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定向方法与定向专用工具介绍

定向方法与定向专用工具介绍
定向方法与定向专用工具介绍

1.单点定向

此方法只适用造斜点较浅的情况,通常井深小于1000米。因为造斜点较深时,反扭角很难控制,且定向时间较长。施工过程如下:

(l)下入定向造斜钻具至造斜点位置(注意:井下马达必须按厂家要求进行地面试验)。

(2)单点测斜,测量造斜位置的井斜角,方位角,弯接头工具面;

(3)在测斜照相的同时,对方钻杆和钻杆进行打印,并把井口钻杆的印痕投到转盘面的外缘上,作为基准点;

(4)调整工具面(调整后的工具面是:设计方位角十反扭角)。锁住转盘、开泵钻进;

(5)定向钻进。每钻进2~4个单根进行一次单点测斜,根据测量的井斜角和方位角及时修正反扭矩的误差,并调整工具面;

(6)当井斜角达到8~10度和方位合适时,起钻换增斜钻具,用转盘钻进。在单点定向作业中要注意:

①在确定了反扭角和钻压后,要严格控制钻压的变化范围,通常在预定钻压±千牛(2吨)内变化;

②每次接单根时,钻杆可能会转动一点,注意转动钻杆的打印位置至预定位置;

③如果调整工具面的角度较大(>90度),调整后应活动钻具2~3次(停泵状态),以便钻杆扭矩迅速传递。

第六节方位调整段轨迹控制

一、什么时候需要下动力钻具调整井眼轨迹

(1)井眼的方位角不符合设计要求时。

(2)利用转盘钻已经达不到合理调整井眼井斜角和方位角的要求时。

(3)井眼的井斜角不符合设计要求时(转盘钻钻具组合已经达不到要求)。

二、下入什么样的钻具组合进行井身轨迹调整:

根据井眼轨迹调整所需要的造斜率来决定下入的钻具组合,一般来说需要按造斜率的大小来选择钻具组合:

造斜率在10°~15°/100米之间可以下入弯接头的钻具组合来完成。

造斜率在15°~30°/100米之间可以下入单弯的钻具组合来完成。

造斜率在30°~45°/100米之间可以下入双弯的钻具组合来完成。

(目前改进了的单弯造斜率已有所提高)

一般情况:30°/1000米左右,但也有其他情况,反扭角不仅仅是受到钻压的影响,还受到井眼光滑程度的影响等等。

使用有线随钻,无须去仔细考虑反扭角,可以通过地面阅读器看见工具面的位置。也不能用上述数据去判断,因为转盘锁定定向与有线随钻锁定方式不一样。

使用无线随钻时,可以参考上述数据去施工,提高转动工具放到位置的能力。

1)、什么时候需要下入动力钻具调整井身轨迹:

①、井眼的井斜方位角不符合设计要求;

②、井眼的井斜角不符合设计要求;

③、利用转盘钻已经达不是到合理调整井眼井斜角和井斜方位角的要求;

2)、下入什么样的钻具组合进行井身轨迹调整:

根据井眼轨迹调整需要的造斜率K来决定下入什么样的钻具组合,?一般来说需要按造斜率的大小选择钻具组合:

造斜率K在10°~15°/100米之间可以下入弯接头组合来完成;

造斜率K在15°~25°/100米之间可以下入单弯动力钻具完成;

造斜率K在25°~45°/100米之间可以下入双弯动力钻具完成;

造斜率要求不高,为了减少起下钻次数(在配合高效PDC钻头的情况下),可以下入DTU组合来完成;

3)、怎样确定造斜组合的装置角:

①、装置角对井眼轨迹的影响规律:

②、根据井眼轨迹的需要,利用沙尼金图解法确定工具装置角的方法:

A、选择一定长度的线段,代表角度值。

B、选原点O,作N、E坐标,根据Φ1作井斜方位线OQ。量OA=α1(长度代表角度),以A点为圆心,以γ为半径画圆。

C、作线段OB,使∠AOB=ΔХ,交圆于B、B′两点,连接AB和AB′。

注意,ΔХ是有正负之分的。ΔХ为正时,是方位增加,以OA为始边顺时针旋转作出OB线。

D、?用量角器量得∠QAB和∠QAB′两角,即得赠斜扭方位的装置角ω=∠QAB,减斜扭方位的装置角ω′=∠QAB′。

E、用直尺量OB和OB′的长度,换算成角度,则是增斜扭方位的井斜角α2=OB,减斜扭方位的井斜角α2=OB′。

③、动力钻具反扭角的确定

A、公式法计算反扭角(由于误差太大,故略去)。

B、经验数据法确定反扭角

定向井专用工具

一.井下马达

井下动力钻具是常用的造斜工具之一,它分为涡轮钻具、容积式马达和电动钻具三大类。目前在我国海洋定向井的井下马达使用方面,电动钻具已不存在,涡轮钻具也很少使用,通常使用容积式马达(PDM型)、容积式马达可分为迪那、纳维和螺杆钻具。容积式马达具有下列优点:一是动力钻具所钻井眼尺寸与原井眼完全相同,不必再次下钻扩眼;二是井内有桥塞时,这类钻具可以钻过,并能在开始造斜前将井底循环干净;三是空转转速与工作转速相差的幅度较小(与涡轮相比),有利于钻头选型。

在各种井下马达中,将重点介绍广泛使用的螺杆钻具。

1.迪那(Dyna)钻具

(l)结构和类型

迪那钻具主要由旁通阀总成、定子、转子、万向节总成和传动轴总成组成。主要分为五种规格:即Δ200/500、Δ500、Δ500+ 4、Δ1000和Δ1000低速。迪那钻具的装配扭矩见表9-2,其万向节总成见图9-18。

(2)迪那钻具规范和操作参数(见表9-3)

(3)迪那钻具的反扭角经验数据表(见表9-4)

直井中的反扭角(α<2°都看作直井)

(4)迪那钻具使用注意事项:

①根据钻井条件选用合适的钻具类型和合理的钻井参数,以提高迪那钻具的工作效率;

②下井前应认真检查两端连接螺纹和台肩及外壳体有无变形,旁通阀是否灵敏完好,并测量轴承间隙。

③下井前应进行试转,确定迪那钻具工作正常后方可下井。

④迪那钻具下井时应控制下放速度,下钻遇阻不得硬砸硬压;

⑤钻进时应保持均匀送钻,防止溜钻、顿钻。钻进中应密切注意泵压表的压力变化。当发现泵压突然上升时,应及时提起钻具,重新加压钻进;

⑥保持钻井液含砂量不大于l%,以提高迪那钻具的使用寿命;

⑦起出迪那钻具应认真检查旁通阀总成并把钻具内的钻井液排净,测量轴承间隙,加油保养旁通阀。

2.纳维(NAVI)钻具

(l)纳维钻具种类

①Mach l型多头螺杆马达

②Mach 2型单头螺杆马达

③Mach 3型单头螺杆马达

(2)结构

纳维钻具由旁通阀、定子、转子、万向轴、轴承总成和传动轴组成。

(3)特点

①Mach l型。其主要特点是长度短、转速低、扭矩大。适用于定向钻井、深井、牙轮钻头钻井和取心钻井。

②Mach 2型。扭矩中等,适用于大段直井钻井,可以提高直井钻井机械钻速。

③Mach 3型。长度短、反扭矩小,适用于定向钻井、定向造斜和扭方位。

(4)纳维钻具技术性能和技术参数(见表9-6、9-6、9-7)。

3.螺杆钻具

(l)主要结构与工作原理。

螺杆钻具由旁通阀、马达(转子、定子)、万向轴(节)和传动轴四部分组成(见图9-19)。

螺杆钻具的工作动力来自循环钻井液,在一定压力下,钻井液泵入钻具,进入马达的螺旋形空腔使转子转动,而后动力经万向轴传递到传动轴和钻头上。

所设计的旁通阀是为了在起下钻时使循环液绕过不工作的马达,沟通钻柱与环空的钻井液通道(结构见图9-20)。

当无钻井液循环或低泵冲循环时,在弹簧的作用下,阀心处于上部位置,此时旁通孔开启,钻井液可灌入钻柱或自钻柱泄出。阀心的移动由流量大小决定,当钻井液泵量达到一定数值时,水力推力克服弹簧力,使阀心下移,关闭旁通孔,所有钻井液流经马达所作的功转换为机械能。

(2)使用要求

①钻井液的要求

螺杆钻具对于各种钻井液都能有效地工作,包括油基、水基和乳化的钻井液。钻井液粘度和密度对钻具的影响很小,但对整个系统的压力有直接影响,如果推荐排量下的压力大于额定泵压值,就得减少钻井液排量,或者有必要降低通过钻具或钻头的压力降。钻井液中的砂粒等杂质会影响钻具性能,加速轴承和马达定子的磨损。因此,钻井液中的含砂量必须控制在l%以内,每种型号

的钻具都有各自的流量范围,只有在此范围内,钻具才能有较高的效率,一般情况下,流量范围的中间值是钻具最佳输入流量值。

②流经螺杆钻具的压力降要求

钻具悬空时排量不变,则通过螺杆钻具的钻井液压力降也不变,随着钻头接触井底钻压增加时,钻井液循环压力增加,泵压也增加,司钻可以用以下公式来控制操作:打钻泵压=循环泵压十螺杆钻具的负载压降。

循环泵压,就是钻头没有接触井底时的泵压,也叫离底泵压。钻头接触井底,扭矩增大,泵压就要上升。这时压力表的读数就叫作打钻泵压。

离底泵压不是一个常数,它随井深和钻井液的特性变化而变化,但实际操作中,没必要随时测取循环泵压的精确值,一般取每次接单根后的离底泵压为近似值,这样做完全可以满足公式的精度要求。如果忘记测量,则必须将钻具提离井底进行补测。

钻具工作中,打钻泵压达到最大推荐压力时,钻具产生最佳扭矩,继续增加钻压将增加泵压,当超过最大设计压力时,马达可能会停止转动,此时应立即降低钻压,以防螺杆钻具内部损坏。

③扭矩

螺杆钻具的扭矩与钻井液流经马达产生的压力降成正比,转速与输入排量成正比,排量一定时,扭矩增加而转速基本保持不变,螺杆钻具从空载到满载,速度降低一般不超过10%左右。

(3)使用方法

①下井前的地面检查:

A.用提升短节将钻具提起,坐入转盘卡瓦内,使旁通阀位于转盘之上,装上安全卡瓦,卸去提升短节;

B.用木棒压下旁通阀的阀心至下死点,然后松开阀心,检查弹簧复位力(旧马达有时因弹簧锈死,可能压不下);

C.用木棒压下旁通阀心,向阀体内注水检查密封性,如密封性好,则小孔无水流出,然后松开阀心,则有水从小孔流出;

D.将螺杆钻具接上方钻杆,下放螺杆钻具使旁通阀处于转盘下方易观察的部位,慢慢开泵,当排量不足以使旁通阀关闭时,应有钻井液从旁通孔流出,然后加大排量至马达启动,看驱动接头是否旋转,此时应记下泵的排量,停泵前,应再下放螺杆钻具让旁通阀阀口位于转盘以下,检查停泵时钻井液是否经旁通阀阀口顺利流出;

E.检查轴承间隙,参阅后面起钻检查部分。

②螺杆钻具下井:

A.地面检查结束后,用吊钳卡住驱动接头,用钻头盒把钻头和螺杆钻具接上,大钳只可咬在旋转传动轴驱动接头上;

B.使用弯接头时,定向装置的定位镜必须和工具面对正,如果要用浮阀,则可直接装在旁通阀上方,千万不要加在马达下边,否则,浮阀就不起作用了,原因是钻井液可从旁通阀流入。如果在驱动接头和钻头之间还要加转换接头,则对其长度应加以有限制,不宜超过250毫米;

C.下放螺杆钻具时,依次把弯接头、测量工具、非磁钻具、钻铤、震击器、加重钻杆下入;

D.螺杆钻具下井时应控制下放速度,以免下放过快而使马达倒转,从而造成内部连接螺纹脱扣。此外,控制下放速度,能够防止螺杆钻具在通过防喷器、砂桥、套管鞋等处撞坏钻具;

E.当下放深井段或遇到高温井段时,应分段循环钻井液冷却钻具,保护定子内衬橡胶。用MWD时,在下钻过程中,每 500米应打通一次;

F.下钻接立柱时,必须用旋扣钳,不能用转盘;

G.下钻时钻井液返出过多,可能是钻井液过稠或旁通阀被堵,造成钻井液不流入钻具,此时应定时向钻杆内输入钻井液,带单流阀时更是如此;

H.螺杆钻具接近井底时要放慢下钻速度,提前循环后再继续下钻。循环先用小排量,待井口近出钻井液后再加大排量;

I.不能顿钻或将螺杆钻具坐在井底开泵。

③用螺杆钻具钻进:

A.钻进前应充分循环,清除井底岩屑、井底岩屑清除不彻底对定向钻井有较大的影响。具体方法是以正常的钻井液循环转动钻具(每次转动30~45度),依次把沉积在井底的岩屑和沉砂清除,清理干净后上提螺杆钻具~米,循环并记录、校对压力值;

B.开始钻进时,如果井底还未清洗干净,则应缓慢加压,钻进速度不能太快,否则钻头容易产生泥包,把螺杆钻具和钻头卡死;

C.施加钻压不要过猛,钻压不是监视螺杆钻具工作的指标,只是作为参考指标,判断螺杆钻具工作的情况的主要依据是泵压;

E.钻进时,随时调整工具面到预定的数值;

F.连接每个单根调好工具面后必须稳定钻压,均匀送钻,保证斜井段的曲线光滑和定向精度。

④起钻检查螺杆钻具:

A.等井底的井斜、方位等参数达到要求后就可起钻,不要循环;

B.起钻之前,在钻柱内注入一段加重钻井液,使钻杆内的钻井液顺利流出;

C.将螺杆钻具提到井口,坐好卡瓦和安全卡瓦,用清水从旁通阀顶部进行冲洗;

D.用内钳咬住螺杆钻具.一边用链钳顺时针转动驱动接头,一边从旁通阀上部注入清水(如果反时针转动驱动接头,钻井液将从旁通阀阀口流出),然后注人少量的矿物油,不可注入柴油;

E.把螺杆钻具提出转盘,并卸下钻头,上好护丝,平稳放下钻台;

F.起钻过程中也应注意起钻速度,以防卡钻损坏钻具,并且必须用旋扣钳卸扣。不可用转盘卸扣;

G.每次从井里起出螺杆钻具,都必须检查轴承间隙(如图9-21),如果轴承间隙超过最大允许值,必须更换新轴承(见表9-8)。

(4)螺杆钻具故障分析(见表9-9)。

(5)国产螺杆钻具性能表。

目前,国产螺杆钻具的质量提高较快,性能参数与进口马达无明显差异,加上价格合理,维修方便,因此,国产螺杆钻具广泛用于海上定向井。国产螺杆钻具的主要生产厂家及性能参数见表9-10~表9-12。为满足大排量的水力要求,国产螺杆钻具具有中空分流的特性(见表9-13)。

(6)反扭矩分析计算

由于螺杆钻具右旋(顺时针),故驱动接头上方的组合将产生反扭矩,定向对应考虑提前装置角,以消除这种反扭矩的影响。

①查表法确定反扭矩(表9-14):

A.下述反作用扭矩是近似的,准确的反扭矩图可来自测量结果或随钻测斜仪的读数;

B.全力扭方位时的装置角为95°,估计的反扭角参见表9-15。

②公式法计算反扭角:

在计算jm≥时,先计算出临界长度Lo 米,然后与当时的井深L比较。若L <Lo,则将L代入式中计算jm,若L≥Lo,则将Lo代入式中计算jm。

③用经验数据法确定反扭角。某种动力钻具在一定的井下条件下,经过一段时间的使用,积累一定的资料,可以摸清反扭角的变化规律。在以后的使用中,只要了解井下条件,就可以借用过去的资料来确定反扭角。

(7)注意事项:

①弯接头下井之前,必须测量弯曲度是否准确,高边工具标线是否准确。

②用SST及单点陀螺进行定向时,必须检查定位键是否与弯接头高边标线一致,并确认高边标线的方向;

③用MWD时,检查钻头到MWD脉冲器的距离(PTB),磁偏角及偏移(offest)是否打入计算机,偏移测量是否正确;

④尽量少用钻铤,满足钻压需要即可,否则会影响造斜效果;

⑤钻头与马达如需要配合接头,则该接头应尽量短,其长度不应大于250毫米,否则将影响钻头与马达轴承的寿命,而且会在马达传动轴上增加横向力,影响造斜效果;

⑥若需用浮阀,必须将它装在螺杆钻具的上端,不可将它装在钻头与驱动接头之间;

⑦调节弯接头指向时、转盘应按右旋定向,调整完毕,钻柱需慢慢地提升和下放数次(上提高度应超过6米),消除井眼中钻杆蹩劲,使其处于自由状态。

⑧下入扭方位工具时,有可能遇阻,此时应将方钻杆接上,将泵开到关闭旁通阀的泵冲数再加上10冲,低钻压快划到底;

⑨造斜开始时,不要频繁左右调节工具面,尽可能在一个方向调节。

二.弯接头

弯接头能使造斜钻具产生侧向力,是定向钻井中定向造斜、扭方位的一种专用井下工具。目前,弯接头内通常安装循环套,壳体上划有弯曲方向的标线,用作单点或有线随钻侧斜仪确定工具面的方向。

弯接头分为固定角度和可调角度两种。通常使用固定角度型(图9-22),弯角一般为1~°,弯角超过3°时,下井较困难,一般不用。不同弯角接头造斜能力见表6-16。

可调角度弯接头是一种较为先进的井眼轨迹控制工具。根据调节方式和工作原理的不同可分为电动式、机械式、液压式等几种类型。它们的共同特点是不起钻,通过地面控制把弯接头调到需要的角度(包括零度)。可连续进行定向、增斜、降斜、稳斜和扭方位。

可调角度弯接头的主要优点是。提高井眼轨迹控制的精度、减少起钻次数、加快钻井速度、降低钻井成本。

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