造斜工具及原理ppt课件.ppt

定向井轨迹控制原理和计算,2008年11月,主讲人：蒋元全长庆培训中心,第三讲 定向井轨迹控制原理和计算 定向井轨迹控制，是用一定的造斜工具，根据设计轨道的要求，不断地控制钻头前进方向，形成实钻井眼轨迹，最终钻达设计预定的目标。定向井轨迹控制是定向钻井施工最基本的作业内容，是定向钻井最核心也是最重要的技术。,第一节 造斜工具及其造斜原理 看到“造斜工具”这个术语，切不可望文生义，不可简单地理解为只是从没有井斜的垂直井眼造出井斜的工具，也不可理解为只是改变井斜角的工具。准确地说，造斜工具是指能够改变井眼方向的工具。,如前所述，井眼方向可以用井斜角和井斜方位角表示。所以，造斜工具应该是指既能改变井斜角，又能改变井斜方位角的工具。代表工具造斜能力的造斜率，就等于用该工具钻出的井眼的曲率。 造斜工具的造斜原理，是根据井眼方向变化原理设计的。下面首先研究井眼方向变化的原理,一、井眼方向变化的原理 井眼方向发生变化的基本原理有两种：一是钻头对井底的不对称切削，二是钻头对井壁的侧向切削。 1钻头对井底的不对称切削如图311所示，在钻进时，如果钻头一侧切削速度快，一侧切削速度慢，则井眼方向就会改变，向着切削速度慢的一侧弯曲。,导致钻头不对称切削的原因可以归纳为3类：钻头、钻柱和地层。 (1)钻头原因：钻头破碎井底岩石的能力一侧强、一侧弱。例如偏喷嘴钻头就是这个原理。 (2)钻柱原因：靠近钻头的钻柱发生弯曲或倾斜，使钻头轴线与井眼轴线偏离，从而导致钻头对井底的不对称切削。钻柱弯曲或倾斜主要取决于造斜工具的结构和有关钻进参数。,(3)地层原因：井底地层的可钻性不均匀，一侧容易破碎，另一侧不容易破碎，导致不对称切削。引起井底地层可钻性不均匀的原因很多，主要包括：地层的倾斜，地层可钻性的各向异性，可钻性在垂向、横向的变化，地层中裂缝、孔洞的存在等。地层因素是客观因素，在使用造斜工具时要考虑地层因素对造斜工具造斜能力的影响,2钻头对井壁的侧向切削 钻头发生侧向切削的根本原因在于作用在钻头上有一个侧向力。当然，钻头还要具有侧向切削的能力(如图312)。在侧向切削和轴向切削的联合作用下，钻头前进的方向发生了变化，向着钻头侧向力的方向弯曲。,二、造斜工具的发展历程 自上世纪30年代初定向井出现以来，出现了多种形式的造斜工具，可以划分为四代，如图3l3所示。,1第一代造斜工具 最先出现的造斜工具，是适用于旋转钻井方式的斜向器。实际上是以斜向器为主，辅以射流钻头和肘节工具等。斜向器的结构如图314所示，它的主要结构是在一个圆柱体的一侧加工出的一个导斜面。导斜面是一个倾斜的不完整的圆柱面，主要结构参数是导斜面的导斜角。导斜角等于导斜面的中心线与斜向器中心线的夹角。导斜面的长度大约为45 m。,斜向器的造斜原理，是钻头对井底的不对称切削。它的造斜过程(如图315)分为3步：下入并安置斜向器；加钻压剪断销钉，沿导斜面钻出一个行程长度的小井眼；起出斜向器，更换扩眼钻头扩眼。若需要继续造斜，则再重复上述3步。,2第二代造斜工具 第二代造斜工具的主流工具是弯接头+井底动力钻具，同时还有弯钻杆+井底动力钻具及带垫块的动力钻具等。 弯接头+井底动力钻具出现于上世纪40年代，其结构和造斜原理如图316所示。开始用的动力钻具是涡轮钻具，之后又出现了螺杆钻具。此类造斜工具主要的结构参数是弯接头的弯曲角和动力钻具的长度LT。,此类造斜工具由于受井眼的约束，弯接头以上钻具出现弹性变形，在钻头处产生侧向力，对井壁进行侧向切削。同时，由于钻头中心线偏离井眼轴线，产生对井底的不对称切削。钻头对井壁的侧向切削可以看做是“力学因素”；钻头对井底的不对称切削可以看做是“几何因素”。对于弯接头+井底动力钻具来说，力学因素是主要的，几何因素是次要的。,第二代造斜工具用于井下动力钻具钻井方式，可以连续造斜钻进，所钻出的井眼轴线乃是连续曲线，造斜能力和造斜效率都大大提高，因而可以钻出小、中、大斜度定向井，甚至可以钻出水平井。20世纪5060年代，我国和前苏联钻的水平井就是采用此类造斜工具钻出的。第二代造斜工具出现的同时，还出现了罗盘照相测量仪器和无磁钻铤，可以在下钻后进行井底定向，极大地促进了定向钻井技术的发展，特别是丛式井的广泛应用。,3第三代造斜工具 第三代造斜工具的主要代表是弯外壳螺杆钻具，出现于上世纪70年代，其结构如图317所示。自左至右为：单弯、柔性单弯、带垫块的单弯、同向双弯、反向双弯。同时出现的还有铰接螺杆钻具等。,弯外壳螺杆钻具的出现，是井下动力钻具的设计、制造技术的突破。因为外壳的弯曲要求螺杆轴线也要弯曲，弯曲处需要使用万向节连接。第三代造斜工具的核心技术是把弯曲点从弯接头上移到螺杆钻具的外壳上。这一“移动”看似简单，却是具有划时代意义的重大技术革命。,首先，这一移动使弯曲点到钻头的距离大大缩短，从而使造斜能力大大提高。过去使用弯接头+动力钻具，弯曲点到钻头的距离约为10 m，最大造斜率不超过530m。弯外壳螺杆钻具的弯曲点距离钻头可以小到12 m，造斜率可以达到3030m。对于水平井来说，弯曲井段可以大大缩短，钻柱摩阻力大大减小。,更重要的是，弯曲点距离钻头近了，在弯曲角相等的情况下，钻头偏离井眼中心的距离会大大减小。这就使弯外壳螺杆钻具受井眼的约束较小，在结构和弯角合适的情况下，弯外壳螺杆钻具有可能旋转起来。这种可以旋转的弯外壳螺杆钻具被称为导向螺杆钻具，俗称“导向马达”。单弯和反向双弯螺杆钻具就是目前用得最多的导向马达。,导向马达具有两种钻进方式：滑动钻进方式和旋转钻进方式。在滑动钻进方式下，可以改变井眼方向，钻出增斜井段、降斜井段，可以扭方位。在旋转钻进方式下，可以不改变井眼方向，钻出稳斜井段。而且，把两种钻进方式进行恰当组合，一套造斜工具还可以钻出不同曲率的井眼来。,从造斜原理来说，弯外壳螺杆钻具既有对井壁的侧向切削，也有对井底的不对称切削。前者是力学因素，后者是几何因素。与弯接头+井底动力钻具有所区别，对于弯外壳螺杆钻具的造斜，几何因素是主要的，力学因素是次要的。所以，有人根据几何因素采用“几何定圆法”计算弯外壳螺杆钻具的造斜率。,具有这样特点的导向马达，配合以MWD随钻监测井眼轨迹参数，再配合以高效能的钻头，在一次下钻后，可以完成增斜、降斜、扭方位、稳斜等各种轨迹控制任务。只要钻头不坏，就可以不更换造斜工具而继续钻进。,弯外壳螺杆钻具不仅造斜率很高，而且钻进效率比弯接头+动力钻具要高得多。人们把这种钻井方式称为“导向钻井”，把导向马达+MWD+高效能钻头组成的钻具组合称为“导向钻井系统”。由于这种导向钻井系统改变井眼方向要靠滑动钻进方式，所以称为“滑动导向钻井系统”。 滑动导向钻井系统的出现，导致了现代水平井和大位移井等新技术的诞生和发展。,4第四代造斜工具 第四代造斜工具是上世纪末出现的。由于结构复杂，而且从诞生开始就与MWD和高效能钻头相结合，以旋转导向钻井系统的形式出现，所以第四代造斜工具不能简单地用某个“工具”来命名，而是称为“旋转导向钻井系统”。 旋转导向钻井系统的出现，在于克服滑动导向钻井的缺点。滑动导向钻井存在的主要缺点有：,(1)在滑动钻进方式下，钻柱不旋转，钻柱与井壁的摩阻力完全在钻柱轴向，导致钻柱屈曲甚至自锁，送钻困难，加不上钻压，钻速很低，容易出现粘卡。动力钻具反扭角严重干扰工具面角的稳定，形成井眼扭曲。,(2)在旋转钻进方式下，弯曲外壳旋转会造成井眼扩大，加快钻头磨损。 正是由于这些缺点，1997年使用滑动导向钻井系统钻大位移井的最大水平位移只有8000m多点。正是由于旋转导向钻井系统的出现，1998年大位移井的最大水平位移很快超过了10000m，显示了巨大的优越性。,按照造斜原理划分，旋转导向钻井系统有两大类：一类称为“侧推钻头式(pushthe bit or bias the bit)”，一类称为“指引钻头式(point the bit)”。,侧推钻头式，以PowerDrive工具为例。侧推总成上有3个支撑块，间隔120分布，随着钻柱旋转而旋转。侧推总成内有一个不旋转的静控阀，控制钻井液的流出方向。该方向由控制总成根据井眼方向变化的需要确定。,每个支撑块平时是缩回状态。只有当旋转到与静控阀的液流方向一致时，在液流压力作用下，支撑块才伸出，给井壁以支撑力；其反作用力把钻头推向井眼的另一侧，造成侧向切削井壁，从而改变井眼方向。如图318所示。,指引钻头式，以AGS工具为例，如图319和3110所示。在靠近钻头处有一个非旋转套筒，内有两个偏心环，外偏心环和内偏心环。在钻进过程中，偏心环和非旋转套筒都不旋转。驱动钻头旋转的旋转轴在内、外偏心环的不同组合下，可以偏向井壁的任何给定方向。它像船舶的“舵”一样，为钻头指引方向。,钻头偏斜方向和偏转角度依靠井下控制总成改变内、外偏心环的不同转动角度调整，造斜率的大小则依靠钻头轴线偏离角度的大小调整。,三、造斜率、工具面与工具面角 1造斜率 造斜工具最重要的性能，是它的造斜能力。表达造斜能力的参数是造斜率。各种造斜工具，由于结构的不同和造斜原理的差别，造斜率大小有很大差别。 造斜率是轨迹控制的有关计算中最重要的一个依据参数。,怎样知道造斜工具的造斜率呢?前面已经讲过，斜向器的造斜率主要取决于斜向器的几何结构因素，可以直接用式(311)进行计算。除斜向器外，其他所有造斜工具的造斜率计算则都是非常困难的。这是因为这些工具的造斜率不仅与工具的几何结构有关，而且与工具下井后的受力和变形条件有关，还与钻头切削能力的各向异性和地层可钻性的各向异性有关。,许多学者对造斜率进行了研究，提出了计算方法，给出了计算公式，编写了计算软件等。应该说，这些计算公式和软件，大体上预测造斜率是可以的，因为在工具下井前，也需要大体上知道造斜率有多大，但是要准确计算是不可能的。,由于工具造斜率等于用该工具钻出的井眼的曲率，所以，在工程上可以通过钻后实测井眼曲率求得工具的造斜率。某种造斜工具，经过在某地层的多次使用，积累数据和经验，可以更准确地掌握其造斜率。 在轨迹控制有关计算中，工具的造斜率是按照已知量处理的。,2工具面 各种造斜工具的结构可以说是千差万别，其造斜原理也各有不同，但它们都有一个共同的特点，就是都具有一个工具面，如图3111所示。,斜向器的工具面，即斜向器本体轴线与导斜面的中心线构成的平面。 对弯接头+井底动力钻具来说，弯接头的轴线与动力钻具的轴线构成的平面就是它的工具面。对弯外壳螺杆钻具来说，工具面是指弯曲点上、下钻具的轴线构成的平面。,对侧推钻头式的旋转导向造斜工具来说，工具面是指工具的中心线与支撑块伸出方向线构成的平面。对指引钻头式的旋转导向造斜工具来说，工具面是指工具的中心线与钻头中心线构成的平面。 综上所述，我们看到所有造斜工具的工具面有一个共同的特点：都是一个直角三角形。为了叙述方便，将不再特指某种造斜工具，而是将造斜工具“抽象化”，如图3112所示。,工具面三角形的一个直角边是工具的中心线；另一个直角边是钻头相对于井眼轴线的偏离方向线，或是作用于钻头的侧向力方向线。我们把这个方向线称为“工具面向线”。根据图3112中的工具面三角形，工具面向线也可以定义为：处在工具面上、垂直于工具中心线、指向离开工具中心线的有向线段。,需要说明的是，在英文中只有tool face这个术语，可以直译为“工具面向”，即工具的面对方向。英文中没有与“工具面”和“工具面向线”对应的术语。这两个术语是我们为了讲清楚有关概念而提出来的。 工具面向是一个非常重要的概念。如果以工具中心线为轴，转动工具面向，就可以使造斜工具向不同的方位造斜。,3工具面角 工具面角，英文称为tool face angle，是用角度具体描述“工具面向”的方向的术语。 工具面角有两种模式表示，一种称为“磁北模式(Inagnetic north mode)”，一种称为“高边模式(high side mode)”。为了讲清楚这两种模式，我们先介绍造斜工具在垂直井眼中的状况，如图3113所示。,在垂直井眼中，井底圆与水平面平行，所以工具面向线处在水平面上，工具面向线的方向可以用地理方位表示。按照我们在第一讲中的定义，地理方位角是以正北方位线为基准，顺时针转过的角度，即图中的f角。由于测量中通常使用磁性测量仪，所以用磁北方位代替正北方位。显然，在垂直井眼中，表达工具面向的角度f ，即为磁北模式的工具面角。f的变化范围为0360。,现在来看倾斜井眼。如图3114所示，在倾斜井眼中，井底圆是倾斜的，在井底圆上不能准确地表示地理方位，不能使用磁北模式工具面角表达工具面向。在这种情况下，需要采用高边模式的工具面角表达。,倾斜的井底圆有一个最高点，有一个最低点。自井底圆圆心指向最高点的方向线，称为高边方向；指向最低点的方向线，称为低边方向。显然，如果把高边方向线投影到水平面上，就会与井底的井斜方位线完全重合。,在井底圆平面上，以高边方向线为基准，顺时针旋转到工具面向线所转过的角度，被称为“高边模式的工具面角”，即图中所示的角。高边模式的工具面角以高边方向为0，低边方向为180，变化范围为0360。,由于工具面与井底圆的交线，正好与工具面向线重合，所以高边模式的工具面角也可以定义为：以高边方向线为基准，顺时针旋转到工具面与井底圆的交线所转过的角度。 关于高边模式的工具面角，还可以有其他定义。所有这些定义都是指的同一个角度，只是说法不同而已。,在倾斜井眼中，并非只用高边模式表示工具面角。当井斜角很小时，高边方向不是很清晰，此时可以使用磁北模式。倾斜井眼中磁北模式的工具面角可以定义为：以磁北方位线为基准，顺时针旋转到工具面向线在水平面上的投影线上所转过的角度。 在倾斜井眼中使用磁北模式会有一定误差，但当井斜角很小时误差可以忽略。,关于工具面角，还有一个术语装置角。这是我国在20世纪5070年代使用过的术语，目前还有少数人使用。装置角与高边模式的工具面角具有相同的概念。由于前者比后者称呼起来要简单得多，所以本书在多数场合使用“装置角”一词。 使用任何一种造斜工具，钻出来的井眼形状最终取决于两个因素：一是该造斜工具的造斜率，二是该工具在钻进时的实际工具面角。,四、转盘钻扶正器钻具组合 钻头之上约4050m长的钻柱，称为“下部钻柱”。在下部钻柱上安置某种钻具，构成“下部钻具组合”，也称为底部钻具组合。在转盘钻(或顶驱钻)的情况下，如果下部钻具组合安置的是扶正器，则构成扶正器钻具组合。扶正器钻具组合的性能取决于扶正器的数量、位置和直径。,扶正器钻具组合没有改变井斜方位的能力，只能在井眼已经具有一定井斜之后，或者稳斜，或者增斜，或者降斜。所以，一般来说，扶正器钻具组合不属于造斜工具，但它可以配合造斜工具完成一口井的轨迹控制任务，特别是转盘钻的钻进速度远远大于使用动力钻具时的滑动钻进方式。所以在使用第二代造斜工具造斜时，扶正器钻具组合的配合使用是非常重要的。,扶正器钻具组合，按照结构划分，有单扶正器组合和多扶正器组合两类；按照性能划分，有增斜组合、降斜组合和稳斜组合3类。无论是单扶正器组合，还是多扶正器组合，都可以得到增斜、降斜和稳斜3种性能。,1单扶正器组合 单扶正器组合，简称单扶组合，只有一个扶正器，如图3115所示。由于扶正器以下钻柱的变形，钻头轴线与井眼轴线偏离一定角度。 扶正器上部钻柱的重力沿钻柱轴线传递到钻头上，称为钻压P,钻压P可分解为P。和Fi，两部分。,扶正器以下钻柱的长度为L，其重力W在钻柱轴线方向的分量为Pa，构成钻压的一部分。W在垂直钻柱轴线上的分量Fa，称为“钟摆力”，使钻头上产生降斜力Fb。 扶正器以上未接触井壁的钻柱的重力，将在扶正器处产生一个弯矩Mc，在钻头处形成侧向力Fc。,除了上述作用力以外，考虑到地层可钻性的各向异性，钻头与地层相互作用的结果，相当于在钻头上作用一个地层侧向力Ff。地层侧向力可能是增斜力，也可能是降斜力。图3115中是按照增斜力为正表示的。,作用在钻头上的所有力的总合力为Q，总合力与井眼轴线的夹角为。我们还知道钻头偏离井眼轴线的角度是。可看成力学因素，则代表几何因素。钻头最终前进的方向将取决于这两个因素，即处在P和Q两个力的作用方向之间。,根据上述分析，可得到一个定性分析单扶组合的关系式：,显然，单扶组合的性能取决于的正负和大小。从式(313)可以看出，在钻柱钻压、井斜角和地层因素一定的条件下，单扶组合的性能主要取决于扶正器到钻头的距离L。,图3116所示为3种常见的单扶组合。组合A利用了第一杠杆原理，称为增斜组合；组合B利用了第二杠杆原理，称为降斜组合；组合C的性能处在组合A和B之间，可能是微增组合，也可能是微降组合，亦可能是稳斜组合。,单扶组合的侧向力随扶正器位置的变化关系如图3117所示。,2多扶正器组合 多扶正器组合，简称多扶组合。既然单扶组合已经具有增斜、降斜、稳斜3种功能，为什么还要多扶正器组合呢?这是因为： (1)单扶组合只有一个扶正器，下部钻柱可能大段与井壁接触，产生粘附卡钻或压差卡钻的可能性较大，而多扶组合可大大减小下部钻柱与井壁的接触。,(2)用单扶增斜或单扶降斜组合钻出的弯曲井眼，如果再下入多扶组合(例如多扶稳斜组合)，则容易出现阻卡现象。这种现象称为钻柱与井眼的相容性问题。使用多扶增、降组合，则容易下入其他多扶组合。 (3)单扶组合性能的稳定性较差。,基于以上原因，实际使用的扶正器组合，主要是多扶组合。 多扶组合的受力分析要复杂得多。国内外学者对此进行了大量研究，运用数学、力学和计算机工具，提出了多种计算方法，编写了相应的计算机软件。本书仅根据现场常用的多扶组合的结构，定性地介绍其性能。,1)多扶增斜组合 常用的多扶增斜组合有5种，如图3118所示。 组合A，称为标准多扶增斜组合。就增斜能力而言，组合B小于组合A；组合C则小于组合B；组合D大于组合A；组合E则大于组合D。 在组合结构一定的情况下，钻压的变化对增斜组合性能的影响不显著，但井斜角的影响较大。随着井斜角的增大，增斜率也将增大。,在软地层中，地层可钻性的各向异性影响很小，增斜率主要取决于组合的结构因素。软地层容易出现井眼扩大，导致增斜率下降。在中硬地层中，地层可钻性的各向异性影响很大，使用中要注意掌握地层造斜规律。在硬地层中，钻头和扶正器直径容易磨小，将导致增斜能力下降。所以，既要使用侧向切削能力较大的钻头，还要注意钻头和扶正器直径的变化。,2)多扶稳斜组合 常见的多扶稳斜组合有4种，如图3119所示。组合A被称为标准稳斜组合。在组合A的基础上，再增加一个或两个扶正器，构成组合B，其稳斜能力比组合A更强。在组合A的基础上，适当增大第一、第二扶正器之间的距离，构成组合C，可以使稳斜能力比组合A减小。,在组合B的基础上，把第一、第二两个单扶正器换成“双联扶正器”，构成组合D。这是稳斜能力最强的多扶稳斜组合。但这种组合刚性很大，容易出现阻卡，要谨慎使用。,稳斜比增斜、降斜都要困难，常常出现“稳不住”的现象。这是因为稳斜的影响因素最多。地层可钻性的各向异性及其变化、井眼的扩大、扶正器(特别是近钻头扶正器)直径的磨小，都可能使稳斜组合变成降斜组合。在稳斜难度较大的井段，为了保证稳斜效果，常常使用“微增组合”代替稳斜组合。保持足够的钻压和较高转速，也是保证稳斜效果的重要措施。,3)多扶降斜组合 常见的多扶降斜组合有4种，如图3120所示。 组合A被称为标准降斜组合。组合B是在组合A的基础上，适当减小钻头到第1个扶正器之间的距离，可以使降斜能力减小。组合C是在组合A的基础上，在靠近钻头处增加一个“欠尺寸扶正器”(比正常扶正器直径小)，也可以使降斜能力减小。组合D是在组合A的基础上，把靠近钻头的一根钻铤换成直径较小的钻铤(或钻杆，或加重钻杆)，可以使降斜能力增大。,在软地层中，钻头侧向力容易发挥作用，井径也容易扩大，所以地层越软，越容易降斜；反之，地层越硬，降斜难度越大。 钻进参数和钻进速度对降斜效果有显著影响。较小的钻压、较低的转速及控制钻进速度，都可以提高降斜效果。,五、动力钻具反扭角 第二、第三代造斜工具都要使用井底动力钻具。井底动力钻具在启动以后，动力钻具的外壳将反时针方向扭转一个角度，称为动力钻具反扭角。反扭角将会使造斜工具的工具面角发生很大变化，严重干扰对井眼轨迹的控制。,最令钻井工作者头疼的是反扭角不可能准确地计算出来。由于反扭角的影响，在MWD出现之前，始终做不到准确地控制井眼轨迹。在使用了MWD之后，由于反扭角的影响，也不可能随心所欲地钻出预想的井眼曲线。,如图3121所示，在钻具启动以后，钻井液流过动力钻具，给转子以顺时针方向的扭矩，驱动转子顺时针旋转，从而带动钻头顺时针旋转。与此同时，液流也给动力钻具的定子一个反扭矩。而定子与动力钻具的外壳是作成一体的，所以反扭矩加在动力钻具的外壳上，驱动外壳反时针旋转。,但由于外壳与钻柱相连接，而钻柱顶端又被转盘锁住，不允许旋转，所以外壳反时针扭转一定角度之后，其反扭矩就被钻柱的弹性变形扭矩所平衡，静止在某个角度上。这个角度就是动力钻具的反扭角。,显然，反扭角将使造斜工具的工具面反时针方向扭转一个角度。如果反扭角能够准确计算，我们只要在给造斜工具定向时考虑反扭角的影响，仍可以确保工具面准确地位于我们预想的位置。但是，反扭角受到很多因素的影响，很难准确计算。,1动力钻具扭矩的影响 由于反扭矩与扭矩大小相等、方向相反，所以动力钻具的扭矩越大，反扭角就越大。反扭角与扭矩成正比关系。动力钻具的扭矩大小受到很多因素的影响。,(1)动力钻具的类型(涡轮钻具、螺杆钻具)、直径、长度、定子和转子的结构(叶片形状、级数、头数等)不同，其扭矩大小将有很大差别。 (2)动力钻具的扭矩与钻井液流量的平方成正比。所以，钻井液流量的变化，将使扭矩发生很大变化。,(3)钻压与地层因素的影响。这两个因素决定了破碎岩石需要的扭矩，这正是动力钻具付出的扭矩。显然，钻压和地层的变化也必然导至动力钻具扭矩的显著变化。 后两条影响因素决定了动力钻具反扭矩角是一个随时变化的值，所以反扭角也是一个随时变化的值,2钻柱结构和钢材性能的影响 反扭角与钻柱长度成正比，与钻柱断面的极截面惯性矩(扭转惯性矩)成反比，与钻柱钢材的弹性模量成反比。 在钻柱下井之后，钻柱结构和钢材性能是确定的，是容易计算的。,3钻柱与井壁摩阻的影响 定向井中，钻柱与井壁接触，接触面上有正压力。正压力乘以摩阻系数即为摩阻力。摩阻力乘以钻柱半径即为摩阻扭矩。反扭矩使钻柱反时针方向扭转，而摩阻扭矩将阻止这个扭转，使反扭角减小。,如果钻柱很长，摩阻扭矩大于反扭矩，则在钻柱上将出现一个临界点。在该点以上，钻柱将不扭转，反扭角将稳定在某个值上。这一点似乎是个有利条件，但实际上，在钻进过程中，钻柱的轴向滑动(送钻过程)会使周向摩阻系数减小，从而使摩阻扭矩减小，导致反扭角增大。当钻柱轴向无滑动(停止送钻)时，反扭角又会减小。所以，所谓的临界点并不稳定，而是一个上下波动的范围。,即使临界点不变化，摩阻扭矩的计算也是非常困难的。这里涉及井眼轴线的形状、井眼直径的变化、钻柱在井眼内的变形，还涉及摩阻系数的大小等，这些都是看不见、摸不着的，是难以确定的因素。,4装置角的影响 装置角就是高边模式的工具面角。装置角对反扭角的影响有一定规律性，如图3122所示。,表311所列的是Dyna钻具公司给出的反扭角经验数据。表中仅仅给出装置角等于95和265时的反扭角。当装置角等于其他值时，可根据图3122的趋势，近似采用直线插入法求得。该表中数据的使用条件如下：,根据图3122和表311，可以总结出装置角影响反扭角的规律： (1)当装置角在0180范围内时，装置角使反扭角减小。减小的量在095范围内逐渐增大，在95180范围内逐渐减小。 (2)当装置角在180360范围内时，装置角使反扭角增大。增大的量在180265范围内逐渐增大，在265360范围内逐渐减小。,(3)装置角在0 (360)和180时，对反扭角的影响最小；在大约95和大约265时，对反扭角的影响最大。 (4)在相同的井深、相同的装置角下，井斜角增大，装置角对反扭角的影响也增大。,装置角为什么会影响反扭角呢?如图3123所示，对于第二、第三代造斜工具来说，以弯曲点为界，分为以上和以下两部分。工具面是以下部分的轴线与以上部分的轴线所构成的平面。以下部分的重力偏离以上部分的轴线，从而形成一个扭矩Mx。,当装置角在O180范围之内时，如图3123右图所示，Mx是顺时针方向的，与反扭矩的方向相反，所以装置角在此范围内使反扭角减小。相反，当装置角在180360范围之内时，如图3123左图所示，Mx是反时针方向的，与反扭矩的方向相同，所以装置角在此范围内使反扭角增大。 总之，反扭角是一个随时变化的极难确定的参数，是第二、第三代造斜工具进行轨迹控制中影响最大的因素。,六、造斜工具的定向 定向是指把造斜工具的工具面安置在井下，使其装置角等于预定的装置角。定向技术是定向井轨迹控制的一项关键技术。从定向钻井技术诞生以来，定向技术经历了一个发展过程，大体上可分为3个阶段：地面定向、井底定向和随钻定向。,1地面定向法2井底定向法 井底定向法，先采用普通的下钻方法把造斜工具下到井下，然后从钻柱水眼内下入测量仪器，测量造斜工具在井下的实际装置角。如果实际装置角与设计装置角不相等，可通过扭转钻柱使之相等。然后，利用方钻杆的某个“棱”在转盘面上做个标志，此标志即为定向方位角的位置。每次接单根之后，可据此标志找回装置角的正确位置。,测量仪器在井下是如何测得装置角的呢?关键是在造斜工具上要有一个可以指示工具面方向的标记。测量仪器可以测出此标记与高边方向之间的夹角，即为装置角。 曾经使用过的工具面标记方法有3种：定向齿刀法、定向磁铁法和定向键法。,定向键法，是目前应用最为广泛的方法，可配合罗盘照相测斜仪和电子测斜仪，其结构原理如图3128所示。在弯接头内或弯外壳螺杆钻具上面的钻柱内，有一个定向键。定向键所在的母线标志着工具面的方位。测量仪器的最下端装有一个“定向鞋”，定向鞋上有一个“定向槽”。仪器下入后，定向槽正好卡在定向键上。,如果使用罗盘照相测斜仪，在罗盘盘面上有一个与定向槽对齐的“发线”。在照相底片上，发线与高边方向之间的夹角即为装置角。如果使用电子测斜仪，在下井仪器进行组合时，使3个重力加速度计中的X方向与定向槽方向一致，使3个磁通门的X方向也与定向槽方向一致，这样根据X和Y两个方向的重力加速度计测值Gx和Gy，即可求得装置角。,3随钻定向法 随钻定向法需要有随钻测量系统。系统中的测量仪器与电子测量仪的原理相同。但系统中除了测量仪器外，还有井下数据处理器，数据传输装置，地面接收、处理、存储、显示等装置。在地面上有司钻显示屏，可以随时显示出井下测量的造斜工具装置角、井斜角和井斜方位角等。,七、无磁钻铤的使用 目前使用的测量仪器，按照测量方位的原理可以分为两大类：一类是陀螺测量仪，以真北方位为基准；一类是磁性测量仪，以磁北方位为基准。陀螺测量仪由于不能经受振动，不能用于随钻测量，而仅仅用于套管内开窗和井下磁干扰特别严重时进行测量。目前广泛用于井底定向和随钻测量定向的是磁性测量仪。,由于钻柱属于铁磁材料，对磁性测量仪器有很大干扰，所以在钻柱上要使用一定长度的无磁钻铤，为磁性测量仪创造一个无磁性干扰的测量环境。 除了无磁钻铤材料的选择外，一个重要问题是无磁钻铤长度的确定。无磁钻铤长度的确定取决于测量仪器受到的磁性干扰的大小。下面我们先进行定性分析。,1影响无磁钻铤长度的因素 (1)“井铁”质量的影响。钻柱上所有铁磁物质都属于井铁。井铁质量越大、距离测量仪器越近，则对测量仪器的磁性干扰越大。如图3129所示，两种钻具组合的无磁钻铤两端都有“井铁”，但质量不一样。上端钻柱很长，井铁质量很大，两种组合基本上相同。但下端井铁质量差别较大，有动力钻具的组合，对井斜方位测量的干扰更大一些，需要的无磁钻铤长度更长一些。,(2)井斜角的影响。井铁对井斜方位测量的影响随着井斜角的增大而增大。所以，井斜角越大，需要的无磁钻铤长度越长。 (3)井斜方位角的影响。井铁对井斜方位测量的影响在不同井斜方位角下是不同的。井斜方位越靠近南北方向，井铁的影响越小；井斜方位越靠近东西方向，井铁的影响越大。,(4)地磁水平磁场强度的影响。在地球的不同纬度处，磁力线的方向不同，地磁水平磁场强度也不同。水平磁场强度越弱，井铁的影响相对就越强，就需要更长的无磁钻铤。地球上纬度越高，地磁水平磁场强度就越小，需要的无磁钻铤长度就越长。,研究者把地球表面上的地磁水平磁场强度分成3个区，如图3130所示。I区水平磁场强度最大，需要的无磁钻铤长度最短；区水平磁场强度最小，需要的无磁钻铤长度最长；区处于二者之间。,2查图法选择无磁钻铤长度 为了方便现场工作，研究者考虑将上述因素作成图表，现场技术人员可直接使用查图法选择无磁钻铤长度。查图的步骤和方法如下： (1)先根据井位在图3130中确定地磁水平磁场强度的区。由图可见，我国都处在区。,(2)在图3131中，选择使用区的图表。 (3)在使用区图表中，根据是否有井底动力钻具选择图形。 (4)根据井斜角和井斜方位角的正交点，在图中确定无磁钻铤长度和测量仪器处在无磁钻铤长度中的位置。,3测量仪器在无磁钻铤中位置的计算 在图3131中，实际上已经可以查出测量仪器在无磁钻铤长度中的位置。此位置也可以根据以下的计算公式来确定。,如图3132所示，我们把无磁钻铤两端的“井铁”物质用一个集中当量代替，上端井铁的磁极强度用PU表示，下端井铁的磁极强度用PL表示。测量仪器到上端井铁的距离为LU，到下端井铁的距离为LL。井铁对测量仪器的作用力与井铁磁极强度成正比，与井铁的距离平方成反比。,上、下井铁的作用力分别用FU和FL表示。在北半球，若FU为排斥力(正值)，则FL为吸引力(负值)，可得如下公式：,如果能够准确知道上、下井铁的磁极强度PU和PL，则可以准确地计算最优位置，但实际上准确知道PU和PL是不可能的。图3131中的测量仪器的位置是按照估算值计算的。,对于没有井底动力钻具的钻柱，取PU=3000 emu，PL=500 emu则：,对于有井底动力钻具的钻柱，取PU=3000 emu，PL=2000 emu，则：,敬请提出宝贵意见！,