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1、扶正器钻具组合扶正器钻具组合石油大学（华东）石油大学（华东）韩志勇韩志勇1.单扶组合的力学分析；单扶组合的力学分析；2.单扶组合的力学特性；单扶组合的力学特性；3.多扶组合的力学特性；多扶组合的力学特性；4.扶正器组合使用注意事项；扶正器组合使用注意事项；5.实用扶正器钻具组合；实用扶正器钻具组合；转盘钻扶正器组合转盘钻扶正器组合4此类工具此类工具不能用于改变井眼方位不能用于改变井眼方位，仅能在已有一定斜度的井眼内，仅能在已有一定斜度的井眼内改变井斜，即进行增斜、降斜或稳斜。改变井斜，即进行增斜、降斜或稳斜。4此类工具是在转盘钻的基础上，利用靠近钻头的钻铤部分，巧妙此类工具是在转盘钻的基础上，
2、利用靠近钻头的钻铤部分，巧妙地使用扶正器，得到各种性能的组合。地使用扶正器，得到各种性能的组合。 420世纪世纪80年代以来，国内外对扶正器钻具组合的研究逐步深入。年代以来，国内外对扶正器钻具组合的研究逐步深入。运用数学、力学和计算机工具，出现了微分方程法、有限元法、运用数学、力学和计算机工具，出现了微分方程法、有限元法、纵横连续梁法、加权余量法等等方法，且都需要使用较复杂的计纵横连续梁法、加权余量法等等方法，且都需要使用较复杂的计算机程序。算机程序。4在没有计算机软件计算在情况下，可使用现场常用的经验数据。在没有计算机软件计算在情况下，可使用现场常用的经验数据。4转盘钻扶正器组合有三种：转盘
3、钻扶正器组合有三种：增斜组合；增斜组合；稳斜组合；稳斜组合；降斜组合；降斜组合；单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4单扶组合的钻头受力分析：单扶组合的钻头受力分析：钻压：钻压：P上部钻柱在泥浆中的重力，通过钻柱传递到钻头上。方向与钻头轴线一致。钻压P可分解为平行井眼轴线和垂直井眼轴线的两个分量：角是钻头轴线与井眼轴线的夹角。Fi 构成钻头侧向力的一部分。单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4单扶组合的钻头受力分析：单扶组合的钻头受力分析：钟摆力：钟摆力：Fb 扶正器以下钻柱的重量为W，作用点在该段钻柱的中点a 点。W可以分解为平行钻柱轴线和垂直钻柱轴线的两个分量：角是扶正器以下钻柱所在的井斜
4、角。Fa 即是钟摆力。 Fa作用到钻头上即为Fb 。单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4单扶组合的钻头受力分析：单扶组合的钻头受力分析：弯矩弯矩Mc：扶正器以上到切点的钻柱的重力，在垂直钻柱轴线方向的分量，相当一个杠杆力，通过扶正器形成弯矩Mc 。Mc 作用到钻头上，形成钻头的侧向力Fc ，是钻头上侧向力的一部分：L是钻头至扶正器的距离，但Mc的大小是不知道的，所以Fc难以计算。单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4单扶组合的钻头受力分析：单扶组合的钻头受力分析：地层横向力：地层横向力：Ff地层横向力是由于地层的倾斜以及地层可钻性的各向异性造成的。Ff可能是增斜，页可能是降斜。作用在钻头上的
5、所有垂直与井眼轴线的横向力，与平行井眼轴线的钻压的合力，以Q表示，即为作用于钻头上的所有力的合力。Q与井眼轴线的夹角，以表示。Q 和可用下页公式定性表示：单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4单扶组合的钻头受力分析：单扶组合的钻头受力分析：此只能定性说明问题，不可定量此只能定性说明问题，不可定量计算。计算。单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4井眼前进的方向：井眼前进的方向：井眼前进的方向，不是钻头井眼前进的方向，不是钻头轴线方向轴线方向，即钻压，即钻压P的方向，的方向，因为在钻头上还作用有其他因为在钻头上还作用有其他横向力；横向力；井眼前进的方向，也不是钻井眼前进的方向，也不是钻头上所有力的
6、合力头上所有力的合力Q的方向的方向。因为钻头具有各向异性，轴因为钻头具有各向异性，轴向和侧向的切削能力是不同向和侧向的切削能力是不同的。的。一般来说，侧向切削能力小一般来说，侧向切削能力小于轴向，所以，于轴向，所以，实际的井眼实际的井眼前进方向，是在前进方向，是在P和和Q两个两个方向之间方向之间。越大，则井眼增斜越强越大，则井眼增斜越强。由下页公式可以分析如何控由下页公式可以分析如何控制增斜、降斜。制增斜、降斜。单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4井斜变化分析：井斜变化分析：4为正则增斜，为正则增斜， 为负则降斜；为负则降斜；欲增斜：欲增斜：增大增大 ：用小钻铤，大钻压，压：用小钻铤，大钻压
7、，压弯钻柱；弯钻柱；增大增大Mc，缩短，缩短L;减小减小W：用小钻铤；：用小钻铤；欲降斜：欲降斜：减小减小 ：用大钻铤，小钻压，不：用大钻铤，小钻压，不要压弯钻柱；要压弯钻柱；减小减小Mc，增大，增大L;增大增大W：用大钻铤；：用大钻铤；井斜角井斜角也影响也影响 ；单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4三种组合：A组合：增斜组合。组合产生正向侧向力。第一杠杆原理第一杠杆原理。B组合：降斜组合。产生负向侧向力。第二杠杆原理第二杠杆原理。C组合：可能增斜，也可能降斜，也可能是不增不降的稳斜。单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4扶正器距钻头的距扶正器距钻头的距离离L对侧向力的影对侧向力的影响响：在
8、A点以前，随着L增大，组合产生增斜力，且随L增大而减小；在A点和B点之间，组合产生降斜力，且随L增大而增大到最大值，然后又逐渐减小。过了B点，扶正器不起作用，相当于光钻铤产生负侧向力。单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4侧向力与井斜角的关系：侧向力与井斜角的关系：增斜组合：增斜组合：井斜角增大，则增斜力增大；，则，则Fg，Fc；单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4侧向力与井斜角的关系：侧向力与井斜角的关系：降斜组合：降斜组合：井斜角增大，则降斜力增大；，则，则Fg，Fc；单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4侧向力与井斜角的关系：侧向力与井斜角的关系：对于接近中性的组合（L=7米为例），井
9、斜角减小，可能成为增斜组合；井斜角增大，可能成为降斜组合。 理论上讲，单扶组合可以用作增斜组合、降斜组合，也可用于稳斜组合。 但实际上不能用于稳斜组合。因为用于稳斜组合，性能是不稳定的，不是增，就是降。 单扶组合实际上仅用单扶组合实际上仅用于增斜或降斜于增斜或降斜。单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4钻压对钻头侧向力的影响钻压对钻头侧向力的影响：增斜组合增斜组合：规律性：在一定的组合、一定的井斜角和井眼尺寸下，钻压对侧向力的影钻压对侧向力的影响是很微小的响是很微小的。为什么？在一定井斜角下，Lg长度是由切点一下扶正器以上钻柱重力的分量决定的。在增斜钻进时，钻压远远大于切点以下钻柱的重量。钻压
10、的变化，只是引起切点以上躺在井壁下侧的钻柱长度的变化。不影响Lg长度钻柱的重量。所以， 侧向力不随钻压的大小而变化。但不可形成错觉：P=0时，侧向力也会是那么大！此使整个钻柱的重力全被大钩承担，形不成切点。单扶组合的力学特性单扶组合的力学特性4钻压对钻头侧向力的影响钻压对钻头侧向力的影响：降斜组合降斜组合：在一定的组合、一定的井斜角和井眼尺寸下，钻压的增大，将使切点以下钻柱弯曲增大。弯曲增大，钻头向上倾斜角度增大，钻压的侧向分量增大。钻压继续增大，钻柱继续弯曲，在扶正器和钻头之间将出现新的切点。在出现新切点之前，钟摆力不会减小，但由于钻压的侧向分量增大， 将使降斜测向力减小。在出现新切点之后，
11、钟摆力将会大大减小，即降斜测向力减小。总的说，降斜组合，钻压的增大将使降斜测向力减小。总的说，降斜组合，钻压的增大将使降斜测向力减小。单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4钻铤直径对侧向力的影响钻铤直径对侧向力的影响：降斜组合：降斜组合：对降斜组合来说，钻铤直对降斜组合来说，钻铤直径的影响，是明确的，即径的影响，是明确的，即随着钻铤直径的增加，钟随着钻铤直径的增加，钟摆力将增大，因而钻头侧摆力将增大，因而钻头侧向力将增大。向力将增大。在井眼直径、扶正器直径、在井眼直径、扶正器直径、扶正器具钻头的距离都不扶正器具钻头的距离都不变的情况下，显然，钻铤变的情况下，显然，钻铤直径越大，重力就越大，直径
12、越大，重力就越大，所以钟摆力越大。所以钟摆力越大。单扶组合的力学分析单扶组合的力学分析4钻铤直径对侧向力的影响钻铤直径对侧向力的影响：增斜组合：增斜组合：对降斜组合来说，钻铤直径的影对降斜组合来说，钻铤直径的影响，不是简单的关系。影响侧向响，不是简单的关系。影响侧向力的因素，不仅有钻铤的重力，力的因素，不仅有钻铤的重力，还有还有扶正器到切点的距离扶正器到切点的距离，此距，此距离随钻铤直径增大而减小；离随钻铤直径增大而减小；还有此距离内还有此距离内钻铤的弯曲情况钻铤的弯曲情况，钻铤刚度越大，弯曲就越厉害；钻铤刚度越大，弯曲就越厉害；即随着钻铤直径的增加，侧向力即随着钻铤直径的增加，侧向力将增大，
13、还是减小？不能直观地将增大，还是减小？不能直观地看出来。这是通过力学模型，利看出来。这是通过力学模型，利用计算机软件计算，才能得知。用计算机软件计算，才能得知。多扶组合的力学特性多扶组合的力学特性4使用多扶组合的必要性：使用多扶组合的必要性：1. 单扶组合仅用于增斜和降斜。由于单扶稳斜组合性能的不稳定性，稳斜组合都是多扶正器组合。2. 对于增斜降斜组合，由于以下原因，也广泛使用多扶组合：单扶组合的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钻柱与井壁的接触；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。使
14、用多扶增降组合，则容易下入。多扶组合的力学特性多扶组合的力学特性4多扶增斜组合的结构：标准多扶增斜组合：A 在标准增斜组合基础上，可以变化，适当减小增斜率；减小第一和第二扶正器之间的距离，B ；减小后，在第二扶正器之上，在加一个扶正器，C ；多扶组合的力学特性多扶组合的力学特性4多扶增斜组合的结构：柔性多扶增斜组合：柔性组合A ，使用1根小尺寸钻铤。国外称作“giligan”。若标准增斜组合的增斜率为20/30m ，则“giligan”增斜率可达到30/30m 。柔性组合B ，使用两根相应的钻杆或无磁钻杆。若标准增斜组合的增斜率为20/30m ，则此种柔性组合增斜率可达到4050/30m 。多
15、扶组合的力学特性多扶组合的力学特性4多扶稳斜组合的结构：标准多扶稳斜组合A ：三个扶正器组成；在标准增斜组合基础上，可以变化，适当改变增斜率；B：在三扶之上，每个10m 加第四甚至第五个扶正器。增大增斜率 ；C：适当加大第一和第二扶正器之间的距离。减小增斜率 ；多扶组合的力学特性多扶组合的力学特性4多扶降斜组合的结构：标准多扶降斜组合A ：两个扶正器组成，钻头至一扶距离20m；在标准组合基础上以变化，适当改变降斜率；B：减小钻头至一扶的距离，减小降斜率；C：在钻头上加一个欠尺寸扶正器，减小降斜率 ；D：用一根小尺寸钻铤，增大降斜率；影响多扶组合性能的因素影响多扶组合性能的因素4增斜组合：钻压对
16、增斜组合侧向力的影响，是不显著的，是比较小的；在组合、钻压不变情况下，井斜角增大则侧向力增大；4稳斜组合：钻压对稳斜组合性能的影响是很小的。所以在稳斜钻进中，可以根据眼使性能改变钻压。稳斜组合对井斜角的变化是敏感的。井斜角增大，则负侧向力增大。所以，在井斜较小时显示稳斜的组合，在井斜较大时可能显示为降斜组合。4降斜组合：钻压增大，钻柱正向弯曲，负侧向力减小，降斜率减小；扶正器组合的使用注意事项扶正器组合的使用注意事项4增斜组合增斜组合：在软软地层中使用：软地层中钻进，地层因素（倾角、走向、软硬变化等）影响较小。影响增斜率的主要因素是钻具力学因素；软地层水力冲蚀、扶正器和钻头的侧向刮切等作用显著
17、，容易井径扩大，使增斜率下降。要达到一定的增斜率，应使用增斜能力强的组合。在中硬中硬地层中使用：地层构造因素影响非常显著；所以要特别注意掌握底层的造斜规律，运用这些规律，控制井眼方向。在硬硬地层中钻进：地层硬，则钻头和扶正器的直径容易被磨小，不易保证增斜所需要的支点，从而影响增斜率；钻头侧向切削能力本来就小，在硬地层中，即使有较大的侧向力，也难以侧向切削出去，这也影响造斜率；注意使用侧向切削能力大的钻头；或注意发挥不对称切削作用；为了防止扶正器磨损，可使用扩大器作为扶正器；扶正器组合的使用注意事项扶正器组合的使用注意事项4稳斜组合：稳斜组合：稳斜比增斜、降斜都要难，常常出现“稳不住”的现象。这
18、是因为稳斜的影响因素最多。地层因素：倾角、走向、软硬变化、软地层中的井眼扩大等；钻具因素：扶正器尺寸的磨损，特别是近钻头扶正器的磨损；钻进参数：不对称的水力冲蚀；上述因素是稳斜组合往往变成降斜组合。稳斜组合总是多扶正器。在硬地层中可能出现起下困难。切勿“强行下”入。为保证稳斜效果，在硬地层可使用扩大器代替紧钻头扶正器；在中硬地层，为了克服地层力的作用，可使用长翼扶正器或双联扶正器；注意保持正常钻压和较高转速；扶正器组合的使用注意事项扶正器组合的使用注意事项4降斜组合：降斜组合：软地层，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，越不易降斜；在较硬地层中，
19、需要降斜时可以采用：先用动力钻具强行降斜；再在已经降斜弯曲的井眼内，用强力钟摆钻具，增大钻压，可将其压弯（负向弯曲），从而增大降斜能力；钻进中注意保持较小钻压，较低转速；降斜组合要注意使用新钻头，保证钻头的侧切能力；在降斜特别困难的井段，在轨道设计时，注意避开降斜；实用钻具组合实用钻具组合4增斜钻具组合：增斜钻具组合：类型L1L2L3强增斜组合1.01.8-中增斜组合1.01.818.027.0-弱增斜组合1.01.89.018.09.0按增斜能力分为强、中、弱三种。使用中要注意：使用中要注意： 1. L1增长，增斜能力减小； 2. 近钻头扶正器直径减小，增斜能力也减小。 3. 注意保持低转速
20、。 实用钻具组合实用钻具组合4稳斜钻具组合稳斜钻具组合类型L1L2L3L4L5强 稳 斜组合0.81.24.56.09.09.09.0中 稳 斜组合1.01.83.06.09.018.09.027.0-弱 稳 斜组合1.01.84.59.0-稳斜能力分强、中、弱三种。在使用中要注意保持正常钻压和较高转速。若需要更强的稳斜组合，可使用双扶正器串联起来作为近钻头扶正器。 实用钻具组合实用钻具组合4降斜钻具组合降斜钻具组合 类型 L1 L2强降斜组合 9.027.0 -弱降斜组合 0.8 18.027.0按降斜能力分为强、弱两种。使用中要注意：1.保持小钻压和较低转速2.对于强降斜组合来说，L1越长则降斜能力越强，但不得与井壁有新的接触点。
