螺杆钻具造斜能力分析及预测

第46卷第3期2018年6月煤田地质与勘探COAL GEOLOGY & EXPLORATIONVol. 46 No.3Jun. 2018文章编号：1001-1986(2018)03-0163-05煤层气水平对接井用单弯无稳螺杆钻具组合造斜能力预测赵永哲，石智军，张迎接(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077)摘要：作为煤层气开发水平对接井定向钻进最为常用的单弯无稳螺杆钻具组合，其造斜能力 的预测，直接影响着井眼轨道预测及井眼轨迹控制。

采用几何计算的方法，以三点定圆法为 理论基础，通过分析考虑结构弯角位置影响和井径扩大影响的单弯双稳螺杆钻具组合造斜率预测的相关算法，结合三弯矩方程组的相关理论，提出单弯无稳螺杆钻具组合造斜率的预测算法，通过现场实践应用验证。

该算法可用于沿煤层定向轨迹延伸钻进的井底导向钻具造斜能力顿测。

关键词：煤层气；水平对接井；单弯无稳螺杆钻具；造斜能力中图分类号：TE243 文献标识码：A DOI: 10.3969/j.issn.1001 -1986.2018.03.027 Prediction of deflection capacity of PDM with single bent screw without stabilizerfor CBM horizontal-butted wellZHAO Yongzhe,SHI Zhijun,ZHANG Yingjie(XVan Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., XVan 710077, China)A b stra c t: Well path prediction and trajectory control are directly affected by prediction o f deflection capacity o f PDM, single bent screw w ithout stabilizer is w idely used in CBM horizontal-butted w ell, using geom etric algorithm in this paper and based on the theory o f three-point deciding a circle, through analyzing sim ilar algorithm about prediction o f deflection capacity o f PDM w ith single bent screw and tw o stabilizers w hen considering the influence o f the bent position and w ell enlargem ent, com bined w ith related theory o f three-m om ent equations, the prediction o f deflection capacity o f PDM w ith single bent and w ithout stabilizer is put forward, and verified through field practice, can beused in guiding prediction o f deflection capacity o f bottom hole assem bly during directional drilling and trajectory extension in coal seam.K eyw ords: coalbed methane(CBM); horizontal-butted well; PDM with single bent screw without stabilizer; deflection capacity目前，在煤矿区煤层气开发水平定向钻进过程 中，最为常用的井底导向钻具是带弯壳体单弯无稳 螺杆钻具组合。

高效导向螺杆钻具性能分析及其应用摘要：在井眼轨迹控制过程中，进行滑动导向与复合钻进时，利用常规导向螺杆会出现钻头加载困难以及形成螺旋井眼的问题，从而对井眼轨迹的控制效果产生影响。

为解决该问题，以前用过宽带的直棱和螺旋稳定器，本文特针对导向螺杆的结构做了改进与创新，准备在螺杆钻具驱动头位置设计带宽很窄螺旋稳定器。

本文就针对改进后的导向螺杆钻具进行讨论。

关键词：导向螺杆井眼轨迹控制钻具一、高效导向螺杆钻具由于利用常规螺杆会出现钻头加载困难、形成螺旋井眼等问题，因此对其进行结构创新，即在螺杆钻具驱动位置设计一种受螺杆钻具驱动旋转的窄带螺旋稳定器，其主要作用包括：首先，作为底部钻具组合的近钻头支点，从而有效的提高BHA的滑动导向能力；其次，近钻头近满眼设计可以修正井壁；最后，滑动导向钻进过程中，近钻头稳定器处于旋转状态，与常规的导向螺杆钻具相比，近钻头稳定器的滑动阻力更小，所以拖压问题即可得到彻底解决。

这种导向螺杆的结构变化使得钻井过程中BHA的力学特征发生了改变。

二、高效导向螺杆钻具的承载能力改变了高效导向螺杆钻具的结构，相应的就会改变钻进过程中螺杆钻具的受力特征。

传动轴是轴力与扭矩的核心承载部件，其有着十分复杂的受力特征，也是螺杆钻具中最薄弱的环节，所以要对其强度特征做全面分析，并提出结构优化方案。

下面以172mm高效导向相钻具为例进行分析。

（二）传动轴的应力计算与分析通过ANSYS系统可以将传动轴受到外载与约束作用状态下的应力分布计算出来，从计算结果可知，最大应力值为434 MPa，发生在传动轴过渡截面处。

针对不同外径计算其最大应力值，从计算结果可以得知，如果材质的条件不变，传动轴的外径越大，则作业的安全系数越高，如果把传动轴的外径由提高5mm，可以提升16%的承载能力，所以传动轴外径的取值为85mm。

三、近钻头稳定器的结构设计与螺杆动力系统的优化（一）优化近钻头稳定器的结构从某种意义上说，高效导向螺杆钻具的应用效果由近钻头稳定器的结构来决定，因此近钻头稳定器要具备两个条件，其一，稳定器基于旋转状态的支点效应、稳定性以及尽量低的额外扭矩；其二，要将岩屑及时排导出去。

螺杆钻具防斜打快技术分析【摘要】井斜问题是影响钻井井身质量的关键因素，而目前钻井中对井身轨迹提出了更高的要求，如何控制好井斜大小和井身轨迹的走向以及提高钻井速度是钻井的重要工作。

利用常规钻井技术不但很难满足井身质量的要求，而且严重制约了钻井速度的提高。

通过理论分析和实践，利用动力钻具配合高效钻头钻井，可以大大地提高机械钻速、缩短钻井周期，尤其是防斜打直方面可以更好地控制井身轨迹。

【关键词】动力钻具钟摆钻具井身轨迹防斜打快目前，普遍使用的防斜钻具结构主要有钟摆钻具组合、双稳定器满眼钻具、柔性防斜钻具、偏轴防斜钻具等等。

通过力学分析，以上钻具结构都是依靠钻具的钟摆力来达到防斜和纠斜的效果。

因此，钟摆钻具是在直井段钻进中广泛使用的，而且在普通的地层里，其防斜效果非常明显，但在一些倾角较大的地层，其防斜能力较差，往往不能提高机械钻速，而且井斜得不到控制。

为提高钻具结构的防斜及纠斜效果，并提高机械钻速，根据动力钻具自身的特点，利用动力钻具的高转速带动钻头高速转动。

实践证明利用此钻具组合，不用再采取小钻压吊打，不仅很好的控制了井斜也大幅度的提高了机械钻速，缩短了钻井周期，取得了较好的经济效果。

1 钻井现状1.1 井身轨迹的严格要求随着大部分油田开发进入中后期，越来越多的采用大斜度定向井、大位移井来加密开发剩余油气藏，这就对井身质量提出了越来越高的要求，靶区半径由原来的50-70m，缩小到了现在的20m，15m，甚至要求在10m半径范围内，而且对井身轨迹提出了更高的要求，限制直井段井眼轨迹的位移，这是为了与老井眼进行防碰，也是为了将来能够有足够的空间布置新井位。

1.2 地质条件的限制在普通地层，采用钟摆钻具，可以很好地控制井斜，使井身轨迹达到设计要求。

但是在深井、大倾角地层及易增斜地层，采用常规钻具钻进，虽然采取小钻压吊打的方式，但往往很难起到控制井斜及轨迹走向的目的，更是严重制约了钻井速度，得不到很好的经济效益。

造斜率原则分析的详细介绍从理论上看，根据“造斜率原则”，由井身设计的造斜率K值即可确定工具的实际造斜率KTa值，用户可不必过分苛求所选钻具的具体结构型式。

但现场上，为了满足钻井工艺的要求，螺杆钻具结构参数（结构弯角类型、结构弯角位置与大小、扶正器类型、扶正器尺寸与位置）的合理确定确实是一个协调矛盾、逐步调整寻优的过程。

主要建议性原则概括如下：(1)用于小馥率井段和水平段钻进的导向螺杆钻具可选择反向双弯双扶正器的结构形式。

下扶正器一般为近钻头扶正器，装在传动轴（万向轴）之上。

万向轴壳体为反向( DTU)，其下结构弯角A．应大于上结构弯角A：，二者间常用的关系为λ2＝－1／2λ 2 工具面是由下结构弯角确定的，根据大小变化有不同的规格，A，增大将导致K值增大。

(2)用于小曲率和中曲率半径井段的中、下段[K= (00 -13。

)/30m]的导向螺杆钻具的基本型式一般为单弯壳体加扶正器的结构型式。

扶正器为装在传动轴壳体上的近钻头扶正器，上扶正器为装在钻具旁通阀之上的钻柱扶正器（是否加扶正器可依现场控制需要考虑，若不加上扶正器会使造斜率略有增加，但会降低工具面的稳定性）。

单弯壳体确定了工具面，调整弯点位置可影响造斜率的大小。

(3)用于中曲率井段的上段(K =13°- 20°/30m)的导向螺杆钻具的结构型式主要是同向双弯( FAB)的结构形式。

这种类型的螺杆钻具组合是由一个较大角度的单弯壳体（带有下结构弯角Ai）和装在旁通阀之上的同向共面接头（带有上结构弯角λ2）构成，λ1和λ2必须同向且严格共面，否则将造成工具的力学特性紊乱，λ1对造斜率的影响大于λ2。

同向双弯螺杆钻具都不加扶正器，需进一步增大造斜率时，可考虑加垫块，位置可在下弯点附近。

(4)弯壳体的弯点位置对于工具的造斜率、钻头的偏移量和钻具的强度均有影响。

弯点位置下移可显著增加造斜率和减小钻头偏移量，而减小偏移量有利于降低钻具下井的难度和减小导向钻进时的井眼扩大量。

螺杆钻具控制井斜的理论分析与应用研究在实现井斜控制目标的同时，如何提高钻进速度是钻井工作者长期以来十分关心的问题。

本文提出了利用单弯螺杆钻具来控制井斜的钻具组合结构，单弯螺杆钻具组合可以在低钻压下获得较高的转速，不但有利于控制井斜也有利于提高机械钻速。

由于结构弯角的存在，使其能够有更强的防斜、纠斜能力，与传统的钟摆螺杆钻具组合相比控制井斜更加有效。

本文对转盘与螺杆钻具联合钻进时的防斜打快机理进行了分析，从理论上证明了利用螺杆钻具配合PDC钻头进行防斜打快的技术思路。

采用有限单元分析方法，建立了螺杆钻具控制井斜的力学模型，为定量分析螺杆钻具控制井斜的特性提供了技术支持。

对单弯螺杆防斜钻具组合分析表明：稳定器安放位置距钻头越远钻头侧向力越大；钻压对钻头侧向力影响不明显；弯角和肘点位置对钻头侧向力有明显的影响，这对专用防斜螺杆钻具的设计改进提供了理论依据；单弯螺杆钻具组合在井斜角较大时显示出了强的纠斜能力。

为了指导单弯螺杆钻具的安全使用，本文还对单弯防斜螺杆钻具的应力状态进行了分析，分析表明在目前的钻具结构和施工参数条件下，螺杆钻具的使用是安全的。

本文提出的螺杆钻具防斜打快技术在新疆油田易斜地区：高陡构造百54井区13051井、断层带八区T80268井，T80276井，山前构造卡因迪克地区K1000井，K1001井、东湾背斜东湾1井进行了成功应用。

实践表明，这种防斜打快的新方法值得推广应用。

偏心垫块对螺杆钻具造斜能力影响的预测方法
偏心垫块是一种应用于螺杆钻具的调节工具，其作用是调整钻具的偏心度，从而实现钻井过程中的造斜目的。

而偏心度的大小，又直接影响了钻井的效率和质量。

因此，预测偏心垫块对螺杆钻具的造斜能力影响，对于提高钻井工作效率和质量具有重要意义。

在预测偏心垫块对螺杆钻具造斜能力影响之前，我们需要了解以下几个基本概念：
1.偏心度：指钻具轴线与井眼轴线之间的距离差，也就是钻具的离心程度。

2.造斜能力：指钻具在钻井过程中能够产生的非直井段的能力，也称为“造斜率”。

3.偏心垫块：是一种圆形垫块，其厚度不等，用于调节钻具的偏心度。

有了以上基本概念的了解，我们可以进一步探讨偏心垫块对螺杆钻具造斜能力的影响。

偏心垫块的厚度会影响到钻具的偏心度大小。

当偏心垫块的厚度增加时，钻具的偏心度也会随之增加，因为偏心垫块的厚度越大，离钻具中心轴线越远，造成的偏心度也就越大。

偏心垫块的位置也会影响到钻具的偏心度大小。

当偏心垫块位置靠近钻头时，钻具的偏心度也会随之增加。

因为偏心垫块距离钻头越近，其对钻具偏心度的影响也就越大。

钻具的转速和进给速度也会影响到偏心垫块对造斜能力的影响。

当钻具转速和进给速度增加时，钻具的造斜能力也会增强。

因为，在高速旋转和高速进给的情况下，偏心垫块产生的离心力更强，对钻具造斜能力的影响也就更大。

预测偏心垫块对螺杆钻具造斜能力影响的方法，需要考虑偏心垫块的厚度、位置以及钻具的转速和进给速度等因素。

通过科学的分析和实验，可以得到偏心垫块在不同条件下对钻具造斜能力的影响规律，从而为钻井工作的优化提供理论支持和实践指导。

（1）弯接头带动力钻具——造斜钻具目前，最常用的造斜钻具组合是采用弯接头和井下动力钻具组合进行定向造斜或扭方位施工。

这种造斜钻具组合是利用弯接头使下部钻具产生一个弹性力矩，迫使井下动力钻具（螺杆钻具或涡轮）驱动钻头侧向切削，使钻出的新井眼偏离原井眼轴线，达到定向造斜或扭方位的目的。

造斜钻具的造斜能力与弯接头的弯曲角和弯接头上边的钻铤刚性大小有关。

弯接头的弯曲角越大，弯接头上边的钻铤刚性越强则造斜钻具的造斜能力也越强，造斜率也越高。

弯接头的弯曲角应根据井眼大小，井下动力钻具的规格和要求的造斜率的大小选择。

现场常用弯接头的角度为1°～ 2.5°，一般不大于3°弯接头在不同条件下的造斜率见表10—4。

造斜钻具组合使用的井下动力钻具型号应根据造斜井段或扭方位井段的井深选择。

使用井段在1000m以内，一般采用涡轮钻具或螺杆钻具，深层定向造斜或扭方位应使用耐高温的井下马达。

造斜钻具组合、钻井参数设计和钻头水眼应根据厂家推荐的钻井参数设计。

由于井下动力钻具的转速高，要求的钻压小（一般3～8t），因此，使用的钻头不宜采用密封轴承钻头，尤其是在浅层，可钻性好的软地层应使用铣齿滚动轴承钻头或合适的复合片PDC钻头。

（2）增斜钻具增斜钻具组合一般采用双稳定器钻具组合。

增斜钻具是利用杠杆原理设计的。

它有一个近钻头足尺寸稳定器作为支点，第二个稳定器与近钻头稳定器之间的距离应根据两稳定器之间钻铤的刚性（尺寸）大小和要求的增斜率大小确定。

一般20～30m。

两稳定器之间的钻键在钻压作用下，产生向下的弯曲变形，使钻头产生斜向力，井斜角随着井眼的加深而增大。

增斜钻具组合应用的钻井参数应根据下部钻具的规格，两稳定器之间的距离和要求的增斜率进行设计。

（3）微增斜钻具微增斜钻具组合在井下的受力情况和增斜钻具相同。

主要是通过减小近钻头稳定器与2号稳定器的距离或减小近钻头稳定器的外径尺寸（磨损的稳定器），减小钻具的造斜能力。