CN1064106C - 下部钻具组合及其钻井方法 - Google Patents

Abstract

一种下部钻具组合及其钻井方法，包括若干根钻铤，一个偏轴接头和一个钻头，与内锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线和与外锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线之间的距离为5～38毫米，偏轴接头主体部分的下限位端面与钻头上限位端面之间的距离为6～12米。根据选定的钻头尺寸，钻挺外径、钻压、转盘转速确定偏轴接头的偏轴距和偏轴接头距钻头的距离，用该钻具组合钻井，既可防斜，又能纠斜。

Description

下部钻具组合及其钻井方法

本发明涉及一种钻井用的下部钻具组合及其钻井方法。

在高陡构造地区钻井常出现井斜问题。为降低井斜，国内外钻井界常采用地面移动井位，满眼钻具组合，钟摆钻具组合，塔式钻具组合及偏心钻具组合(包括偏重钻铤，刚度不对称钻铤)等方法，这些方法虽然对控制井斜具有一定效果，但防斜效果不明显。目前采用较多的钟摆钻具组合在钻井过程中要减少钻压，降低了机械转速，因而降低了钻井效益，增加了钻井成本。

中国发明专利90201693．8号公开了一种“多功能井下钻头接头”。这种钻头接头是直接与钻头连接在一起的，其主体是一个上，下不同心的偏心接头，主体内装有防止泥浆溢出的心脏部分。使用装有这种钻头接头的钻具虽然具有一定的防斜作用，其防斜原理是靠偏心质量的离心力达到稳斜的。由于接头是直接安装在钻头上，钻头又是一支点，使接头偏心质量的惯性力直接加于钻头支点上，这一力无法使钻铤由自转变成公转形成稳定的公转旋转运动，也就无法使钻头均匀切削井壁四周，实现稳斜。

本发明的目的在于克服上述已知钻具组合缺点，提供一种在0-6°井斜角范围内既能稳斜，纠斜，又能快速钻井的下部钻具组合及其钻井方法。

本发明下部钻具组合，包括若干根钻铤，一个主体部分为圆柱体的内有泥浆通道的偏轴接头和一个钻头，所述偏轴接头的上部设有与位于其上端的钻铤相连接的内锥螺纹，下部设有与位于其下端的钻铤相连接的外锥螺纹，与内锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线和与外锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线与主体部分的中轴线相互平行并分别位于其两侧，与内锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线和与外锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线之间的距离为5～38毫米，所述偏轴接头主体部分的下限位端面与所述钻头上限位端面之间的距离为6～12米。

本发明下部钻具组合，其偏轴接头内的与内锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线和与外锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线距所述主体部分的中轴线的距离最好相等。

一种使用上述下部钻具组合的方法，包括下列步骤：

1)根据地层特性，井身结构选择不同型号的钻头；

2)根据钻头类型和已有钻铤型号选择下端钻铤外径；

3)从下列四组参数中，选择钻头尺寸及与其相配合的偏轴距、偏轴接头下限位端面距钻头上限位端的距离、下端钻铤外径、钻压和转盘转速：

a)钻头尺寸444．5mm(171／2′)，偏轴距5至38mm，偏轴接头下限位端面距钻头上限位端面的距离6至12m，下端钻铤外径216至254mm，钻压140至250KN，转盘转速50至150rpm；

b)钻头尺寸311．2mm(122／8′)，偏轴距5至38mm，偏轴接头下限位端面距钻头上限位端面的距离6至12m，下端钻铤外径216至228mm钻压120至240KN，转盘转速50至150rpm；

c)钻头尺寸215．9mm(81／2′)，偏轴距5至38mm，偏轴接头下限位端面距钻头上限位端面的距离6至12m，下端钻铤外径127至203mm，钻压100至220KN，转盘转速50至150rpm；

d)钻头尺寸165．1mm(61／2′)，偏轴距5至38mm，偏轴接头下限位端面距钻头上限位端面的距离6-12m，下端钻铤外径88．9至152mm，钻压80至200KN，转盘转速50至150rpm。

一般情况下，当钻压、转盘转速选取高值时，偏轴接头的偏轴距、偏轴接头下限位端面距钻头上限位端面的长度应取低值；反之亦然。

本发明下部钻具组合由于在钻铤之间装有偏轴接头，在自由状态下下部钻具组合中的上端钻铤轴线与下端钻铤轴线保持平行，但相互移开一段距离(即偏轴接头的偏轴距)。当下部钻具组合下入井底后，受井眼的限制，在钻压的作用下，在偏轴接头处将产生一弯矩。该弯矩使钻具组合形成一稳定的弓形的弯曲变形，如图3所示。工作时转盘的转动使下部钻具组合在井底形成稳定的公转回旋，与此同时，钻头承受较大的旋转侧向力，使钻头均匀切削井壁四周，达到稳斜；同时本发明下部钻具组合在工作时有很强的居中能力，保证了偏轴接头不与井壁相接触，如将钻井钻压控制在下表范围内，即可使偏轴接头上部的钻柱与井壁的接触点上移，使钻头上的降斜力达到最大，从而实现纠斜的目的。使用本发明下部钻具组合钻井时，可使用较高的钻压和钻速，因而提高了钻井的机械转速，实现了防斜与打快的统一。使用本发明下部钻具组合钻井可使井斜角保持在0～6°范围之内，与普通钻具相比，平均钻速可提高1倍多。

本发明下部钻具组合的其他细节和特点可通过阅读下文结合附图详加描述的实施例即可清楚明了，其中：

图1是本发明下部钻具组合结构示意图；

图2是本发明下部钻具组合结构中的偏轴接头的结构示意图；

图3是本发明下部钻具组合工作状态示意图；

图4是本发明下部钻具组合在江苏某井(171／2″井眼)应用的井斜角曲线图。

参照图1。本发明下部钻具组合包括若干根钻铤1、偏轴接头2和钻头3。

参照图2。图2是图1所示的偏轴接头的结构示意图。偏轴接头2的主体部分为一圆柱体21，其上部加工有内锥螺纹22，用于与位于其上端的钻铤11相连接。下部设有外锥螺纹23，用于与位于其下端的钻铤12相连。与内锥螺纹22共轴的泥浆通道24的中轴线25和与外锥螺纹23共轴的泥浆通道26的中轴线27与主体部分21的中轴线28相互平行并分别位于其两侧。中轴线25和27之间的距离可在5～38毫米之间任选。中轴线25和27最好是等距离地布置在主体部分的中轴线28的两侧。偏轴接头主体部分的下限位端面用数字29表示。

再参照图1和图2。偏轴接头2在安装时，要使偏轴接头主体部分的下限位端面29与钻头3的上限位端面31的距离控制在6～12米之间。

本发明下部钻具组合的钻头可根据地层特性，井身结构选择不同类型的牙轮钻头；下端钻铤根据钻头类型和已有钻铤型号确定；上端钻铤由钻头类型，偏轴接头和下端钻铤确定；偏轴接头的偏轴距和安装位置由钻头直径、钻铤尺寸，钻压大小和转盘转速确定，其数值可按下表给定的关系选取：

                   偏轴接头下限

                   位端面距钻头钻头尺寸    偏轴距    上限位端面的    钻铤外径    钻压    转盘转速距离(mm)        (mm)          (m)           (mm)      (KN)     (rpm)444．5                                 216至254   140至250(171／2′)311．2                                 216至228   120至240(122／8′)                                                  50至150215．9      5至38     6至12            127至203   100至220(81／2′)165．1                                 88．9至152 80至200(61／2′)

一般情况下，当钻压、转盘转速选取高值时，偏轴接头的偏轴距、偏轴接头下限位端面距钻头上限位端面的长度应取低值；反之亦然。

本发明下部钻具组合被限制在井眼内工作时，同时受到动态的轴向力、横向力、弯矩，以及扭矩的联合作用，其运动状态非常复杂，是一个不确定的涡动系统。偏轴下部钻具组合运动规律及钻头的受力状态由钻头直径、偏轴接头的偏轴距和安装位置，钻铤的尺寸，钻压大小，转盘转速，井斜角和地层特征等因素决定。

上表是经过发明人多年研究，分析计算并经过实际试验优选后得出的，本领域的普通技术人员只要根据实际钻井条件很容易从中选定适合的参数，实现防斜快打。

参照图3。图3是本发明下部钻具组合工作状态示意图。本发明下部钻具组合在自由状态，偏轴接头上端钻铤轴线与下端钻铤轴线相互平行，但相互移开一段距离，如图1所示。当钻具下入井底后，受井眼的限制，在钻压作用下，在偏轴接头处产生一弯矩，使钻具组合形成稳定的弯曲变形，如图中所示的弓形。工作时，转盘的转动使下部钻具组合在井底形成稳定的公转回旋，如图中箭头所示。钻头承受较大的旋转侧向力，使钻头均匀切削井壁四周，达到稳斜；又因公转较自转有很强的居中能力，从而保证偏轴接头不与井壁相接触，让钻柱与井壁的接触点上移，实现纠斜。

下面是本发明下部钻具组合具体应用实例：实例1：在江苏某井(171／2″井眼)的应用

该井所在地区地质条件十分复杂，地层倾角大且多变，断层多，夹层段长，胶结致密坚硬，极易产生井斜，严重影响钻井效率。

该井开钻初期采用常规的防斜措施打钻。从101m至356m用满眼钻具组合钻进，井斜角很快从0°增加到3．15°。随后用过两套钟摆钻具纠斜，在纠斜过程中钻压普遍采用80KN左右吊打。在630m～707m井段，井斜角从1．9°猛增至9．25°。钻至1175m井深时，井斜角仍有4．25°。在1145m的井段中，平均机械钻速在1m／hr左右。最严重时，3个多小时才钻进1m。针对该井的特点，发明人对原来采用的钟摆组合进行改进设计。改进后的组合在1155m下井(此时井斜角4．25°)，钻至1259．9m时，井斜角迅速降至1．75°。

在1259．9m(此时井斜角为1．75°)处采用了本发明下部钻具组合技术。该下部钻具组合的偏轴接头的偏轴距取32mm，偏轴接头下限位端面距钻头上限位端面的距离为9m，转盘转速为60rpm。钻压先加到180～200KN，井斜角稳定在1．75°，机械钻速提高到2．7m／hr。在1377m至1416m井段中，钻压加到200～220KN吨，井斜角从1．75°降低到1．25°，机械钻速提高到3．0m／hr。在1416m至1463m井段中，钻压加至220～230KN，井斜角从1．25°降至0．5°，机械钻速提高到3．0m／hr多。可见，该新技术将钻压从原先的80KN提高至230KN，防斜纠斜效果相当明显，机械钻速有显著的提高。实钻井段超过500m，井斜角控制在1．75°以内(见图4)，瞬时钻速提高了近2倍，平崐均钻速提高了1．04倍。实例2：在四川某井(121／4″井眼)的应用

该井所在地区地层斜角53°，极易发生井斜现象，使得在钻井施工过程中不得不采取：

(1)地面移动井位；(2)减压吊打；(3)多次纠斜等措施，钻井速度缓慢。

该井的上部井段(＜1415m)，采用塔式钻具钻进，所用钻压是100至120KN，机械钻速为每米40多分钟。在1415m时采用本发明下部钻具组合技术。该下部钻具组合的偏轴接头的偏轴距取28mm，偏轴接头的下限位端面距钻头上限位端面之间的距离为8．7m，转盘转速为60rpm。首先采用180KN钻压钻进。此时，机械钻速为每米20分左右，钻至1476m时，井斜角控制在2°之内。随后，钻压增加到200KN，机械钻速为每米18分钟左右。钻进到井斜最严重的自流井地层时，该项技术有效地控制了井斜的迅速增加崐同时还以高机械钻速通过自流井层段。钻至1639m时，井斜角仅增至4．2°，工程设计在该井深的允许井斜角为9°。通过自流井层位后井斜角又降至2°左右。实例3．在江苏某井(81／2″井眼)的应用

该地区钻直井易产生井斜，为保证井身质量，经常用动力钻具纠斜。该井在56．2m(此时井斜角为0°)处下入了本发明下部钻具组合。该偏轴下部钻具组合的偏轴接头的偏轴距取18mm，偏轴接头的下限位端面距钻头上限位端面之间的距离为8．5m，转盘转速为60rpm，钻压为140KN。用该组合钻完该井全井段，防斜纠斜效果明显，机械钻速有显著提高。实钻井段超过1600m，井斜角控制在2．75°以内，平均机械钻速提高2．05～3．60米／小时。

该井的实验证明，本发明下部钻具组合防斜纠斜效果明显，能大幅度地提高钻井时效，见表1。表1：试验井与对比井的井斜比较

试验井                   对比井1#                  2#井深      井斜    井深      井斜      井深      井斜(m)       (°)    (m)       (°)      (m)       (°)275．80   0．30   403．20   0．45     576．34   2．00493．39   1．45   583．37   1．00     641．70   2．10608．10   2．00                       783．50   1．00769．68   2．45   730．49   1．15     896．29   2．20921．55   2．30   913．76   2．00     1021．34  2．401100．0   1．45                       1155．42  3．301205．70  3．401267．10  4．301287．0   2．15                       1305．08  4．001397．0   6．45     1366．49  3．401400．0   0．30   1637．2   3．00     1430．00  6．001505．00  6．00

Claims (3)

1、一种下部钻具组合，包括若干根钻铤，一个主体部分为圆柱体的内有泥浆通道的偏轴接头和一个钻头，其特征在于所述偏轴接头的上部设有与位于其上端的钻铤相连接的内锥螺纹，下部设有与位于其下端的钻铤相连接的外锥螺纹，与内锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线和与外锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线与主体部分的中轴线相互平行并分别位于其两侧，与内锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线和与外锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线之间的距离为5～38毫米，所述偏轴接头主体部分的下限位端面与所述钻头上限位端面之间的距离为6～12米。

2、按照权利要求1所述的下部钻具组合，其特征在于所述偏轴接头内的与内锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线和与外锥螺纹共轴的泥浆通道的中轴线距所述主体部分的中轴线的距离相等。

3、一种使用权利要求1或2的下部钻具组合的钻井方法，包括下列步骤：

1)根据地层特性，井身结构选择不同型号的钻头；

2)根据钻头类型和已有钻铤型号选择下端钻铤外径；

3)从下列四组参数中，选择钻头尺寸及与其相配合的偏轴距、偏轴接头下限位端面距钻头上限位端的距离、下端钻铤外径、钻压和转盘转速：

a)钻头尺寸444．5mm(171／2′)，偏轴距5至38mm，偏轴接头下限位端面距钻头上限位端面的距离6至12m，下端钻铤外径216至254mm，钻压140至250KN，转盘转速50至150rpm；

b)钻头尺寸311．2mm(122／8′)，偏轴距5至38mm，偏轴接头下限位端面距钻头上限位端面的距离6至12m，下端钻铤外径216至228mm，钻压120至240KN，转盘转速50至150rpm；

c)钻头尺寸215．9mm(81／2′)，偏轴距5至38mm，偏轴接头下限位端面距钻头上限位端面的距离6至12m，下端钻铤外径127至203mm，钻压100至220KN，转盘转速50至150rpm；

d)钻头尺寸165．1mm(61／2′)，偏轴距5至38mm，偏轴接头下限位端面距钻头上限位端面的距离6-12m，下端钻铤外径88．9至152mm，钻压80至200KN，转盘转速50至150rpm。

一般情况下，当钻压、转盘转速选取高值时，偏轴接头的偏轴距、偏轴接头下限位端面距钻头上限位端面的长度应取低值；反之亦然。

4)根据所选定的钻头类型、偏轴接头和下端钻铤尺寸确定上端钻铤外径；

5)按现有钻井工艺过程选用高转盘转速钻井。

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