斜测向力减小。 • 总的说，降斜组合，钻压的增大将使降斜测向力减小。
单扶组合的力学分析
钻铤直径对侧向力的影响：
– 降斜组合：
• 对降斜组合来说，钻铤直径 的影响，是明确的，即随着 钻铤直径的增加，钟摆力将 增大，因而钻头侧向力将增 大。
• 在井眼直径、扶正器直径、 扶正器具钻头的距离都不变 的情况下，显然，钻铤直径 越大，重力就越大，所以钟 摆力越大。
多扶组合的力学特性
多扶稳斜组合的结构：
– 标准多扶稳斜组合A ：三个扶正器组成； – 在标准增斜组合基础上，可以变化，适当改变增斜率；
• B：在三扶之上，每个10m 加第四甚至第五个扶正器。增大增斜率 ； • C：适当加大第一和第二扶正器之间的距离。减小增斜率 ；
多扶组合的力学特性
多扶降斜组合的结构：
但实际上不能用于稳 斜组合。因为用于稳斜 组合，性能是不稳定的， 不是增，就是降。
单扶组合实际上仅用 于增斜或降斜。
单扶组合的力学分析
钻压对钻头侧向力的影响：
– 增斜组合：
• 规律性：在一定的组合、一定的井斜 角和井眼尺寸下，钻压对侧向力的影 响是很微小的。
• 为什么？
– 在一定井斜角下，Lg长度是由切点一 下扶正器以上钻柱重力的分量决定的。
实用钻具组合
增斜钻具组合：
按增斜能力分为强、中、 弱三种。 使用中要注意： 1. L1增长，增斜能力减 小； 2. 近钻头扶正器直径减 小，增斜能力也减小。
3. 注意保持低转速。
类型 强增斜组合 中增斜组合 弱增斜组合
L1 1.0～1.8 1.0～1.8 1.0～1.8
L2 ------18.0～27.0 9.0～18.0
单扶组合的力学分析
单扶组合的钻头受力分析：
Q ( F )2P o 2
tg F Po
– 此只能定性说明问题，不可定量 计算。
Hale Waihona Puke Baidu
tg F Fi Ff Fc Fb
Po
Po
PsinFf Mc /L0.5Wsin Pcos
单扶组合的力学分析
井眼前进的方向：
– 井眼前进的方向，不是钻头 轴线方向，即钻压P的方向， 因为在钻头上还作用有其他 横向力；
单扶组合的钻头受力分析：
– 弯矩Mc：
• 扶正器以上到切点的钻柱的重力， 在垂直钻柱轴线方向的分量，相
当一个杠杆力，通过扶正器形成 弯矩Mc 。
• Mc 作用到钻头上，形成钻头的
侧向力Fc ，是钻头上侧向力的
一部分：
Fc
Mc L
• L是钻头至扶正器的距离，但 Mc的大小是不知道的，所以 Fc难以计算。
– 在A点和B点之 间，组合产生降 斜力，且随L增 大而增大到最大 值，然后又逐渐 减小。
– 过了B点，扶正 器不起作用，相 当于光钻铤产生 负侧向力。
单扶组合的力学分析
侧–– 向增α力↑斜，与组则井合Fg斜：↑，角井F斜的c↑角关；增系大：，则增斜力增大；Fc ALFg
AWsin
L
单扶组合的力学分析
单扶组合的钻头受力分析：
– 钟摆力：Fb
• 扶正器以下钻柱的重量为W，作 用点在该段钻柱的中点a 点。
• W可以分解为平行钻柱轴线和垂 直钻柱轴线的两个分量：
Pa Wcos Fa Wsin
• α角是扶正器以下钻柱所在的 井斜角。Fa 即是钟摆力。 Fa
作用到钻头上即为Fb 。 1
Fb 2 Fa
单扶组合的力学分析
多扶组合的力学特性
多扶增斜组合的结构：
– 柔性多扶增斜组合：
• 柔性组合A ，使用1根小尺寸钻铤。国外称作“giligan”。若标准 增斜组合的增斜率为20/30m ，则“giligan”增斜率可达到30/30m 。
• 柔性组合B ，使用两根相应的钻杆或无磁钻杆。若标准增斜组合 的增斜率为20/30m ，则此种柔性组合增斜率可达到40～50/30m 。
增斜组合：
– 在软地层中使用：
• 软地层中钻进，地层因素（倾角、走向、软硬变化等）影响较小。 • 影响增斜率的主要因素是钻具力学因素；
• 软地层水力冲蚀、扶正器和钻头的侧向刮切等作用显著，容易井径扩 大，使增斜率下降。
• 要达到一定的增斜率，应使用增斜能力强的组合。
– 在中硬地层中使用：
• 地层构造因素影响非常显著；所以要特别注意掌握底层的造斜规律， 运用这些规律，控制井眼方向。
单扶组合的力学分析
单扶组合的钻头受力分析：
– 地层横向力：Ff • 地层横向力是由于地层的倾 斜以及地层可钻性的各向异 性造成的。 • Ff可能是增斜，也可能是降斜。
– 作用在钻头上的所有垂直与井眼 轴线的横向力，与平行井眼轴线 的钻压的合力，以Q表示，即为 作用于钻头上的所有力的合力。
– Q与井眼轴线的夹角，以γ表示。 – Q 和γ可用下页公式定性表示：
– 井眼前进的方向，也不是钻 头上所有力的合力Q的方向。 因为钻头具有各向异性，轴 向和侧向的切削能力是不同 的。
– 一般来说，侧向切削能力小 于轴向，所以，实际的经验 前进方向，实在P和Q两个 方向之间。
– γ越大，则井眼增斜越强。 由下页公式可以分析如何控 制增斜、降斜。
单扶组合的力学分析 tg FFi Ff Fc Fb
• 用单扶增斜或单扶降斜组合钻出的弯曲井眼，如果再下入 多扶组合（例如多扶稳斜组合），则容易出现阻卡现象。 使用多扶增降组合，则容易下入。
多扶组合的力学特性
多扶增斜组合的结构：
– 标准多扶增斜组合：A – 在标准增斜组合基础上，可以变化，适当减小增斜率；
• 减小第一和第二扶正器之间的距离，B ； • 减小后，在第二扶正器之上，在加一个扶正器，C ；
单扶组合的力学分析
单扶组合的钻头受力分析：
– 钻压：P
• 上部钻柱在泥浆中的重力，通过 钻柱传递到钻头上。方向与钻头 轴线一致。
• 钻压P可分解为平行井眼轴线和 垂直井眼轴线的两个分量：
Po Pcos
Fi Psin
• β角是钻头轴线与井眼轴线的 夹角。Fi 构成钻头侧向力的 一部分。
单扶组合的力学分析
– 在较硬地层中，需要降斜时可以采用：
• 先用动力钻具强行降斜； • 再在已经降斜弯曲的井眼内，用强力钟摆钻具，增大钻压，可将
其压弯（负向弯曲），从而增大降斜能力；
– 钻进中注意保持较小钻压，较低转速； – 降斜组合要注意使用新钻头，保证钻头的侧切能力； – 在降斜特别困难的井段，在轨道设计时，注意避开降斜；
Po
Po
PsinFf Mc /L0.5Wsin Pcos
井斜变化分析：
γ为正则增斜， γ为负则降斜；
– 欲增斜：
• 增大β ：用小钻铤，大钻压，压 弯钻柱；
• 增大Mc，缩短L; • 减小W：用小钻铤；
– 欲降斜：
• 减小β ：用大钻铤，小钻压，不 要压弯钻柱；
• 减小Mc，增大L; • 增大W：用大钻铤；
多扶组合的力学特性
实用多扶组合的必要性：
– 1. 单扶组合仅用于增斜和降斜。由于单扶稳斜组合 性能的不稳定性，稳斜组合都是多扶正器组合。
– 2. 对于增斜降斜组合，由于以下原因，也广泛使用 多扶组合：
• 单扶组合的钻柱可能大段与井壁接触，产生粘附卡钻或压 差卡钻的可能性较大，而多扶组合可大大减小钻柱与井壁 的接触；
侧向力与井斜角的关系：
– 降斜组合：井斜角增大，则降斜力增大； – α↑，则Fg↑，Fc↑；
Fc
12Fg
1Wsin
2
单扶组合的力学分析
侧向力与井斜角的关系：
– 对于接近中性的组合（L=7米为例），井斜角减小，可能成为增斜组 合；井斜角增大，可能成为降斜组合。
理论上讲，单扶组合 可以用作增斜组合、降 斜组合，也可用于稳斜 组合。
– 井斜角α也影响γ ；
单扶组合的力学分析
三种组合：
– A组合：增斜组合。组合产生正向侧向力。第一杠杆原理。 – B组合：降斜组合。产生负向侧向力。第二杠杆原理。 – C组合：可能增斜，也可能降斜，也可能是不增不降的稳斜。
单扶组合的力学分析
扶正器具钻头的距 离L对侧向力的影 响：
– 在A点以前，随 着L增大，组合 产生增斜力，且 随L增大而减小；
L3 ------------9.0
实用钻具组合
稳斜钻具组合
稳斜能力分强、中、弱三种。
在使用中要注意保持正常钻压 和较高转速。
若需要更强的稳斜组合，可使 用双扶正器串联起来作为近钻 头扶正器。
单扶组合的力学分析
钻铤直径对侧向力的影响：
– 增斜组合：
• 对降斜组合来说，钻铤直径的影 响，不是简单的关系。影响侧向 力的因素，不仅有钻铤的重力，
– 还有扶正器到切点的距离，此距 离随钻铤直径增大而减小；
– 还有此距离内钻铤的弯曲情况， 钻铤刚度越大，弯曲就越厉害；
• 即随着钻铤直径的增加，侧向力 将增大，还是减小？不能直观地 看出来。这是通过力学模型，利 用计算机软件计算，才能得知。
扶正器组合的使用注意事项
稳斜组合：
– 稳斜比增斜、降斜都要难，常常出现“稳不住”的现象。这 是因为稳斜的影响因素最多。
• 地层因素：倾角、走向、软硬变化、软地层中的井眼扩大等； • 钻具因素：扶正器尺寸的磨损，特别是近钻头扶正器的磨损； • 钻进参数：不对称的水力冲蚀； • 上述因素是稳斜组合往往变成降斜组合。
– 标准多扶降斜组合A ：两个扶正器组成，钻头至一扶距离20m； – 在标准组合基础上以变化，适当改变降斜率；
• B：减小钻头至一扶的距离，减小降斜率； • C：在钻头上加一个欠尺寸扶正器，减小降斜率 ； • D：用一根小尺寸钻铤，增大降斜率；
影响多扶组合性能的因素
增斜组合：
– 钻压对增斜组合侧向力的影响，是不显著的，是比较小的； – 在组合、钻压不变情况下，井斜角增大则侧向力增大；