导向钻井钻具组合结构造斜特性分析.doc

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石油天然气学报 (江汉石油学院学报) 　2007 年 4 月 　第 29 卷 　第 2 期
Journal of Oil and Gas Technology (J1J P I) 　Ap r1 2007 　Vol1 29 　No1 2

导向钻井钻具组合结构造斜特性分析

　　张新红 , 冯 　定 　 (长江大学机械工程学院 , 湖北 荆州 434023)

[ 摘要 ] 在导向钻井钻具组合结构中 , 本体稳定器 、上稳定器的选用与计算外径 , 以及螺杆弯角的选用 ,
对用全力增 、减方位时的侧向力有影响 , 可用来评价导向钻井钻具造斜特性 , 分析和设计导向钻具组合 。 现场使用结果表明 , 螺杆本体稳定器采用偏心式时计算外径与丈量直径存在偏差 ; 上稳定器对钻头侧向
力具有较大的影响 , 可以优化设计 ; 螺杆弯角对钻头侧向力影响较大 , 需合理使用 。
[ 关键词 ] 导向钻井 ; 钻具组合结构 ; 稳定器 ; 造斜 ; 力学分析
[ 中图分类号 ] T E9211 2 [ 文献标识码 ] A 　　 [ 文章编号 ] 1000 9752 (2007) 02 0138 03

随着大斜度 、大位移 、水平井等井型的广泛实施 , 以弯螺杆和随钻测量为主的导向钻井技术成为目
前使用频率最高的一种钻井技术 , 形成了导向钻井新技术方式[ 1～3 ] 。其主要特点是利用了偏心防斜原理 在弯螺杆钻具转动过程中表现出的稳斜性 。这使传统 “五段制”和 “三段制”剖面可以用一种钻具一趟 钻实现 , 从而大大提高了钻井效率 。导向钻井技术应用的关键是底部钻具组合的选配 , 目前在现场应用 中仍存在许多认识上的误区 , 造成施工的盲目性 。笔者通过对导向钻具几个力学问题的分析 , 将现场遇 到的问题理论化 , 用以指导现场设计及施工 。
在设计钻具组合结构时[ 4～7 ] , 为了取得钻进中的稳斜效果 , 就要分析在装置角为 90°或 270° (全力 增 、减方位) 时的造斜力大小 。通过调整底部钻具组合各参数值 , 使钻头侧向力趋于零[ 8 ] 。

1 　本体稳定器的选用与计算外径

水平井常用的稳定器有单弯螺旋稳定器和直筋稳定器 。螺旋型稳定器可形成规范的计算直径和可靠 的支点 , 从而得到稳定的工具面和造斜率 ; 但定向时钻进阻力大 , 因此在井斜较大时不宜选择螺旋稳定 器 。一般水平井用螺杆均选择直筋型稳定器 , 以减少钻进中的阻力 , 特别是连续造斜和全角变率较大时 尤其如此 。

螺杆本 体 稳 定 器 外 径 一 般 设 计 为 欠 尺 寸 , 国际 标 准 推 荐 值 为 比 井 眼 直 径 小 ∀3 i n ～ ∀; i n (11 588～31 175 mm) 。螺杆上给定的是稳定器的 实际结构直径 , 在力学分析时 , 当使用偏心稳 定器时 , 由于偏心的影响 , 计算输入直径与实
际结构直径发生偏差 , 需作计算 。偏心稳定器 最大偏心结构见图 1 。
以三筋直筋型稳定器为例 。在外圆周增加 了 3 根轴向直筋扶正块 , 一般是 1 大 2 小 , 且 相对于圆周非均匀分布 , 其形心与质心有一偏

差 。偏心稳定器增加了钻头侧向力 , 使弯螺杆 具有更好的造斜性 。江汉油田以前曾引进过多 筋稳定器螺杆 , 没有偏心度 , 在造斜过程中造
图 1 　偏心稳定器最大偏心结构示意图

斜率极低 , 尤其在降斜时 , 造斜率达不到 1°/ 10 m , 后在笔者的建议下终止了使用 , 目前均采用带偏心

　 [ 收稿日期 ] 2007 01 20
　 [ 作者简介 ] 张新红 ( 1964 ) , 男 , 1987 年大学毕业 , 讲师 , 现从事工程力学 、石油机械方面的教学与研究工作 。

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第 29 卷第 2 期 张新红等 : 导向钻井钻具组合结构造斜特性分析 　
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稳定器结构的单弯螺杆 。
对于同心稳定器 , 计算直径与结构直径是相等的 。而对于偏心直筋稳定器 , 在钻具转动过程中计算 直径不断变化 , 可求出 2 种特殊状态下的数值 , 即最小值和最大值 。
当大直筋块中心 A 转到井眼低边时 , 偏心距最小 , 为 :
　　lsmin = ( Do - Ds ) / 2 ( 1)
当稳定器顺时针转动时 , 大直筋块偏离井眼低边时 , 偏心距越来越大 , 当 2 小块扶正块边缘接触下井 壁时 , 偏心距最大 , 为 :

o
　　lsmax = D2

s
- D2 si n2θ- Ds co sθ ( 2)

相应的稳定器计算直径最大和最小值分别为 :
　　D′smax = Ds ( 3)

o
　　lsmin = Do + Ds co s - D2

s
- D2 si nθq

( 4)

对于三筋直筋型稳定器 , 取θ = 45°, 井眼直径 Do = 2151 9 mm , 稳定器结构外径 Ds = 212 mm , 则得实 际计算外径 D′s = 2101 4 mm ; 结构外径为 213 mm 时 , 计算外径为 2111 8 mm 。可见实际计算直径比丈 量外径要小 1～2 mm 。
由于弯螺杆在钻进过程中存在扩径现象 , 导致计算直径与规则井径有偏差 。对于稳定器结构外径 , 当井径分别为 2151 9 , 220 , 225 , 230 mm 时 , 计算外径值分别为 2101 4 , 2081 86 , 2071 09 , 2051 44 mm 。 可见 , 井径越大 , 计算外径值越小 。
需根据实际计算外径值设计和分析钻具的性能 。在导向计算时 , 考虑装置角的影响 , 为简便计算 ,
D′s曲线 + D′smin
可用下式近似表示 : D′s均 = 2

2 　上稳定器的选用与计算外径

为了获得更好的稳斜效果 , 在螺杆上增加一个上稳定器 , 外径需与螺杆本体稳定器计算外径相符 。 常使用螺旋稳定器 , 螺旋稳定器形心与质心相同 , 不产生偏心 。
当不装上稳定器时 , 一般复合钻进时表现为较强的增斜效果 。选用不同的上稳定器可获得不同的轨
迹效果 。
上稳定器外径变化对钻头侧向力有一定影响 。当外径由小变大时 , 钻头侧向力下降 , 趋向稳斜 ; 当 外径增大到一定程度 , 则表现为降斜效果 (图 2) 。这与现场规律是相符的 。以 Á165mm 单弯螺杆为例 ,

图 2 　上稳定器外径变化对钻头侧向力影响规律

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　 石油天然气学报 (江汉石油学院学报) 2007 年 4 月

当本体稳定器采用 Á 212 mm 时 , 计算外径 Á 212 mm 。上稳定器不装时造斜效果最强 , 安装 Á 212 mm 欠
尺寸稳定器稳斜效果最好 , 采用足尺寸稳定器 Á 214 mm 时钻具表现为一定的降斜特性 。

3 　螺杆弯角对造斜的影响

螺杆结构弯角增加 , 钻头侧向力增大[ 8 ] 。
在滑动定向钻进时 , 根据设计需要的造斜率确定螺杆弯角的大小 , 常选用级别为 1～11 5°, 造斜率 可达到 2～6 (°) / 10 m 。
在转盘复合钻进时 , 弯角度数越大 , 钻头侧向力越大 , 稳斜效果越差 。因此 , 弯角较大的螺杆尽可 能缩短转盘钻进时间和进尺 。
水平井 (大斜度井) 螺杆现场使用情况见表 1 。
根据现场使用效果 , 得出以下结论 : ①1°单弯配上稳定器外径 210 mm , 具有较好的稳斜效果 , 造 斜率可控制在 ±01 3 (°) / 100 m 以内 ; ②11 25°以上单弯造斜率在 01 5～2 (°) / 100 m , 稳斜效果较差 ;
③不加上稳定器时 , 造斜率较大 , 不利于稳斜 。

表 1 　几口水平井 (大斜度井) 螺杆现场使用情况
序号 井号 井段/ m 弯角/ (°) 稳定器配置 造斜率 (°) / 100 m
1 王 63 斜 - 4 1 212 + 210 01 2
2 广平 4 3107～3142 1 212 + 210 01 25
3 王西平 2 3457～3469 11 25 212 11 4
4 代 9 斜 - 3 768～1100 1 212 + 210 - 01 1
5 长斜 9 1050～1550 11 25 213 + 214 - 11 8

因此 , 当需要 长 井 段 复 合 稳 斜 钻 进 时 , 推 荐 采 用 以 下 钻 具 结 构 ( 以 Á 2151 9 mm 井 眼 为 例 ) : Á 2151 9 mm优质钻头 + Á165 mm 单弯螺杆 (弯角 1°以下 , 带三筋偏心稳定器 , 外径 212～213 mm) + Á 208～ Á211 mm 螺旋稳定器 + Á1581 75 mm 无磁钻铤 + Á 1581 75 mm 变通钻铤 。

[ 参考文献 ]
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[ 8 ] 李增科 1 导向钻井有关力学特性的分析 [ J ] 1 江汉石油科技 , 2003 , 13 ( 3) : 46～481
[ 编辑 ] 　苏开科

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High temperat ure sco uring te st sho w s t hat af ter sco uring wit h 200 ℃ water vapo r fo r 100 PV , per meabilit y and pl ugging
ratio of t he co re have no great changes , it sho w s t hat t he agent ha s a higher temp erat ure resi sting a bilit y1 The agent ca n be used fo r p rofile co nt rol in water injectio n well s a nd pl ugging t he steam cha nneling in st ea m soaking well s1 It i s expec2 ted t hat it wo uld be high efficiency fo r fiel d applicatio n1
Key words : oily sl udge ; high temp erat ure p rofile co nt rol agent ; perfo r mance eval uatio n ; steam soa k

117 A Novel Data Processing Method f or Mea suring Relat ive Molecular Weight of Polymer Dr ill ing Fl uid
Addit ives by Viscosity Means
ZHEN G Li2hui , LIU Do ng 　( Chi na U ni ve rs i t y o f Pet rol e um , B ei j i n g 102249 ; M O E Ke y L aborat or y of Pet role um En g i nee ri n g i n Chi na U ni ve rs i t y o f
Pet role um , B ei j i n g 102249)
WAN Yo ng2sheng , WANG Xu , LIANG Yi 　( S ic h u an Pet role um A d m i nist rat i on B u re au , Che n g d u 610051)
ZHU Shu2bing 　( T a ri m Oi l f iel d Com p an y , C N PC , Korl a 841000)
Abstract : The p rinciple of mea suring by vi sco sit y mea ns t he polymer relative molecular weight i s mea suring t he solvent vi sco sit y inf l uence degree by additive s w hen it s sol utio n co ncent ratio n i s clo se to zero1 No w single2line o r do uble2line i s adop t ed to regre ss t he relatio n bet ween t he polymer sol utio n reduced vi sco sit y a nd it s co ncent ratio n1 The t rait vi sco sit y i s o btained by t he regressed fo r mula a nd t he polymer relative molecular weight i s calculated by t he t rait vi sco sit y empi ric equatio n1 A polymer drilling f l uid additive relative molecular weight of wa s mea sured in la bo rato ry1 The co r relatio n co2 efficient of t he relatio n regre ssed by t he linear p rocessing met ho d i s lo wer1 So a no vel polyno me met ho d fo r data p roce ss2

ing fo r regressing t he relatio n i s develop ed , and it s co r relatio n coefficient i s higher a s well a s t he relative molecula r weight calculated by t he polyno me means i s mo re greater t ha n t hat of t he linear mea ns1 A no t her polymer drilling f l uid additive data regressio n i s made by t he no vel met ho d , t he same co ncl usio n can be achieved1 So t he pol yno me met ho d f ea2 sible to calculate t he relative molecula r weight of t he polymer drilling f l uid additive s i s f urt her verified1 Key wo r d : vi s2 co sit y mea ns ; mea surement ; polymer ; drilli ng f l uids additive s ; relative molecula r weight ; data p roce ssing ; met ho d

135 Development and Appl icat ion of A Ga s Preventive Sucker Rod Pump
LIU Do ng2qi , SHE Mei2qing 　( Y an g t z e U ni ve rs i t y , J i n g z hou 434023 ; He nan Oi l f iel d Com p an y , S I N O P EC , N any an g 473132)
PENG J ia n2wen 　( He nan Oi l f iel d Com p an y , S I N O P EC , N any an g 473132)
Abstract : In co nsideratio n of t he p ro blems in deep well s , re servoir wit h high oil a nd ga s ratio a nd a s well a s high inf l u2 ence , lo w p ump efficiency and high p ump maintena nce of co nventio nal t ubula r p ump , a a nnula r valve t ype a nd ga s p re2 ventive sucker ro d p ump i s developed1 The st r uct ure a nd p rinciple of t he a nnula r valve t yp e and ga s p reventive ro d p ump a nd a s well a s t he eff ect of sealing material o n t he operatio n lif e of t he valve , p ump op eratio n co nditio ns , ra nge of it s a2 dap ta bilit y , point s fo r at tentio n a nd field applicatio n a re di scussed1 A vol umet ric efficiency of t he p ump i s simulat ed in la bo rato r y under diff erent submer gences and diff erent oil and ga s ratio1 When t he oil a nd ga s ratio i s wit hi n 300m3 / t , it s vol umet ric efficiency ca n be a s high a s 60 %1 When it i s at 1500m3 / t , t here will no t be a ga s lock in t he p ump1 Field ap2 plicatio n sho w s t hat w hen t he oil and ga s ratio i s a bo ut 250 m3 / t , 10 p ercent of p ump efficiency ca n be rai sed , and it s maintenance can be reduced a s well1
Key words : sucker ro d p ump ; high oil a nd ga s ratio ; cr ude oil ; p ro ductio n ; applicatio n

138 Analysis on Structural Def lect ing Characters of Do wn hole Assembly f or Steering Dr ill ing
ZHAN G Xin2ho ng , FENG Ding 　( Y an g t z e U ni ve rs i t y , J i n g z hou 434023)
Abstract : In t he st r uct ure of do w nhole a ssembly fo r steering well drilling , t he selectio n of tool stabilizer , upp er stabiliz2 er and calculated o ut side diameter s , t he selectio n of screw bending a ngle have infl uence o n t he side fo rce of azimut hal in2 crea se a nd decrea se , it can be used fo r eval uating t he def lecti ng cha racter s of steeri ng drilling , a nal yzing and de signing t he steering do w nhole a ssembly1 Field applicatio n re sult sho w s t hat fo r eccent ric screw stabilizer , t here exi st er ro r s of calculated o ut side diameter s and mea sured diameter s , t he upper sta bilizer ha s severe inf l uence o n side fo rce of drilling bit s , a nd it can be op timally designed , w hile t he bending a ngle of screw al so ha s severe inf l uence o n bit side fo rce , and it sho uld be ratio nally used1
Key words : steering drill tool ; st r uct ure of do w nhole a ssembly ; sta bilizer ; def lectio n ; mechanic a nalysi s

Translated & Edited by S U Ka i2ke( 苏开科)

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