定向井底钻具组合的类型

第五讲定向井、水平井专用工具水平井是最大井斜角保持在90 “左右，并在目的层中维持一定长度水平井段的特殊定向井。

水平井钻井技术是常规定向井钻井技术的延伸和发展。

水平井要求在产层或某一指定的地层钻成有一定长度延伸的水平段，这就决定了其工艺上固有的特殊性。

而工具的选择与使用必须能够保证钻头（或钻柱）按照设计的井眼轨迹准确运行。

水平井、特别是中半径水平井井身轨迹的特殊性，需要造斜工具必须具有较高的造斜能力，这是钻成水平井的基本保障；其次，在满足高造斜率要求的基础上还必须使工具有较好的稳定性。

要想使井眼有一定的偏斜并不困难，以往的定向钻井工艺早已解决了这方面的问题，但当井斜角大到一定程度后，继续增斜、至使井斜角接近或超过90°,这就存在着很大的难度，这是常规的定向钻井工具所不能完成的。

另外，水平井段的钻进也是我们前未遇的新问题，钻柱在这种特殊状态下的延伸必须有特殊的工具辅以维持。

为了满足水平井钻井施工的需要，设计制造出钻各种大、中曲率半径水平井的井下专用工具，通过现场试验使用进一步改进完善，总结出适合水平井钻井的工具模式。

一般说来，水平井钻井的生产工序环节，大致上分为造斜，增斜、稳斜或稳平，有时根据地质要求需另附加水平取芯段。

水平井井身轨迹的控制要求严格，各阶段使用的工具不尽相同，各种工具的研究技术难点也各不相同。

水平井钻井工具主要包括水平井钻井常用井下工具和地面工具两部分，该章主要介绍的井下工具是稳定器、无磁钻铤、螺旋钻铤、加重钻杆、定向接头、弯接头、定向弯接头、定向造斜专用PDC钻头、井底动力钻具（螺杆动力钻具、涡轮钻具）?和水平井取心工具等。

地面工具主要包括转盘量角器、钻杆量角器、钻铤量角器、方钻杆标定尺、钻杆划线规、定向键调节扳手。

壬刍宀沖稳定器、概述稳定器用途最为广泛，不论是增斜、降斜段，还是稳斜、稳平段，都是不可缺少的工具之一。

根据不同生产段的需要和水平井自身的特点，稳定器有不同的形状及几何尺寸。

应用定向钻井技术挖掘老君庙油田剩余油潜力采油厂地质所二○○二年元月一、概述老君庙油田自1939年发现并投入开发，至今已有62年的开发历史，注水开发46年，目前已处入低产后期开发阶段。

随着注采井网的不断完善，油田开采对象越来越复杂，剩余油分布及潜力越来越少，使得老油田“控水稳油”的难度越来越大；根据油田数值模拟成果，剩余油主要分布在构造复杂区、异常高压区、建筑物阻挡区等区域内，为此应用定向钻井技术对老油田后期开发显得尤为重要。

老君庙油田于1955年钻成我国第一口定向井C205井，由于受诸多因素的制约，近四十年来，定向钻井技术处于停滞状态。

直到1994年，为了使老君庙油田原油保持稳产，提高老油田的开发水平，选择在潜能较大的老君庙油田剩余油富集区块部署定向井，并在J259井上应用获得成功。

随后在老君庙油田不同区域部署定向井，通过钻井地质特征研究，大规模推广针对本油田的定向钻井技术，到2001年相继钻成25口定向井，获得了较好的效果。

实践证明，定向钻井技术是老君庙油田挖潜剩余油的一条有利途径。

二、老君庙油田钻井地质特征老君庙油田由于开采时间长、注水较多、地层压力异常、复杂，钻井过程中喷、漏、垮、塌、缩径并存，给定向钻井施工带来许多困难。

具体表现在：1、地层压力高。

油藏经过长期注水，地层压力不断上升，最高压力达30 MPa，且剖面上压力分布极不均匀，初期的定向钻井施工具有摸索性，难度大。

25口定向井中有22口钻井液密度在 1.70-2.00g/cm3之间，其中最高为 2.24 g/cm3，既是这样，部分井在钻探中还不能平衡地层压力，存在井喷现象。

2、各油藏间压力悬殊。

老君庙油田剖面上开采的油层有上油层K、中油层L和下油层M。

油藏跨度不大，但K、L、M层压力相差较大，L层多为高压，M层相对低压，钻井中上喷下漏。

尤其L3层由于渗透性好、过去注水量偏大，许多区块形成异常高压区及水洗带，钻穿L3，易发生井喷。

为维持平衡钻进，需提高钻井液密度，加重材料耗量大。

定向井钻井不同钻具组合和控制方式探究摘要: A井井口地面为盐碱地，距井口西北方向69m是油田公路，距井口东北方向367m研究区块该井的目的层正是位于研究区块的中心位置，因此部署了这口大斜度定向井。

该井设计斜深1925m，垂深1188m，水平位移1370.61m，井斜角59.06°，方位角5.81°。

在施工一口井斜角和水平位移比较大的定向井之前，一定要仔细对设计中的要点进行详细研究，制定相关施工措施。

在井眼轨迹控制中，按照不同井段的施工要求，选用不同的钻具组合和控制方式，保证井眼轨迹准确入靶。

关键词: 井身结构设计；钻具组合；控制方式；井眼轨迹；准确入靶A井井口地面为盐碱地，距井口西北方向69m是油田公路，距井口东北方向367m研究区块该井的目的层正是位于研究区块的中心位置，因此部署了这口大斜度定向井。

该井设计斜深1925m，垂深1188m，水平位移1370.61m，井斜角59.06°，方位角5.81°。

从区块油层顶面构造图看，该区块总体上是一个西高东低的单斜构造，东西方向构造高差150m，南北方向起伏变化不大。

区块内共发育68条断层，均为正断层，以北西向、北北西向为主，少数为北东向，断距5m~90m，延伸长度0.1km~6.8km，平面分布呈不均匀的Y字型。

由于区块内断层发育，不仅使构造复杂化，而且对油水分布产生较大影响。

1设计介绍1.1井身结构设计根据该地区已经施工井的情况，结合这口井的实际井斜角和水平位移情况，最后这口井采用两层套管的井身结构。

首先是在地面砸入Φ508.00mm导管3-5m，使一开能够正常建立地面循环，然后应用Φ374.7mm钻头进行一开施工，施工到井深121m一开完钻，然后下入表层套管进行固井，水泥浆返到地面；安装好井控设备后进行第二次开钻，采用Φ215.9mm钻头施工到井深1925m完钻，然后下入油层套管进行固井，水泥浆依然上返到地面。

一、直井下部钻具组合设计方法(一)钻铤尺寸及重量的确定1.钻铤尺寸的确定(1)为保证套管能顺利下入井内，钻柱中最下段（一般不应少于一立柱）钻铤应有足够大的外径，推荐按表1选配。

表1：与钻头直径对应的推荐钻铤外径钻头直径钻铤外径142.9～152.4 104.7～120.6158.8～171.4 120.6，127.0190.5～200.0 127.0～158.8212.7～222.2 158.8～171.4241.3～250.8 177.8～203.2269.9 177.8～228.6311.2 228.6～254.0374.6 228.6～254.0444.5 228.6～279.4508.0～660.4 254.0～279.4(2)钻铤柱中最大钻铤外径应保证在打捞作业中能够套铣。

(3)在大于190.5mm的井眼中,应采用复合(塔式)钻铤结构(包括加重钻杆)，相邻两段钻铤的外径差一般不应大于25.4mm。

最上一段钻铤的外径不应小于所连接的钻杆接头外径。

每段长度不应少于一立柱。

(4)钻具组合的刚度应大于所下套管的刚度。

2.钻铤重量的确定：根据设计的最大钻压计算确定所需钻铤的总重量,然后确定各种尺寸钻铤的长度,以确保中性点始终处于钻铤柱上，所需钻铤的总重量可按式(1)计算：Wc= PmaxKs/K f (1)其中：K f=1-ρm/ρs式中：Wc——所需钻铤的总重力，kN；Pmax——设计的最大钻压，kN；Ks——安全系数，一般条件下取1.25，当钻铤柱中加钻具减振器时，取1.15；K f——钻井液浮力减轻系数；ρm——钻井液密度，g/cm3；ρs——钻铤钢材密度，g/cm3。

(二)钟摆钻具组合设计1.无稳定器钟摆钻具组合设计：为了获得较大的钟摆降斜力,最下端1～2柱钻铤应尽可能采用大尺寸厚壁钻铤。

2.单稳定器钟摆钻具组合设计(1)稳定器安放高度的设计原则：a.在保证稳定器以下钻铤在纵横载荷作用下产生弯曲变形的最大挠度处不与井壁接触的前提下,尽可能高地安放稳定器。

一、方钻杆(kelly)方钻杆位于钻柱的最上端，其主要作用是传递扭距和承受钻柱的总量。

方钻杆的驱动部分端面分为正方形和正六边形，石油钻井中用的最多的是正方形，水眼为正六边形，由于壁厚比钻杆大三倍左右，并用高强度的合金钢制造,因此具有较高的抗拉强度与抗扭强度。

二、钻杆(drill pipe)钻杆是钻柱的基本组成部分，它主要用于传递扭距和输送钻井液。

现用钻杆的管体与接头是采用对焊方法连接在一起的。

为了增大接头处的强度，管体两端对焊部分是加厚的，加厚形式有内加厚、外加厚、内外加厚三种。

内加厚的缩小管体两端的内径以增加管壁厚度，这种钻杆外径是一致的，接头外径也不太大，在井中旋转时，接头与井壁接触较小，磨损也较小，但因其加厚部分内径较管体内径小,增加了钻井液循环时的流动阻力。

外加厚钻杆的内径是一致的，但管体两端的外径加大，这种钻杆接头的外径比同尺寸钻杆接头的外径大，在井内旋转时增加了接头于井壁的接触摩擦，易磨损；由于这种钻杆内径与管体内径一致，循环钻井液时流动阻力较小。

内外加厚钻井，是将管体两端的内径缩小，外径增大，以增加两端管体的壁厚。

这种结构的钻杆综合了以上两种结构钻杆的优点。

三、加重钻杆(extra-weight drill pipe)加重钻杆特点是壁厚比普通钻杆增加了2倍以上，其接头体比普通钻杆长，管体中部还有特制的耐磨辊。

加重钻杆主要用于一下几个方面:1)用于钻铤和钻杆的过渡区，缓和两者弯曲应力的变化，以减少钻杆的损坏2)在小井眼钻井中代替钻铤，操作方便3)在定向井中代替大部分钻铤，以减少扭距和粘附卡钻等的发生,从而降低成本,同时有利于保持定向井的方位。

由于钻铤与紧闭接触面积大，当转动时与井壁发生很大的摩擦力，因而使井眼有偏转的趋势，当用加重钻杆代替钻铤时，可以减少这种可能，因而有利于保持定向井的方位。

四、钻铤(drill collar)钻铤是钻柱的主要组成部分之一，其作用是给钻头提供钻压，同时使下部钻具组合有较大的刚度，从而使钻头工作稳定，并有利于克服井斜问题。

四．螺杆钻具使用方法1．地面检查(1) 螺杆上、下接头（旋转钻头短节）是否有松扣或松动现象，如有松扣现象进行紧扣。

(2) 下接头固定螺栓是否有松扣现象，若有进行紧扣。

(3) 旁通阀是否能关闭，若不能关闭，可采用机油浸泡活动，直到能关闭为止。

(4) 要注意观察弯螺杆上部弯方的标记与下部弯接头弯曲的方向是否一致。

(5) 螺杆钻具上、下钻台必须使用绷绳绷，防止碰撞损坏螺杆钻具。

(6) 用游车吊起螺杆钻具，测量轴承壳体与旋转短节间的轴向间隙，在下放游车让螺杆钻具触到转盘，再测量轴承壳体与旋转短节间的轴向间隙，两者间隙差6-1/2"螺杆不大于6mm，7-3/4"和9-5/8"螺杆不大于8mm，否则应更换螺杆。

(6) 让螺杆钻具与方钻杆相接，把扣上紧，将螺杆钻具的旁通阀下放到转盘面以下，开泵，小排量使钻井液流进马达，应能看见钻井液从旁通阀的旁通孔流出；随着排量加大，马达开始转动，旁通阀关闭；如一切正常，停泵卸方钻杆，接钻头下钻。

2．钻具下井(1) 下放钻具及其组合应小心地控制下放速度。

下钻遇阻，应开泵循环，慢慢划眼通过。

若带有弯接头或弯壳体的钻具遇阻时应间歇性地转动钻具，慢慢通过，以防止划出新眼。

(2) 对深井和高温井，下放钻具建议周期性地进行中途循环。

(3) 在井内，若钻井液不能迅速通过旁通阀阀口流进钻柱中，应减慢下放速度或不时停下来充罐泥浆。

3．启动(1) 钻具达到预先确定的位置，可以开泵循环。

，(2) 定向前充分清洗井底。

4．钻进(1) 下钻完，接方钻杆前把钻杆滤子放入钻杆；钻头离井底1米以上开泵，开泵正常后方能下放钻进，缓慢均匀加压。

(2) 钻进中要随时注意泵压变化情况（当排量给定的前提下）、钻时、岩性变化情况，防止意外事故发生。

(3) 对于弯螺杆要注意选择弯曲角的大小，以满足钻井工程设计的要求。

(4) 钻进中几种异常情况的处理：◆指重表摆动不停。

将钻头提离井底，循环几分钟，待指重表稳定后再钻进。

定向井常⽤井下⼯具油⽥技术－定向井⼯程师序列培训讲义（T2－21）第⼀部分定向井常⽤井下⼯具的分类1、泥浆马达（PDM）2、旋转导向⼯具3、扶正器（STB）4、⾮磁钻铤（NMDC）5、悬挂短节（HOS）6、短⾮磁钻铤（SNMDC）7、浮阀（F/V）8、定向接头（O/S）9、挠性短节（F/J）10、震击器（JAR）11、加重钻杆（HWDP）12、短钻铤13、弯接头14、套管开窗⼯具15、其它定向井⼯具第⼆部分定向井常⽤井下⼯具的现场检查测绘及使⽤⼀、泥浆马达1、泥浆马达的主要组成部分1) 旁通阀总成2) 马达总成3) 万向轴总成4) 驱动轴总成2、泥浆马达的⼯作原理:马达是⼀种螺杆钻具（SCREW DRILLS），它是以泥浆作为动⼒的⼀种井下动⼒钻具。

马达⼯作原理：泥浆泵产⽣的⾼压泥浆流，经旁通阀进⼊马达时，转⼦在压⼒泥浆的驱动下，绕定⼦的轴线旋转，马达产⽣的扭矩和转速，通过万向轴和传动轴传递给钻头，来实现钻井作业。

3、旁通阀结构及⼯作原理：旁通阀有旁通和关闭两个位置，在起下钻时位于旁通位置，下钻时允许环空的泥浆由旁通阀阀体侧⾯的阀⼝孔流向钻杆(钻具)内孔，起钻时使钻杆内孔的泥浆从阀体侧⾯的阀⼝流⼊环空，减少井台溢出泥浆，当泥浆流量及压⼒达到⼀定值时，旁通阀关闭，泥浆流经马达，将泥浆能量转换为机械能。

4、马达总成的结构及⼯作原理：马达总成由转⼦和定⼦两部分组成。

定⼦与转⼦之间形成若⼲个密封腔，在泥浆动⼒作⽤下，密封腔不断的形成与消失，完成能量交换从⽽推动转⼦在定⼦中旋转。

马达可形成⼏个密封腔就称⼏级马达。

5、万向轴总成的⼯作原理：万向轴总成位于转⼦下端，其作⽤是把马达产⽣的扭矩和转速传递到传动轴上。

由于转⼦作的是偏⼼运动，因此要求万向轴具有较好的挠性功能，能将偏⼼运动转换成传动轴的定轴转动。

6、传动轴总成(drive shaft assembly) 的⼯作原理：它的作⽤是将马达的旋转动⼒（扭矩和转速）传递给钻头，同时承受钻压所产⽣的轴向和径向负荷。

一、直井下部钻具组合设计方法(一)钻铤尺寸及重量的确定1.钻铤尺寸的确定(1)为保证套管能顺利下入井内，钻柱中最下段（一般不应少于一立柱）钻铤应有足够大的外径，推荐按表1选配。

表1：与钻头直径对应的推荐钻铤外径钻头直径钻铤外径142.9～152.4 104.7～120.6158.8～171.4 120.6，127.0190.5～200.0 127.0～158.8212.7～222.2 158.8～171.4241.3～250.8 177.8～203.2269.9 177.8～228.6311.2 228.6～254.0374.6 228.6～254.0444.5 228.6～279.4508.0～660.4 254.0～279.4(2)钻铤柱中最大钻铤外径应保证在打捞作业中能够套铣。

(3)在大于190.5mm的井眼中,应采用复合(塔式)钻铤结构(包括加重钻杆)，相邻两段钻铤的外径差一般不应大于25.4mm。

最上一段钻铤的外径不应小于所连接的钻杆接头外径。

每段长度不应少于一立柱。

(4)钻具组合的刚度应大于所下套管的刚度。

2.钻铤重量的确定：根据设计的最大钻压计算确定所需钻铤的总重量,然后确定各种尺寸钻铤的长度,以确保中性点始终处于钻铤柱上，所需钻铤的总重量可按式(1)计算：Wc= PmaxKs/K f (1)其中：K f=1-ρm/ρs式中：Wc——所需钻铤的总重力，kN；Pmax——设计的最大钻压，kN；Ks——安全系数，一般条件下取1.25，当钻铤柱中加钻具减振器时，取1.15；K f——钻井液浮力减轻系数；ρm——钻井液密度，g/cm3；ρs——钻铤钢材密度，g/cm3。

(二)钟摆钻具组合设计1.无稳定器钟摆钻具组合设计：为了获得较大的钟摆降斜力,最下端1～2柱钻铤应尽可能采用大尺寸厚壁钻铤。

2.单稳定器钟摆钻具组合设计(1)稳定器安放高度的设计原则：a.在保证稳定器以下钻铤在纵横载荷作用下产生弯曲变形的最大挠度处不与井壁接触的前提下,尽可能高地安放稳定器。

一、常规钻井（直井）钻具组合：BIT钻头；DC钻鋌；SDC螺旋钻鋌；LZ螺杆钻具；SJ双向减震器；DP钻杆；HWO加重钻杆；STB或LF钻具稳定器；LB随钻打捞杯；DJ震击器；1、塔式钻具组合：① 444.5mmBITX 0.50m+① 229mmDE27.24m + ① 203mmD&54.94m+①165mm DCX 54.51m+① 139.7mmDP① 311.1mmBITX 0.40m+① 229mmD&54.38m+① 203mmDC82.23m+① 165mmD CX 81.83m+① 139.7 mmDP① 311.1mmBITX 0.32m+① 244.5mnLZX 9.50m+① 229mmDX45.40m+①203mm DCX 73.13m+① 165mmD€81.83m+^ 139.7mmDP① 311.1mmBITX 0.30m+① 229mrSJX 6.62m+① 229mmDX53.94m+①203mmDC X 81.75m+① 165mmDX81.83m+^ 139.7mmDP钻头FX1951X0.44 m（① 311.1mm + 6A10/630X 0.61 m+ 9〃钻铤X52.17m （6 根）+ 6A11/5A10X 0.47 m+8〃钻铤X 133.19m （ 9 根）+ 410/5A11 X 0.49 m + 61/2 〃钻铤X 79.88m （9 根）+ 51/2 〃HWOX141.88m （15 根）+ 51/2 〃钻杆（＊＊根）+顶驱① 215.9mmBITX 0.25m+430/4A10+0 165mmSD€161.56m+4A11/410+^ 165m mDX 8.81m+411/4A10+ 61/2 〃钻铤X 79.88m （9 根）+ 51/2 〃HWOX141.88m （15根）+ 51/2〃钻杆（＊＊根）+顶驱2、钟摆钻具组合：① 660.4mmPX 0.50m+730/NC61 母+ ① 229mrSJX 9.24m+①229mmSDC18. 24m^30/NC61 公+26〃LF+731/NC61 母+①229mmSDC9.24m+730/NC61 公+26〃L F + 731/NC56 母+ ①203mmDX94.94m+410/NC56 公+① 139.7mmDP顶驱① 444.5mmGA11X 0.50m+730/NC61 母+① 229mmSX 9.24m+① 229mm SDX18.24m+171/2 〃LF+① 229mmSDC9.24m+171/2 〃LF + NC61 公/NC56母+ ① 203mm DCX 121.94m+3〃随震+8〃DCX 18.94m +410/NC56 公+① 127mm WO X 141.94m + ①139.7mmDP顶驱① 311.1mmBITX 0.46m+① 229mmDC18.08m+① 308mmLX 1.82m+①203mm DCX 9.10m+① 308mmLX 1.51m+① 229mmDX27.32m+203mmDX73.13m+① 178mm DCX 81.83m+① 139.7mmD+顶驱① 311.1mmDB535X 0.50m+630/NC61 母+① 229mmSX 9.24m+① 229mm SDC X 18.24m +NC61公/NC56母+121/4 〃LF + NC56 公/ NC61 母+① 229mm SDC 9. 24m +NC61 公/NC56母+121/4 〃LF+① 203mmDX121.94m+8〃随震+8〃SDCX27.9 4m +410/NC56 公+① 139.7mmHWOP141.94m + ① 139.7mmDP顶驱① 311.1mmDB535FGX0.50m+630/731 +95/8 〃LZ+① 229mmSX 18.64m+ 12 1/4 〃LF + + ① 229mm SDC 9.24m +121/4 〃LF+①203mmDX148.94m+410/NC56 公+① 139.7mmHWOP141.94m + ① 139.7mmD+顶驱① 215.9mmBITX 0.33m+① 172mmLX 8.55m+① 165mmSDC1.39m+①165mmSD CX 1.39m+① 214mmSTX1.38m+① 165mmDX 236.14m+ ①139.7mmHWOP141.94 m + ① 139.7mmDP顶驱3、满眼钻具组合：① 311.1mmH13&0.30m+121/4 〃LF + NC56 公/ NC61 母+① 229mmSX9.24m+NC61 公/NC56 母+121/4 〃LF + NC56 公/ NC61 母+① 229mm SDC 18.24 m+JC61 公/NC56 母+121/4 〃LF+① 203mmD€121.94m+8〃随震+8〃SDCX18.94m +410/NC56 公+① 139.7mmHWXP141.94m + ① 139.7mmDP顶驱① 215.9mm牙轮BIT X 0.24m+① 190mrLiBX 1.10m+①214mmSTX1.39m+① 16 5mrSDCX 1.39m+① 214mmSTX1.40m+① 165mriDCX8.53m+① 214mmSTX 1.39m+ ① 165mrSJX 5.08m+① 165mrDCX 244.63m+① 139.7mmHWOP141.94m + ① 139.7m mD+顶驱① 215.9mm牙轮BIT X 0.24m+① 214mmLX 1.49m+^ 165mmSDC1.39m+① 21 4mmLX 1.40m+^ 165mmDX8.53m+ ① 214mmLX 1.39m+① 165mrSJX 5.08m+^ 16 5mmDX244.63m+① 139.7mmHWXP141.94m + ① 139.7mmDP顶驱① 215.9mm牙轮BIT X 0.25m+① 214mmSTX 1.50m+① 165mmSDC1.38m+①2 14mmSTX 1.40m+① 165mmDX8.81m+① 214mmSTX1.40m+① 165mrSJX 6.11m+① 165mmDX229.22m+① 139.7mmHWOP141.94m + ① 139.7mmDP顶驱二、定向井（水平井）钻具组合：1 、直井段钻具组合：采用塔式钻具组合、钟摆钻具组合、满眼钻具组合。