不倒翁式偏心防斜钻具的设计
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２００６年第３４卷第８期 石油机械 ＣＨＩＮＡ ＰＥＴＲ０Ｉ ＵＭ ＭＡＣＨＩＮＥＲＹ ●设计计算
不倒翁式偏心防斜钻具的设计
宋执武 高德利 （中国石油大学（北京）石油天然气工程学院） 摘要 目前所使用的各种钻具主要是靠钻具本身的重力来产生降斜力，在井斜角很小时，降 斜力一般很小，在某些区块钻井时不能满足防斜要求。据此，设计了一种不倒翁式偏心防斜钻具。 该钻具有ｌ段钻铤，钻铤的两端各有１个偏心稳定器，钻铤外表面有一半圆形的偏心块，在钻铤 和偏心块之间有轴承结构。利用不倒翁原理，当井斜超过一定值时，偏心块会在重力作用下自动 停留在井眼低边，这样就可以将此处的钻柱顶到井眼的高边上去，从而产生一个很大的降斜力， 使井斜得以有效控制。
关键词底部钻具组合不倒翁式偏心防斜钻具参数设计
钻井是石油天然气等地下资源勘探开发的基本 手段，直井防斜钻直是钻井现场经常碰到的技术难 题之一。在钻直井时，如果井斜过大，会使井眼偏 离地下设计目标，打乱油气田开发的布局。在斜井 内，钻柱易靠在井壁一侧，旋转时发生严重摩擦， 使钻柱磨损和折断，也可能造成井壁坍塌及键槽卡 钻等事故。井斜超标也会影响固井质量，井斜过大 会直接影响井下的分层开采和注水工作的正常进 行，也常引起油管和抽油杆的磨损和折断。所以， 井斜超标对油气田的勘探与开发都有很大危害。而 目前所使用的钻具 “Ｊ，包括钟摆钻具、塔式钻 具、满眼钻具、偏轴钻具等主要靠钻柱本身的重力 来产生降斜力，在井斜角很小时，降斜力一般很 小，在有些区块钻井时不能满足防斜的要求。２００２ 年中国石油大学（北京）开始研制不倒翁式偏心 防斜钻具，试验证明这种钻具在原理上是可行的， 可以自动防止井眼的偏斜。
技 术 分 析
１．结构 图１为不倒翁式偏心防斜钻具的结构示意图。 从图中可知，此钻具利用不倒翁原理，将一个半圆 柱形的偏心块通过轴承挂在钻铤外表面上。在偏心 块的两边各有１个偏心稳定器，这２个偏心稳定器 的偏心量大于偏心块的偏心量。２个偏心稳定器的 偏心量大小最好相同，偏心方向也最好相同。偏心 稳定器的偏心量比偏心块的偏心量要大，这样就可 以保证在钻柱旋转１周的过程中，某一段角度内偏 心块会被两边的偏心稳定器抬离井壁，从而使其能 够自由地转动。 １ ２ ３ ４ ５
图１ 不倒翁式偏心防斜钻具结构示意图 １一上偏心稳定器；２—钻铤；３一轴 承；４—偏心块；５－－下偏心稳定器 ２．工作机理 在钻直井时，如果井眼在钻进过程中不发生偏 斜，偏心稳定器以及钻铤都通过螺纹连接成一体， 它们将随钻柱同步转动，偏心块由于摩擦力的作用 也会慢慢地转动。当井眼发生偏斜并且偏斜达到一 定程度时，偏心块的重力分量大于摩擦阻力，它就 会在重力的作用下自动停留在井眼的低边，不再随 钻柱转动，这样就可以将此处的钻柱顶到井眼的高 边上去，从而产生一个很大的降斜力，使井斜得以 有效控制。应用这种不倒翁式偏心防斜钻具组合可 在常规钻压下使井斜得以有效控制，实现既能防止
本课题得到教育部“长江学者和创新团队发展计划”创新团队项目资助（批准号：ＩＲＴ０４１１）。该工具已获国家发明专利，专利号ｉ ＣＮ０３１００８２６．７。
维普资讯 http://www.cqvip.com 石油机械 ２００６年第３４卷第８期 井斜又能快速钻进的目标。
算 例
设在底部钻具组合中，钻头直径２１６ ｍｍ，钻 铤外径１５９ ｍｍ，钻头与下偏心稳定器的间距为２ ｍ，偏心块中心与２个偏心稳定器的间距为１．２ ｍ， ２个偏心稳定器的偏心量为７ ｍｍ，偏心块的偏心 量２ ｍｍ，钻井液密度１．２ ｇ／ｅｍ ，钻压１２０ ｋＮ，井 斜角２。。根据文献［５］所提供的公式，对上述钻 具组合进行计算，计算结果如图２所示。
一５ Ｚ －１０ 篓一１５ －２０ 位置／（。）
图２底部钻具组合计算结果 由计算结果可知，井斜力的形状像一个帽子， 由帽边和帽顶组成。产生这一形状的原因是：当偏 心稳定器的大头在高边时，此点的钻柱在低边，而 偏心块处的钻柱在高边，由杠杆原理知，可产生很 大的降斜力，形成帽子的边；当偏心稳定器的大头 在低边时，就将钻柱顶到了高边，由于其偏心量大 于偏心块的偏心量，所以可将偏心块顶离下井壁， 产生的井斜力形状像帽子的顶。当出现井斜时，只 要偏心块停留在井眼的低边，钻柱在帽边位置时就 会产生很大的降斜力，在帽顶位置时虽降斜力不 大，但由于这时钻柱在井眼中心的上部，会带动钻 头向下偏转，所以也有很好的降斜作用，因此可使 井眼恢复到垂直状态。当没有井斜或井斜角非常 小，偏心块的重力径向分量产生的转动力矩小于轴 承的摩擦阻力矩时，偏心块会随着钻柱慢慢转动， 这时由于井斜力平均作用在井壁的圆周上，所以不 会造斜。
技术参数及设计要点
不倒翁式偏心防斜钻具的技术参数包括偏心块 的长度和偏心量，偏心稳定器的偏心量，偏心稳定 器与钻头间的距离，偏心稳定器与偏心块间的距离 等。如何合理地设计这些参数是其能否成功的关键 技术之一。在设计过程中，需要遵从如下原则： （１）尽可能地减少系统的摩擦阻力； （２）在保证强度满足要求和制造条件允许的 情况下，尽可能增加偏心块的长度，以使其在更小 的井斜角下发挥作用； （３）在能够满足防斜要求的前提下，偏心稳 定器和偏心块的偏心量越小越好，因为偏心量越 大，此处钻柱对井壁的支反力越大，这会导致钻柱 的疲劳破坏，同时也容易出现卡钻等井下事故。 具体的设计过程要根据文献［５］所提供的公 式，对各个参数进行优选才能得到较合理的结果。
结 束 语
由算例可以看出，应用笔者所提出的不倒翁式 偏心防斜钻具，即使钻进高陡构造等严重易斜地 层，也能保证实现“防斜快钻”的理想目标。可 节省钻井时间，从而节省钻井投资，其市场应用前 景广阔。室内试验证实，不倒翁式偏心防斜钻具的 原理是正确的。但目前其结构还存在一些细节上的 问题：主要是在几千米的井下，有很高的静水压 力，转速也很高，如何保证轴承的密封，又使其摩 擦因数很小。密封包括非接触密封、接触密封和机 械密封。非接触密封的使用压力小，接触密封的摩 擦力大，而且不适合高转速，因此笔者正在致力于 机械密封方面的研究，争取早日攻克这一难题，使 其尽快在油田得到应用。 参考文献 １高宝奎，高德利．直井防斜原理综述．石油钻采工艺， １９９６，（２）：８—１３ ２殷朝阳，柏景海，何俊才．直井防斜钻具组合技术综 述．天然气工业，２０００，２０（１）：５０￣５３ ３汪海阁，苏义脑．直井防斜打快理论研究进展．石油学 报，２００４，２５（３）：８６—９０ ４赵新瑞，姜敬华，奚艳红等．井斜控制理论及防斜钻井 技术综述．钻采工艺，２０００，２３（１）：４—９ ５宋执武，高德利．底部钻具组合二维分析新方法．石油 大学学报，２００２，２６（３）：３４ ３６
第一作者简介：宋执武，生于１９７２年，２００２年毕业于 石油大学（北京），获博士学位，现从事管柱力学和石油 机械方面的研究。地址：（１０２２４９）北京市昌平区府学路。 电话：（０１０）８９７３３７０２（Ｏ）或６９７０６６９４（Ｈ）。Ｅ—ｍａｉｌ： ｓｏｎｇｚｈｉｗｕ＠ｓｉｎａ￣ｃｏｍｏ 收稿日期：２００６—０２—２８ （本文编辑赵连禄）
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