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1、本科毕业设计（论文）外文翻译译文学生姓名： 林 冲 院 （系）： 石油工程学院 专业班级： 石工0808 指导教师： 张 明 完成日期： 2012 年 3 月 10 日 Reexamination of PDC Bit Walk in Directional and Horizontal Wells重新研究PDC钻头在定向井和水平井里的漂移问题作者：S. Chen, SPE, Halliburton; G.J. Collins, SPE, ConocoPhillips; M.B.Thomas, SPE, Halliburton起止页码：1-12期刊号：IADC/SPE 112641出版单位：I
2、ADC/SPE Drilling Conference 本文是为在美国佛罗里达州奥兰多市举行的2008年国际钻探承包人协会/石油工程师协会钻井会议（2008.3.42008.3.6）准备的演讲稿。 国际钻探承包人协会/石油工程师协会的一个项目委员会对作者提交的论文摘要中包含的信息进行评审后，将其选为演讲稿。本文的内容未经国际钻探承包人协会或石油工程师协会审查，允许作者修改。本材料不代表国际钻探承包人协会或石油工程师协会及其官员、成员的观点。未经国际钻探承包人协会或石油工程师协会的书面许可，不得进行电子复制，分发或者对论文的任何部分进行存储。授权复印时摘要不得超过300字，插图不得复制。摘要必须
3、包含国际钻探承包人协会/石油工程师协会版权的明确认可。摘要本文介绍了一些由导向系统钻出的定向井中的PDC钻头漂移问题的原理以及对这些原理进行数值模拟的方法。先进的计算机模型可计算钻头漂移率和受钻头几何形状、井眼尺寸、地层压缩应力、旋转导向系统的导向原理、钻头旋转速度、钻进速率和“狗腿”强度影响的漂移力。计算机模型在Alaska水平井中的应用表明：过大尺寸的井眼和钻头倾斜运动是引起钻头漂移的主要原因。随后科学家提出了一个合适的钻头/旋转导向系统体系来解决钻头漂移问题，结果非常成功：钻头避免了向右漂移，钻头可控制性也显著增强。介绍在石油和天然气钻井工业中，钻头漂移现象已经存在了数十年。牙轮钻头一般
4、向右漂移，PDC钻头一般向左漂移的事实已被普遍认可。1986年，Perry对海湾和泰国地区的5种PDC钻头引起的超过200起钻头漂移案例做了一个系统的分析。他发现钻头漂移趋势不仅受钻头形状的影响，也受到工作参数，比如钻压和每分钟转数的影响。同时，Perry认为钻头漂移趋势不受钻头保径规长度的影响。Bannerman进一步证实了Perry的结论，Bannerman收集了北海23口由牙轮钻头和PDC钻头钻出的油井的数据并对这些油井的钻头漂移率做了后期计算。Bannerman总结出形状平坦的PDC钻头有向右漂移的趋势，而形状呈弹道型或阶步型的PDC钻头则有向左漂移的趋势。为了了解钻头漂移的原理，19
5、90年Bannerman尝试用一个3D的底部钻具组合计算机模型来对比计算得到的漂移率和考虑了井眼直径以及地层与底部钻具组合之间摩擦系数的实际漂移率。他发现钻头或者底部钻具组合的漂移受许多因素的影响，例如底部钻具组合类型、扶正器的数量和直径、井眼尺寸、井斜、地层与底部钻具组合之间的摩擦系数。然而，Bannerman和Perry一样，都认为钻头漂移速率或者漂移趋势不受钻头保径规长度的影响。在同时考虑钻头和岩石的各向异性的前提下，Ho提出了一个可以计算底部钻具组合漂移趋势的底部钻具组合3D模型。Ho的模型用数个参数来表征钻头，用相对的走向角和视地层倾角表征地层的过渡。研究发现地层各向异性可能影响钻头
6、漂移趋势。应用3D底部钻具组合模型预测钻头漂移趋势几乎没有给钻头生产商带来什么帮助，因为几乎所有的底部钻具组合模型中钻头的切削结构都被简化为一个几何点，而钻头和地层的相互作用则被简化为钻头与地层的参数。因此，钻头的几何影响，比如钻头漂移中的保径规长度和钻头形状，都没有考虑进这些底部钻具组合模型中。OHare和Aigebekean根据钻井表现提出了一个选择最接近“理想钻头”的钻头的方法。这个理想钻头的特性由数个参数描述。在这种假设下，钻头形状决定了PDC钻头的定向响应性，钻头的建造指数，持有指数和漂移指数将按照国际钻井承包人协会PDC钻头形状标准分类。研究发现保径规长度和外廓的长度对PDC钻头漂
7、移趋势有巨大的影响。为了考虑钻头几何因素对钻头漂移趋势的影响，Menand建立了一个考虑钻头和地层相互作用的3D计算机模型。在这个模型中，钻头运动学完全由围绕钻头轴的旋转速度，沿着钻头轴的钻进速率和垂直于钻头轴的侧向钻进速率决定。通过施加一个预先的侧面的切削行为，可以计算钻头的应力并获得钻头漂移角。1978年Willhiem和Warren根据相同的原理设计了一个测试装置，用以测试PDC钻头的侧面切削能力和钻头漂移趋势。同时研究了钻头形状，牙轮排列，保径规长度对钻头漂移的影响。随后导出了一个估算钻头漂移角的简易公式，这个公式通过一个由内锥长度，壳层结构高度，PDC刀具的平均后倾角，活跃的和惰性的
8、保径规的长度构成的简单函数表征了钻头漂移角。研究发现随着钻头保径规长度的增加，任何类型的导向钻井系统的造角过程中钻头向左漂移的趋势都显著增加。OHare和Menand等人的研究也得出了同样的结论，也就是说，随着保径规长度或者外轮廓的增加，在钻头造角时PDC钻头向左漂移的趋势增加，并且钻头漂移趋势不受导向原理的影响。这个结论是在前文提到的钻头和地层相互作用的模型基础上得出的，在这个模型中，钻头运动由围绕钻头轴的旋转速度，沿着钻头轴的钻进速率速，垂直于钻头轴的侧面的钻进速率预先决定。随着越来越多定向钻进的油井使用旋转导向系统，在建立钻头运动模型和钻头与地层相互作用模型时考虑导向原理变得越来越关键。
9、Chen等人发现在恒定“狗腿”强度下钻一口井时几乎没有侧向钻进速率和侧向移动，模拟钻头/地层相互作用中的侧向钻进速率应用可能明显高估了钻头保径规对钻头漂移和导向性的影响。在Alaskan的定向井中，6PDC钻头钻松软地层时观测到了向右的钻头漂移，特别是在应用典型指向式旋转导向系统的水平井中这种现象更加突出。这些井使用了不同的保径规长度为12英寸的6PDC钻头，几乎所有的钻头都表现出高达5 deg/100 ft的向右强漂移率。与此同时，即使导向装置表现出100%的偏移，钻头仍然很难进行造角。为了达到预期的目标通常需要对井眼校正，但钻井成本将显著增加。先前的3D钻头模型不能解释为什么这些PDC钻头
10、向右漂移。这篇论文讨论了各种各样的钻头漂移原理，一个新3D钻头/地层相互作用模型的发展以及这个模型在Alaskan水平井钻井中的应用。这个模型清楚地表明在一些特殊的钻井条件下PDC钻头将向右漂移。本文也讨论了怎样避免钻头的向右漂移。了解PDC钻头漂移的原理钻头漂移的定义图1A显示了一个定向井中的PDC钻头。在空间中确定坐标轴Xh、Yh、Zh，钻头沿着自己的轴旋转。假设钻头在平面A中倾斜，一个侧应力通过一个导向机构作用在平面A中的钻头上。如果钻头一点也不漂移，钻头轴将维持在平面A中从而将钻出一个二维的井。然而，在大多数情况下，钻头都将偏移平面A。如图1B所示，如果钻头轴向平面B移动，钻头向左漂移
11、。如果钻头轴向平面C移动，钻头向右偏移。在钻一口三维井时上述任何一种情况都将引起例如阻力增加以及井筒扭曲引起的下套管的潜在困难的附加问题。因此，在大多数情况下，应该避免钻头漂移并且了解它的原理。如Chen等人所述，钻头漂移方向和漂移率可以通过计算钻头漂移力Fw和它的方向来确定。本文定义，如果Fw是负的，钻头向左漂移；如果Fw是正的，钻头向右漂移。短钻头量规伸缩片或者扶正器的漂移图2A展示了一个短量规伸缩片或者扶正器，它通过向井筒的顶边运动来造角，不论这个钻头量规伸缩片的侵蚀性如何，只要它顺时针旋转，在钻头量规伸缩片的顶部总是形成一个力Fw_L。这个力不会随着伸缩片旋转并且总是指向左，这可能导致
12、伸缩片向左漂移。然而，如图3A所示同样的钻头量规伸缩片通过向井筒的底边运动来降角，将会产生一个如图3B所示的指向右的力Fw_R，因此，可能导致伸缩片向右漂移。长尺寸伸缩片或者套筒伸缩片的漂移长尺寸伸缩片或者套筒伸缩片的漂移原理和短尺寸伸缩片的有显著的区别。如图4A所示，长尺寸伸缩片通过在C点附近倾斜来造角。可以把C点看做一个支撑点，它的位置由导向系统的导向原理确定。C点附近的倾斜将钻头量规伸缩片分成两部分。左部分底表面和井筒底边相互作用，右部分上表面和井筒顶边相互作用。如图4B所示，在左部分产生一个向右的漂移力Fw_R。类似地，如图4C所示，在右部分产生一个向左的漂移力Fw_L。钻头量规伸缩片
13、向左还是向右漂移取决于力Fw_R和Fw_L的大小。有两个因素影响力Fw_R和Fw_L的大小。第一个因素是支撑点C的位置：如果C点靠近伸缩片的左端，左底部分对井筒的作用将比右顶部小，因此力Fw_L可能比Fw_R大，钻头向左漂移。第二个因素是钻头量规伸缩片两端的侵蚀性。随着侵蚀性的增加，倾斜伸缩片的力将会减小。例如，伸缩片的左端是强钝态的而伸缩片的右端是强侵蚀性的，右端产生的力Fw_L可能比左端产生的力Fw_R小，因此伸缩片将向右漂移。图5A描述了一个例子，扶正器提供的支点位于伸缩片的左端，使左端不碰到井筒。在这种情况下，将会产生如图5B所示的一个向左的漂移力。因此，由于右端上表面和井筒顶边的作用
14、伸缩片可能向左漂移。图6A描述了另一个例子，扶正器提供的支点位于伸缩片的右端，使右端不碰到井筒。在这种情况下，将会产生如图6B所示的一个向右的漂移力。因此，由于左端下表面和井筒底边的作用伸缩片可能向右漂移。PDC切削结构的漂移图7A所示一个典型的PDC钻头剖面。这个剖面可以分为两个区域：区域A表示内锥部分的切削齿，区域B表示肩部和侧面的切削齿。钻头通过导向装置造角时，区域B的切削齿将会和井筒的顶边作用。同时，区域A的切削齿将会和地层作用。分析作用在区域B切削齿和区域A切削齿上的力表明，由于钻头的旋转和倾斜，产生如图7B所示的两个阻力Fw_R和Fw_L。钻头向左还是向右漂移取决于区域B切削齿产生
15、的向左的漂移力Fw_L和区域B切削齿产生的向右的漂移力Fw_R的大小。因此通过仔细排列区域A和B的切削齿来设计一个不漂移的切削结构是可能的。Menand等人通过假定钻头有一个提前确定的侧向切削行为（一个侧向移动）来描述PDC钻头切削结构的漂移原理。但是，Menand的模型没有考虑钻头的倾斜运动，不能用来正确解释钻头的漂移，尤其是当钻头在指向式旋转导向系统中应用时。推靠式旋转导向系统中的PDC钻头漂移在大多数推靠式旋转导向系统中，许多可扩展的推力伸缩片被直接安在钻头上，以使钻头进入预定轨迹。虽然应用的导向原理很多，但是推靠式的原理都相同，也就是说，一个侧向力通过导向单元作用在钻头上，支撑点必须在导向单元上。在钻头和侧向力作用点之间没有扶正器，为了钻头转向使用了一个典型的短尺寸的排列。图8展示了一个推靠式系统的简易工作原理。图9A展示了一个应用于推靠式系统的典型PDC钻头。钻头可以分为四部分，钻头量规伸缩片C通常是完全尺寸，1-2长；钻头量规伸缩片D通常是小于标准尺寸或者锥形的，1-2长。造角时，保径规C和D的上部分，A和B部分将会和井筒的顶边作用。只有A部分将产生一个如图9B所示的向右的漂移力。通常，由推靠式旋转导向系统造角时钻头向左漂移。这个结论和先前的观察结果和计算机模型是一致的。指向式旋转导向系统中的PDC钻头漂移一个指向式旋转导向系统
