井眼轨迹预测研究的回顾和展望

<正> 一、前言 井眼的轨迹控制一直是钻井工程中最重要的问题之一。 影响井眼轨迹控制的因素很多,大致可分成三个方面:底部钻柱的力学性能、地层岩石的状态或应力和钻头与岩石的相互作用。地层岩石的状态和地层应力方面已有研究成果,并在井眼轨迹控制方面得到应用。人们对钻柱在井中的工作环境作适当假设后,已能近似计算或测量出钻头的方位和钻柱给钻头的侧向力(造斜力与方位力)。但是,牙轮钻头与岩石的相互作用至     

下部钻具组合上切点的位置确定方法

下部钻具组合的上切点始终处于井眼底边这一假设条件,并不适用于下部钻具组合静力学分析的所有情况。基于建立的适用于下部钻具组合静力学分析的三维坐标系及其变换关系,提出了描述井壁上上切点位置的方法;根据最小势能原理,提出了一种确定上切点位置的迭代计算方法;以光钻铤钻具组合为例,讨论了井眼几何参数与钻井参数对上切点位置及钻头侧向力的影响规律。结果表明:在二维问题的力学分析中,当钻头处井斜角很小、井眼的井斜变化率很大时,下部钻具组合的上切点将有可能处于井眼的高边;与对上切段长度的影响相比,井斜方位变化率对上切点井壁方位角的影响更大;与对钻头井斜力的影响相比,井斜方位变化率对钻头方位力的影响更大;钻压和钻头扭矩对上切点位置及钻头侧向力的影响都很小。      

岩石力学性质对井眼轨迹走向的影响机理

为了提高在极软、极硬地层中钻井时的井眼轨迹预测与控制能力,研究了岩石力学性质对井眼轨迹的影响机理和相应的控制措施。基于纵横弯曲连续梁理论,分析了地层力学性质对下部钻具组合导向性能的影响,在此基础上,建立了考虑地层力学性质的钻头导向模型,利用钻头导向模型定量描述钻压、造斜力、地层可钻性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响。对于Φ215.9 mm井眼,井眼瞬时扩径率小于3%时,宜采用弯壳体螺杆钻具,井眼扩径率大于3%时,弯接头配合直螺杆导向能力更强;地层可钻性级值由1增大为10时,趋势角从6.00°降为1.00°。软地层和侧钻井眼推荐使用弯接头配合直螺杆钻具,硬地层推荐使用侧切能力强的钻头配合单弯螺杆钻具。      

关于钻头轨迹形成的理论探讨

指出了现行钻头轨迹形成理论的差异之处，论述了下部钻具组合的弯曲形状对钻头钻进方向的影响，研究了下部钻具组合的弯曲形状、钻头侧向力、钻头转角等力学因素对钻头轨迹形成的影响，推导了钻头在三维各向异性地层中钻进轨迹的曲率增量表达式，模拟了平衡曲率钻进过程的基本特征。实例分析表明，用平衡曲率法预测下部钻具组合的造（降）斜特性较为准确。用本文提出的方法还模拟计算了实钻井眼轨迹，计算结果和实测吻合较好。     

连续管可控偏心垫块BHA滑动钻进导向性能分析

针对小井眼连续管水平钻井过程中导向控制的要求,提出采用可控偏心垫块控制井眼轨迹的方法。在下部钻具组合(BHA)中按照一定的分布规律安装可独立控制的偏心垫块,通过控制偏心垫块的伸出与缩回,使BHA产生相对于井眼轴线的偏心位移,从而改变钻具组合的力学特性;对该钻具组合形式采用纵横弯曲连续梁法,建立了连续管可控偏心垫块BHA滑动钻进导向性能的力学模型与控制方程,并针对具体算例采用控制方程进行了求解。计算结果表明,在不同钻压条件下,钻头井斜力、钻头方位力、井斜平面内钻头转角和方位平面内钻头转角均随偏心稳定器在井斜平面与方位平面内的偏心位移呈线性变化;钻铤内径增大,钻头井斜力、方位力均表现为先缓慢减小后快速降低,钻头转角的变化很小。研究表明,控制钻具组合偏心垫块的伸出与缩回可以改变BHA的力学性能,使BHA产生相对于井眼轴线的偏心位移,达到控制井眼轨迹的目的。      

考虑钻头与地层相互作用的侧钻水平井轨迹预测方法

在侧钻水平井钻井过程中，由于造斜率高，从造斜点到半点之间的井段长度有限，给侧钻井的井眼轨迹控制带来较大的挑战。考虑钻头与地层之间相互作用、钻头切削各向异性以及钻头侧向力等因素的影响，建立了侧钻水平井造斜井段采用弯外壳螺杆钻具滑动钻进时的轨迹预测模型，并用现场实钻数据对理论模型进行了验证，为侧钻水平井井眼轨迹预测及井眼轨迹控制提供了一种行之有效的方法。     

井眼轨迹预测新模式的建立及应用

井眼轨迹控制是定向井的一项重要技术。从50年代至今国内外钻井界在这方面做了大量研究,取得了许多研究成果。以往所建立的及关于影响井眼轨迹的模式中,均未将底部钻具结构特性作为一个独立的因素加以考虑,因此使得预测效果不够理想。本文通过井眼几何形状、钻头力及钻具结构特性对钻进方向影响的综合分析,并将钻具结构特性作为一个独立因素考虑,提出用钻具结构柔度来描述结构特性对钻进方向的影响,以此为基础,建立起井眼轨迹的预测模式。该模式可实现定向井井眼轨迹的定量预测。     

绥中36—1油田常用稳斜钻具组合特性分析

应用弯曲井眼里纵横弯曲三弯矩方程的研究方法,对绥中36-1油田开发生产中使用最广泛的一种稳斜钻具组合,予以定量分析和计算,并通过现场井眼轨迹的控制实例,说明在弯曲井眼里,由于受井眼曲率以及钻压的影响,钻头侧向力要发生变化,进而对井眼轨迹的控制产生根本性的影响;因此,现场操作应该事先对钻具组合特性进行定量分析和计算,通过优选参数,达到准确控制轨迹、提高中靶精度的目的。     

实钻井眼轨迹的客观描述与计算

通过研究井眼轨迹上某测点邻近的结构形状及其变化规律,得到了测段内井眼轨迹的一般性方程,从而可以客观地描述和计算实钻井眼轨迹。研究结果表明:井眼轨迹上某点的井眼曲率和井眼挠率决定了邻近区域内井眼轨迹的空间形状,其局部三维坐标可分别表示为曲线长度的一次、二次和三次函数。为了确定井眼曲率和井眼挠率,在充分阐述其理论依据的基础上构造出了井眼样条函数,给出了井斜函数和方位函数的模拟方法以及井眼轨迹参数的计算公式。利用井眼轨迹结构参数来描述和计算井眼轨迹更具有普遍性,而且具有很高的计算精度和稳定性,可以客观地描述出井眼轨迹的实际形状。     

绥中36—1油田常用稳斜钻具组合特性分析

应用弯曲井眼里纵横弯曲三弯矩方程的研究方法,对绥中36-1油田开发生产中使用最广泛的一种稳斜钻具组合,予以定量分析和计算,并通过现场井眼轨迹的控制实例,说明在弯曲井眼里,由于受井眼曲率以及钻压的影响,钻头侧向力要发生变化,进而对井眼轨迹的控制产生根本性的影响;因此,现场操作应该事先对钻具组合特性进行定量分析和计算,通过优选参数,达到准确控制轨迹、提高中靶精度的目的.     

新型铰接式钻具组合的研究与应用

针对目前钟摆钻具和满眼钻具在大倾角地层、自然造斜力较强地区,其防、纠斜效果不尽人意的现实,提出了一种新型铰接式直井防、纠斜钻具,建立了该钻具组合的力学模型,阐述了其防、纠斜机理。详细分析了若干钻具结构参数和钻井参数对钻头侧向力的影响,并将其钻头侧向降斜力与钟摆钻具加以对比。通过现场试验表明,该钻具组合在大倾角硬地层正常加压快速纠斜钻进中,降斜效果明显,机械钻速达到了正常钻进速度,为易斜区防斜打直提供了一种新的钻具组合类型,发展了防斜钻井技术,对加速油田勘探开发具有重要意义。     

张店油田多目标大斜度井钻井技术

介绍了张店油田 7口大斜度井的现场施工情况 ,总结出了适合该地区的井身剖面 ,详细探讨了大斜度井施工中的井眼轨迹控制、钻压传递、井眼净化等技术措施。     

长庆油田短靶前距水平井钻井关键技术

短靶前距水平井钻井技术在井眼轨道优化设计、下部钻具组合造斜能力预测等方面存在着难以准确预测最大造斜率和恒定曲率等技术难点。针对这些难点进行了分析,明确关键技术攻关方向为井眼轨道设计中靶前距与造斜率对摩阻扭矩的影响分析及下部钻具组合造斜能力预测方法的优选,提出了短靶前距水平井井眼轨道设计的主要思路,即采用单增剖面,考虑稳定器与结构弯角、井眼扩径、钻压等因素建立了基于平恒曲率法的下部钻具组合造斜能力预测方法,结合实例,论证了上述关键技术的可行性,证明所建立的预测方法能够有效地指导实钻条件下对下部钻具组合造斜能力的要求。     

铰接式钻具组合的动力学分析

应用有限单元法对铰接式钻具组合进行了动态分析,推导了铰接点单元的刚度矩阵和载荷列阵,同时考虑钻头的轴向激振和钻柱与井壁的相互作用,用Newmark法在时域里分析了一种铰接式钻具组合的横向振动,并在频域里进行了讨论。分析表明,轴向扰动激起铰接钻具组合多阶谐波分量,钻头侧向力动态分量的幅值与井斜曲率成正比。数值结果表明,井眼扩大是钻具组合动态响应的一个重要影响因素,如果井眼扩大较小,钻具组合的振动表现有周期性,而当井眼扩大较大时,振动不再是周期性,且钻头侧向力动态分量的幅值增加。     

小井眼丛式井井眼轨迹控制技术

吉林油田为开发低产低渗透油田,在1个平台上钻了4口φ152.4mm的小井眼丛式升,井深1729.47~1855.53m,最大井斜角42°,最大水平位移514m,比常规井眼降低成本19.1%。井眼轨迹控制是小井眼丛式钻井技术的重点和难点,文中探讨了钻具组合、上部井眼曲率、钻井参数以及钻头选型对小井眼轨迹控制的影响,并建立了相应的井眼轨迹控制模式。     

柔性短节对RSBHA导向力特征的影响分析

旋转导向系统是实现井眼轨迹精确控制的核心工具,代表了当前井眼轨迹控制技术的最高水平.在带旋转导向工具的底部钻具组合(RSBHA)中,都带有柔性短节,但至今未发现有关柔性短节对旋转导向工具控制效果影响的文献.文章在建立了带位移工作方式旋转导向工具的底部钻具组合(RSBHA)的三维小挠度力学分析模型的基础上,加入柔性短节的连续条件,采用加权余量法对模型进行了求解.分析了柔性短节位置及长度对RSBHA侧向力的影响规律,并对RSBHA进行了实例计算分析.静力学结果表明,在不同的RSBHA工作模式下,柔性短节长度和位置对钻头侧向力的影响规律不同,柔性短节材料对钻头侧向力的影响较小,而稳定器间距具有较大影响,国外公司的RSBHA结构已经过优化.     

用有限差分法分析底部钻具组合的静力

本文采用有限差分法对底部钻具组合三维静力问题进行了分析研究。通过中心差分,建立有关的差分方程,并编写了相应的计算机处理程序。在此基础上,通过算例分析,阐明了钻压、井斜角、井眼曲率及稳定器间隙对钻头侧向力的影响规律。     

定向井扭方位三维轨迹设计简易解析法

钻定向井过程中,当预测到井眼轨迹不能按设计要求中靶时,就需要扭方位施工。扭方位井段的轨迹设计是一个三维计算问题,在现有诸多设计方法中,所使用的公式多,且计算复杂。本文给出一套简便易行的扭方位三维轨迹设计解析法,经实践检验,可满足现场需要。