浅谈底部钻具组合(海10徐祥彪)

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浅谈底部钻具组合徐祥彪（中国石汕集团公司海洋工程有限公司钻井事业部10号平台）摘要：底部钻具组合是钻柱的主要部分，它与井斜和钻头的工作状况关系十分密切，是影响井身质量和钻井速度的主要因素。为此，根据井下工作条件和工艺要求，合理地设计钻柱及下部钻具组合，对于预防钻具事故，捉高钻头工作指标和冇效地克服井斜问题，减少井下复杂情况，从而实现安全快速钻井和完成各种井下作业，具有十分重要的意义。关键词：底部钻貝合理设计克服井斜引言底部钻具组合包括钻铤、稳定器、随钻震击器、减震器、扩眼器等;有时为了特殊的工程需要，在下部钻具组合中则可能包括随钻监测工具（如MWD）、测试工具等。1・底部钻具简介1.1钻铤是钻柱下部结构的主要组成部分，它除给钻头提供钻压使钻杆处于受拉状态Z外，在直井钻进时，还使下部钻具组合以其具有较大的刚度扶止钻头而改善钻头工作的稳定性和有利于克服井斜的问题。钻铤的种类：按其结构划分有圆钻铤、螺旋钻铤、方钻铤，kl前海上常用的是螺旋钻铤，按其制造用的钢材有钢制钻铤和无磁钻铤，后者是用特殊的钢材（如以侪和備为基础的奥氏体钢等）制造的钻铤，用來把测斜仪的罗盘与有磁性的钢制钻柱上F的磁场隔开一个适当的距离，以免在川磁性仪器（如罗盘等）测量井斜及其方位时，易受地磁场和有磁性的钢制钻具的影响。-般钻铤的长度为9」米（30英尺），但也有长为3.66〜4.57米（12〜15英尺）的短钻铤。采川短钻铤，可以调整钻具下部结构稳定器的位置。绝大多数钻铤只是在管体上直接加工连接螺纹，但也有采用対焊接头的。例如法国制造的钻铤，中间部分为评通钢材，两端焊接上优质钻钳钢山。（1）螺旋钻铤为了减少钻铤与井琏的接触而积，防止压差粘附卡钻，衣圆钻铤的外圆柱而上加工出三条右旋螺旋槽，成为螺旋钻铤。为了便于接卸操作和修扣，在外螺纹端接头部分留有一段305〜560毫米和内螺纹端接头部分留有一段457〜610毫米的不切槽的圆钻铤段。螺旋钻铤的重量比同尺寸的恻钻铤约减少4%。（2）无磁钻铤非磁钻铤是一种不易磁化的钻铤，其用途是为磁性测斜仪器提供一个不受钻柱磁场影响的测量环境。无磁钻铤使用特殊的钢材制造的的钻铤，如蒙乃尔钢（含铜30%,含银65%的合金钢），这种钢抗钻井液腐蚀性能好，但价格昂贵；珞…線钢（含18%的珞，13%的铢）这种钢易于幫性变形导致螺纹过早损坏，特别是对需要大上紧扭矩的大钻铤更加不利；奥氏体钢（含镭人于18%）,目前多数无磁钻铤都是用奥氏体钢制造，其制造方法为半热锻形变强化方法，缺点是对盐水钻井液应力腐蚀很敏感。（3）偏重钻铤偏重钻铤就是在普通钻铤上的一侧钻一排盲孔，造成一边重一边轻。当钻具旋转时就产生一个朝向重边的离心力，口转速越高，离心力越大。钻具每钻一圈就产生一•次钟摆力和离心力的重合，对井壁形成较大的冲击纠斜力，使井斜角减小。用这种偏重钻铤可以组成钟摆钻具进行纠斜。（4）柔性钻铤这种柔性钻铤是用于钻大曲率水平井，它市数根短钻铤靠特殊切口连接而成，这些切口使柔性钻铤能朝任意的方向产生很小的弯曲，并能承受拉仲载荷、压缩载荷和扭矩，其内部装有一根高压橡胶软管以防止钻井液从切口漏岀并形成可靠的钻井液通道。这种钻铤目前使用不普遍。1.2稳定器稳定器是下部钻具结构的重要组成部分，它的结构设计要求具有小的间隙（相对于井眼）、较多的支撑血、较高的耐磨性和有足够的刚度，同时耍有良好的泥浆循环通路。国内外钻井现场所用稳定器的种类繁多；可适川于不同的地层岩性和钻井工艺技术要求。图7-23为稳定器的基本型式,可分为旋转叶片型、非转动橡胶套筒型、滚轮扩人器型三类。稳定器按其安装位置乂可分为钻柱型和井底（近钻头）型 1.3减震器：在钻井过程中，井下钻具会产牛垂直和旋转的冲击振动，特别在便地层、破碎地层和软硬交错地层钻进时，这种振动现象更为剧烈。因井下钻具的振动给钻井工作带来一系列的危筈（例如钻头先期破坏，经常造成钻头油钻具事故等）。由丁•减震器的使川，在很大程度上吸收这种振动，改善了井下钻具的工作条件。现在国内外的减震器种类繁多，有弹簧减震器、橡胶减震器、钢丝减震器和气建减震器等类型。1.4随钻震击器：海洋钻井、深井钻井费川昂贵。rh于现代钻井中下部钻具组合的直径都较大，容易造成钻具在井下遇阻卡等复杂情况和爭故，加上一些特姝作业的需要，下部组合中有时加入昂贵的测试工具，如MWD等。所以，现在一般在钻具下部组合中都安放随钻震击器。在起下钻或钻进中遇阻卡时马上进行上捉下放，使其产生向上或向下的震击作用，恢复正常作业。1.5井下马达：井下动力钻具是常用的造斜工具z—,它分为涡轮钻具、容积式马达和电动钻具三大类。H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。1.6随钻测量仪（MWD）MWD井下仪器总成安装在下部钻具组合的非磁钻铤内，其下井前要调整好工作模式和传输速度，并准确地测量偏移值，输入计算机。仪器在井下所测的井眼参数通过钻井液脉冲传至地血，信息经地而处理后，可迅速传到钻台。MWD不仅可用丁•定向造斜,也町用于旋转钻进中的连续测量，是一种先进的测量仪器。1.7随钻录井（LWD）:其除包插MWD的测量参数外，还必须全部或部分的有地质参数（如：随钻电阻率、随钻伽马、随钻密度、随钻孔隙度等）和钻井工程参数（如：随钻钻具扭矩、随钻震动、随钻钻压等）,LWD是MWD的升级版。1.8ONTRAK：贝克休斯公司的ANTRAK（MWD/LWD）平台可提供多频电磁波传播电阻率和方位，自然伽马随钻测井服务，为水平井地质导向决策提供实时的测井资料支持。2•合理设计底部钻具组合2」钻铤的合理选择钻铤和钻柱下部结构的设计应能做到：给钻头有效加载，提供防止产生狗腿和键槽的刚性（此项将在卞节阐述），延长钻头轴承的使用寿命和钻头的总性能，产生一个全尺寸、平滑的井眼（有效井眼直径），把佇害的振动降到最小，尽量减少压差卡钻和钻井事故。霍奇发展了伍兹和鲁宾斯基提出的井眼的有效直径等丁钻头直径和钻铤直径的平均值这一结论，提出了允许最小钻铤外径的计算式：允许最小钻铤外径=2倍套管接箍外径—钻头直径钻铤柱中最下一段钻铤（一般不少于一柱）的外径应不小于这一允许最小外径，才可保证套管的顺利下入。如果下部组合中安放稳定器，则可采用较小外径的钻铤。海上钻井井身结构比较复杂，特别是钻井平台开孔，都是914.4毫米（36英寸）井眼，浅井段无需按以上原则考虑钻铤的最小外径。当然深井段应按以上原则设计。如采用塔式钻铤柱结构，相邻两段不同外径钻铤的外径差不应过大，在一•般情况下以不超过25.4〜38.1毫米（1〜1】/2英寸）为宜。同时应合理控制钻铤柱中和邻两段不同规范（包括内、外径和材质等）钻铤的抗弯刚度的比值（此比值应小于2.5）,以免在连接处以及最上一•段钻铤与加重钻杆连接处产生过大的应力集中与疲劳。根据鲁宾斯基关于“中性点”的论述，以钻柱不受拉力和不受压力的中性点为界将钻柱分为上下两段，上段钻柱在钻井液中的重量等于人钩载荷，下段钻柱衣钻井液中的重量等于钻压。设计确定钻铤长度时应保证中性点始终处于钻铤柱上。2.2稳定器的选用在钻直井时，为了充分发挥防斜钻具的作用，必须根据地层的软硬、研磨性大小、地层易斜程度以及稳定器所处的位直，合理选择稳定器的类型。在硬度大、研磨性高的地层中，因钻头规径易被磨损，下稳定器最好使川滚轮扩大器，在严重情况下还得使用六点扩人器来保 持井径和防止井斜。在较软的非研磨地层中，钻头规径不成问题，主要在于提供最大井壁接触长度，所以下稳定器宜选川镶嵌硬合金的旋转叶片稳定器。不论在何种地层条件下，rh于旋转叶片稳定器具有一•定扩眼能力和扶止能力，都口j有效地川作中稳定器。在轻微易斜海区，不旋转套简稳定器也可作为中稳定器，适川于硬地层。上稳定器的作用主要是稳定方位使钻铤离开井琏，防止有任何横向力往下传给钻头，旋转叶片型和不旋转套筒型稳定器都可用于硬和中便地层；至丁•中硬和软地层，为了提高支撑能力，最好使用旋转叶片型稳定器。上稳定器以上的稳定器只是用来防止钻铤柱的弯曲和在井内被卡，它们对钻头没有人人的直接影响。2.3减震器的选择气垫减震器接收垂直振动效果较好，但是结构复杂、冇•径大，只适用于311.2毫米（1274英寸）以上的井眼，使用范围不广。钢丝减震器不受井下工作条件（如温度、钻井液介质等）的限制，且减震振幅小，周期短，町很快恢复静止状态，但和气热减震器一样，只能吸收垂酉振动，不能吸收周向振动。橡胶减震器可以同时吸收垂直和周向振动，其缺点是容易受到高温和钻井液含油量的影响。n前认为较好的结构是螺旋弹簧减震器，它结构简单、不受井底工作条件的影响，而且具有能吸收垂直和周向振动的优点。为增强减震效果，保护钻头和钻柱，使z不致因振动载荷血发牛疲劳破坏，减震器安装位置应尽量靠近钻头。对于光钻铤或钟摆钻具，减震器一般加在钻头与钻铤之间。当采川刚性满眼钻具时，要求下部钻具组合有较爲的刚性，但减震器的刚性低于相同外径和长度的短钻铤，不宜放在井底，一般只加在中稳定器之上。根据现场经验，即使钻头上装有二、三根钻铤，减震器仍能有效地起到减振作丿ij。3•井斜控制钻具组合针对不同的地层特性和井斜控制的具体耍求，采用不同的下部钻具组合。目前常用的有三种下部钻具组合，即钟摆钻具组合、满眼钻具组合、钟摆一满眼钻具组合。3.1钟摆钻具控制井斜技术：钟摆法的实质是通过使丿IJ专丿IJ的防斜钻具组介和相应的技术措施来增大钟摆减斜力以平衡和克服促使井斜的地层力。斜井内利用第一切点以下未被井壁支撐一段钻铤重量的横向力把钻头推向井壁下方，使之恢复垂直状态减小井斜的作用，通常称为“钟摆效应”，适用这个原理而组合的钻具即为钟摆钻具。办法如下：（1）使用大尺寸钻铤或厚壁钻铤。在同一钻压下不易被压弯，切点位置高，因而钻铤长度大有利于增大减斜力；（2）在切点略高一些的位置上，安装一个稳定器，以提高切点位置，从而增人减斜力。同时，稳定誥对其下部钻铤述起到扶止作用，对减小钻头倾斜角，限制增斜力的作用。3.2刚性满眼法控制井斜的技术，满眼钻具的工作原理是依据认为“钻头沿着钻头轴线方向或趋向于它的轴线方向钻进”的理论，钻铤弯曲和钻头的横向位移造成钻头偏斜（相对于井眼轴线）是引起井斜和井斜变化的主要原因。在钻头以上的适当位置安放三个以上与钻头直径相近的稳定器，减少钻铤弯曲变形并限制钻头的横向位移，这就是满眼钻具的基本防斜原理。 理想的办法是大尺寸钻铤加稳定器，这样钟摆的长度大，重量大其减斜效果授好。3.3“满眼一钟摆”钻具控制井斜的技术，满眼钻具的特点是在直井内防斜效果好，而在斜井内自身无减斜作川；而钟摆钻具在斜井内有较好的纠斜效果，应兼川两者的优点来更有效地防止井斜。在井斜严垂的地层，当井斜角还未接近最大允许值时，用满眼钻具重压快速钻进，此时井斜角将会逐渐增大，当其接近或达到设计允许极限时，必须改川钟摆钻具并控制钻压，使井斜角缓慢地降下來。如果预先考虑降斜之后还要使用满眼组合钻进，则应使用“满眼-•钟摆”组合防斜技术，以免满眼钻具在钟摆纟I［合钻进井段发生阻卡。在使用“满眼一钟摆”组合中，钟摆长钻铤应接在常规满眼组合Z下。当井斜角已降至允许的限制范围Z内时，拆除钟摆钻具并把原來的满眼钻具接在钻头Z上。唯一必要的是在重新开始正常满眼钻进Z前要对钟摆钻铤长度井段进行划眼。结论(1)做了底部钻具的基木介绍;(2)介绍合理设计底部钻具；(3)介绍井斜控制钻具组合。