CN112081528A - 一种水平段高效无扶振荡钻具组合及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水平段水平井技术钻具技术领域，具体涉及一种水平段高效无扶振荡钻具组合及方法。本发明包括钻头、单弯螺杆、定向接头和无磁钻铤；所述的钻头、单弯螺杆、定向接头和无磁钻铤依次顺序可拆卸连接。本发明能够使井下钻具最小处的环空间隙由原来的2‑6mm，大幅度的增加为44‑51mm。环空通道的增大，有利于井筒清洁，同时大大降低了钻具与井壁之间的摩擦阻力。水力振荡部件的设置，通过自身产生的轴向振动，提高了钻进过程中钻压传递的有效性，并减少了井下钻具组合与井眼之间的摩阻，极大的解决了钻压传递到钻头的问题。本发明具有良好的稳斜效果，满足了水平段钻井施工要求，有利于水平段探层、找层及延伸水平段，提高水平井施工效率。
Description
技术领域
本发明属于水平段水平井技术钻具技术领域，具体涉及一种水平段高效无扶振荡钻具组合及方法。
背景技术
水平段水平井技术已经被广泛地应用在世界各类油气田，其技术优势体现地很明显。对于稠油油气藏、低孔低渗油气藏、薄层油气藏，长水平段增加了渗流面积，可增加压裂改造段数、提高开发效率与产量。此外，同直井和一般的水平井相比，水平井节省了井场用地、钻机搬迁安装等费用，水平段水平井钻井技术，实现了高效率、规模化开发致密油，既节约了土地资源，又可提高经济与社会价值。近年来，长水平段水平井钻井成本已降至直井的2-2.5倍，甚至更低，而产量却是直井的5-8倍甚至更高。
水平段钻井施工中为了保持水平段井斜稳定不变，防止复合钻进造成井斜过大或过小，常采用双扶正器稳斜钻具组合，达到稳斜的效果。但是，随着水平段的延长，存在裸眼段变长、摩阻扭矩增高、水平段延伸难度大等问题，而双扶稳斜钻组合会进一步增加施工的摩阻扭矩，双扶稳斜钻具组合与降摩减阻的矛盾，成为水平段井眼轨迹控制重要的技术难题。
水平段钻进过程中为了稳斜效果好，常常采用2个扶正器(扶正器的直径仅比钻头直径小2-6mm)的井下钻具组合，即双扶钻具组合，如图3所示，其组成由钻头1、单弯螺杆2：即井下动力钻具马达B、稳定器C、定向接头D、无磁钻铤E组成，各部件通过螺纹丝扣H连接。图3中F为第1扶正器，G为第2扶正器，两个扶正器F与G之间的距离，可以通过单弯螺杆B、和稳定器C增加接头来调整，扶正器F和G的直径仅比钻头直径小2-6mm，通过调整扶正器直径与之间的距离，方可使钻具组合达到良好的稳斜效果。图3中L为单弯螺杆B弯点，在滑动钻进中就可通过单弯螺杆B达以改变井眼轨迹井斜与方位，控制钻头往油气更富集的区域钻进。
稳斜钻具组合是刚性满眼钻具结构，即将2-3个稳定器通过螺杆及钻铤连接，通过增大下部钻具组合的刚性，控制下部钻具在钻压作用下达到稳定井斜和方位的效果。为了使钻具组合达到稳斜效果，必须选择与钻头直径相关很小的扶正器，造成钻具满眼钻进，会引起以下几点问题：
(1)摩阻扭矩大：满眼扶正器增加了钻具与井壁的接触面积，加大了摩擦阻力，使得井下钻具与井壁的摩阻和扭矩大幅度增加，水平段越长摩阻扭矩对钻进影响越大；
(2)滑动定向困难：滑动钻进中，钻具不旋转，钻具与井壁的摩阻达到最大，水平段越长钻压传递越困难，部分钻压被钻具扶正器与井壁摩擦力所抵消，钻压难以传递到钻头，造成滑效率差；
(3)井筒清洁难：扶正器处环空间隙小，流道不畅通，造成岩屑运移受阻，运移速度慢，岩屑易沉积在井眼低边，容易形成沉沙，沙桥，形成岩屑床，而岩屑床的存在也会增大钻具与井壁的摩阻。
基于以上原因，轻则会影响钻井速度，导致水平段延伸钻进困难，若遇泥岩膨胀、缩径、沉沙、沙堵等复杂情况，会造成卡钻等钻井事故发生。
发明内容
本发明提供了一种水平段高效无扶振荡钻具组合及方法，目的在于提供一种摩阻扭矩小、滑动定向方便，且井筒清洁简单的钻具组合及方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种水平段高效无扶振荡钻具组合，包括钻头、单弯螺杆、定向接头和无磁钻铤；所述的钻头、单弯螺杆、定向接头和无磁钻铤依次顺序可拆卸连接。
所述的钻头、单弯螺杆、定向接头和无磁钻铤之间通过螺纹丝扣连接。
还包括水力振荡部件；所述的水力振荡部件的盘阀总成连接在单弯螺杆的动力部件底部。
所述的水力振荡部件采用的是水力振荡器。
所述的单弯螺杆的中部有弯折，弯折处形成杠杆支点。
所述的杠杆支点到单弯螺杆与钻头接头处的距离为X，X值的范围为2m～3m。
所述的单弯螺杆的中部弯折后形成的夹角的一条边与另一条边的反向延长线的角度为0.25°、0.5°、0.75°、1°、1.25°或1.5°。
一种水平段高效无扶振荡钻具组合的使用方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一：确定单弯螺杆上的杠杆支点到单弯螺杆与钻头接头处的距离X；
步骤二：根据步骤一得到的结果及钻井区域的储油层状态，选择相应弯折角度的单弯螺杆后对单弯螺杆进行弯折处理；
步骤三：将钻头、单弯螺杆、定向接头和无磁钻铤；所述的钻头、单弯螺杆、定向接头和无磁钻铤依次顺序可拆卸连接；
步骤四：在井上给水平段高效无扶振荡钻具组合施加钻压，实施开采。
所述的单弯螺杆上的杠杆支点到单弯螺杆与钻头接头处的距离X的确定方法为：
第一步：计算导向力
根据本发明所在的井斜角和方位角确定钻头的位置，设定初始位置为0°，以增斜、降斜、增方位及降方位将旋转一周分为四个区间进行分布力求平均值，得到钻头处受到的导向力的大小；
钻头处的受力用向量表示其大小和方向，向量FHi可以分解为导向力Fxi和方位力Fyi，且与导向力的夹角为αi即方位角。设定Fx为增斜方向力，Fy为方位方向力，在其钻头处受到的导向合力为在其钻头处受到的导向合力为FHi，
即：
当n＝0-90时，
即为导向力增斜增方位的合力；
当n＝91-180时，
即为导向力降斜增方位的合力；
当n＝181-270时，
即为导向力降斜降方位的合力；
当n＝271-360时，
即为导向力增斜降方位增斜降方位的合力；
其合力为：
第二步：确定的X值；
分别将X取值为1m、1.5m、2m、2.5m、3m的单弯螺杆进行弯折相应角度后，将连接好的水平段高效无扶振荡钻具组合下井，随后，在地面对水平段高效无扶振荡钻具组合施压，测取钻头的侧向力，根据测取数据及钻具的使用寿命因素，选择X值。
所述的在地面对水平段高效无扶振荡钻具组合施压的压力值为根据预设钻压减去螺杆重量。
有益效果：
(1)本发明与现有技术相比，减少了两个扶正器，使井下钻具最小处的环空间隙由原来的2-6mm，大幅度的增加为44-51mm。环空通道的增大，有利于井筒清洁，同时大大降低了钻具与井壁之间的摩擦阻力。
(2)本发明中水力振荡部件的设置，通过自身产生的轴向振动，提高了钻进过程中钻压传递的有效性，并减少了井下钻具组合与井眼之间的摩阻，极大的解决了钻压传递到钻头的问题。
(3)本发明具有良好的稳斜效果，满足了水平段钻井施工要求，有利于水平段探层、找层及延伸水平段，提高水平井施工效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚的了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例，详细说明如后。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的构成图；
图2是图1去掉扶正器后示意图；
图3是现有技术的钻具构成图；
图4是造斜力与方位力对应关系图；
图5是单弯螺杆的杠杆支点与钻头距离对钻关侧向力的影响示意图。
图中：1-钻头；2-单弯螺杆；3-稳定器；4-定向接头；5-无磁钻铤；6-第一扶正器；7-第二扶正器；8-螺纹丝扣；9-水力振荡部件；10-杠杆支点；11-环空间隙；X-杠杆支点到单弯螺杆与钻头接头处的距离；Y-钻头侧向力。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一：
参照图1和图2一种水平段高效无扶振荡钻具组合，包括钻头1、单弯螺杆2、定向接头4和无磁钻铤5；所述的钻头1、单弯螺杆2、定向接头4和无磁钻铤5依次顺序可拆卸连接。
本发明与现有技术的双扶钻具组合相比，减少了两个扶正器，使得钻具最小处的环空间隙11由原来的2-6mm，大幅度的增加为44-51mm，如图3所示。环空通道的增大，对于井筒的清洁非常有利，同时也大大降低了钻具与井壁之间的摩擦阻力。
减少了两个扶正器，可以大大提高滑动钻进的效率减少滑动井段，有利于水平段探层、找层，有利于延伸水平段，提高水平井施工效益。
实施例二：
参照图1和图2所示的一种水平段高效无扶振荡钻具组合，与实施例一不同之处在于：所述的钻头1、单弯螺杆2、定向接头4和无磁钻铤5之间通过螺纹丝扣8连接。
在实际使用时，钻头1、单弯螺杆2、定向接头4和无磁钻铤5之间通过螺纹丝扣8连接的技术方案，使得不见得连接、拆卸及维修都非常便利。
实施例三：
参照图1和图2所示的一种水平段高效无扶振荡钻具组合，在实施例一的基础上：还包括水力振荡部件9；所述的水力振荡部件9的盘阀总成连接在单弯螺杆2的动力部件底部。
进一步的，所述的水力振荡部件9采用的是水力振荡器。
在实际使用时，在单弯螺杆2内设置水力振荡部件9，由于水力振荡部件9的盘阀总成连接在单弯螺杆2的动力部件底部，将螺杆动力转化为水力压力脉冲，这些压力脉冲反馈到振荡部件9将产生轴振荡，从而实现水力压力脉冲转化为轴向上、下振荡的机械能。通过水力振荡部件9自身产生的轴向振动，来提高钻进过程中钻压传递的有效性和减少本发明与井眼之间的摩阻，极大的解决了钻压传递到钻头的问题，有效提高了钻井效率。
实施例四：
参照图1和图2所示的一种水平段高效无扶振荡钻具组合，在实施例一的基础上：所述的单弯螺杆2的中部有弯折，弯折处形成杠杆支点10。
进一步的，所述的杠杆支点10到单弯螺杆2与钻头1接头处的距离为X，X值的范围为2m～3m。
进一步的，所述的单弯螺杆2的中部弯折后形成的夹角的一条边与另一条边的反向延长线的角度为0.25°、0.5°、0.75°、1°、1.25°或1.5°。
在实际使用时，在本发明处于滑动钻进状态时，若X值增大，钻压通过钻具传递，以L为杠杆支点，以X为杠杆臂，则持续给钻头的侧向力Y就会增加，使得滑动造斜率大幅度的提高。在本发明处于复合钻进状态时，由于经过受力分析选择最佳的X值，钻头以井下钻具组合轴为中心，以X为舞臂进行顺时旋转，产生陀螺同轴效应，使钻头沿原有井眼轨迹方向钻进，从而钻具复合造斜率低。当X值的范围为2m～3m为最优。
实施例五：
一种水平段高效无扶振荡钻具组合的使用方法，包括如下步骤，
步骤一：确定单弯螺杆2上的杠杆支点10到单弯螺杆2与钻头1接头处的距离X；
步骤二：根据步骤一得到的结果及钻井区域的储油层状态，选择相应弯折角度的单弯螺杆2后对单弯螺杆2进行弯折处理；
步骤三：将钻头1、单弯螺杆2、定向接头4和无磁钻铤5；所述的钻头1、单弯螺杆2、定向接头4和无磁钻铤5依次顺序可拆卸连接；
步骤四：在井上给水平段高效无扶振荡钻具组合施加钻压，实施开采。
进一步的，所述的单弯螺杆2上的杠杆支点10到单弯螺杆2与钻头1接头处的距离X的确定方法为：
第一步：计算导向力
根据本发明所在的井斜角和方位角确定钻头的位置，设定初始位置为0°，以增斜、降斜、增方位及降方位将旋转一周分为四个区间进行分布力求平均值，得到钻头处受到的导向力的大小；
钻头处的受力用向量表示其大小和方向，向量FHi可以分解为导向力Fxi和方位力Fyi，且与导向力的夹角为αi即方位角。设定Fx为增斜方向力，Fy为方位方向力，在其钻头处受到的导向合力为在其钻头处受到的导向合力为FHi，
即：
当n＝0-90时，
即为导向力增斜增方位的合力；
当n＝91-180时，
即为导向力降斜增方位的合力；
当n＝181-270时，
即为导向力降斜降方位的合力；
当n＝271-360时，
即为导向力增斜降方位增斜降方位的合力；
其合力为：
第二步：确定的X值；
分别将X取值为1m、1.5m、2m、2.5m、3m的单弯螺杆2进行弯折相应角度后，将连接好的水平段高效无扶振荡钻具组合下井，随后，在地面对水平段高效无扶振荡钻具组合施压，测取钻头1的侧向力，根据测取数据及钻具的使用寿命因素，选择X值。
更进一步的，所述的在地面对水平段高效无扶振荡钻具组合施压的压力值为根据预设钻压减去螺杆重量。
在具体使用时，针对单弯螺杆2复合钻进时，以钻头1处受力大小及方向分布为方法，研究井下钻具导向钻进能力。采用有限元方法建立底部钻具组合的数值模型，总结底部钻具组合中一些结构尺寸的改变及在不同的状态时钻头处导向效果变化的规律，从而为现场底部钻具组合的结构尺寸的优选和现场导向钻进时的钻井参数设定提供一定的理论依据。
根据本发明所在的井斜角和方位角确定钻头的位置，设定初始位置为0°，钻柱每旋转一周，工具面装置角从0-360°，通过数值计算得到每一步钻头所受到增、降斜力的大小。为了便于量化分析，以增斜、降斜、增方位及降方位将旋转一周分为四个区间进行分布力求平均值，得到钻头处受到的导向力的大小。
钻头处的受力用向量表示其大小和方向，向量FHi可以分解为导向力Fxi和方位力Fyi，且与导向力的夹角为αi即方位角。设定Fx为增斜方向力，Fy为方位方向力，在其钻头处受到的导向合力为在其钻头处受到的导向合力为FHi，
即：
当n＝0-90时，
即为导向力增斜增方位的合力；
当n＝91-180时，
即为导向力降斜增方位的合力；
当n＝181-270时，
即为导向力降斜降方位的合力；
当n＝271-360时，
即为导向力增斜降方位增斜降方位的合力。
复合钻进时，钻头转角正负交替变化。当单弯螺杆2的弯点即杠杆支点10位于下井壁时,钻头1的倾角是沿井斜的方向；当杠杆支点10转到上井壁时,钻头1倾角的方向发生变化，变为与井斜方向相反的方向。单弯螺杆2在转动一周时,钻头1倾角的正负交替变化,可以抵消钻头1倾角导致井斜。
本发明旋转钻进可以视为一个导向工具面不断有规律改变的过程，其总体导向效果应该用钻柱旋转一周、工具面装置角从0转到360的变化过程中钻头上的合导向力矢量来表述。其合力为：
图4为造斜力与方位力对应关系图，工具面装置角从0转到360的变化过程，每旋转10取1个点，每个点都力的矢量都分解为增斜方向力Fx与方向力Fy。第1象限为导向力增斜增方位区间，第2象限为导向力降斜增方位区间，第3象限为导向力降斜降方位区间，第4象限为导向力增斜降方位区间。
确定的X值时，首先分析影响本发明控制增斜、稳斜及降斜的因素,对改进单弯螺杆结构和组合形式，指导现场施工参数的制定,达到最佳的井斜控制效果具有重要的实践意义。概括起来，影响本发明控制井斜的因素主要有：单弯点安放位置、钻压、螺杆弯角大小、钻具尺寸、井眼尺寸及井斜角等等因素。
采用以下列限定条件进行模拟计算(其中的φ表示直径)：
钻具组合:φ215.9mmPDC钻头+9LZφ165螺杆(0.75)+φ159mm钻铤1根+φ159mm短钻铤1根(3m)+φ159mm钻铤+φ127mm钻杆。
泥浆密度：1.15mg/cm3；
转盘转速：60r min；
钻压：25kN；
螺杆长度：6.5m；
螺杆重量：830kg；
井斜角：90°。
X值分别取距钻头1m、1.5m、2m、2.5m、3m处进行计算，结果见图5。从图5可知，杠杆支点到单弯螺杆与钻头接头处的距离即X的变化对钻头侧向力有很大的影响，X从1m变到3m时钻头1侧向力从-485.75N变化到-763.52N，几乎增加了2倍。考虑到钻具的使用寿命，钻具钢级材料等因素，当X值为：2.5-3m时为最佳。
3、现场试验情况
本技术发明在某油田陇东区域白*H1、白*H2两口探井水平井进行了现场试验。
钻具组合：φ215.9mm钻头(5刀翼、φ16mm齿)+φ172mm近钻头方位伽玛(长0.8m)+φ172mm可调式震荡螺杆(1.25°，长8.09m)+411*410浮阀+411*410定向接头+411*410无磁短钻铤+φ172mm无磁绝缘短节+φ127mm无磁承压钻杆+φ127mm加重钻杆3柱+φ127mm钻杆(85柱)+φ127mm加重钻杆13柱+φ127mm钻杆；
X值为：2.76m；
钻井参数如下：
复合钻压：40-60KN；
定向钻压：200-240KN(摩阻12-16T)；
转速：40-45转/分；
排量：28-32L/S；
泵压：14-16Mpa；
泥浆密度：1.24-1.29g/cm3；
粘度：49-52S；
失水：3.5-4，PH9.0。
在试验中采用本发明，上提下放摩阻由双扶钻具组合的24吨，降至12吨，摩阻减少了50％；且采用本发明，水平段施工滑动造斜率高达9-13°/30m，复合造斜率为0.2-0.5°/100m。创下连续复合钻进131米，井斜仅微增0.3°的良好稳斜效果，该技术滑动效率高，稳斜效果好，减少滑动井段，有利于水平段探层、找层，有利于延伸水平段，提高水平井施工效率。
表1白*H2水平段轨迹部分数据表
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
在不冲突的情况下，本领域的技术人员可以根据实际情况将上述各示例中相关的技术特征相互组合，以达到相应的技术效果，具体对于各种组合情况在此不一一赘述。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种水平段高效无扶振荡钻具组合，其特征在于：包括钻头(1)、单弯螺杆(2)、定向接头(4)和无磁钻铤(5)；所述的钻头(1)、单弯螺杆(2)、定向接头(4)和无磁钻铤(5)依次顺序可拆卸连接。
2.如权利要求1所述的一种水平段高效无扶振荡钻具组合，其特征在于：所述的钻头(1)、单弯螺杆(2)、定向接头(4)和无磁钻铤(5)之间通过螺纹丝扣(8)连接。
3.如权利要求1所述的一种水平段高效无扶振荡钻具组合，其特征在于：还包括水力振荡部件(9)；所述的水力振荡部件(9)的盘阀总成连接在单弯螺杆(2)的动力部件底部。
4.如权利要求3所述的一种水平段高效无扶振荡钻具组合，其特征在于：所述的水力振荡部件(9)采用的是水力振荡器。
5.如权利要求1所述的一种水平段高效无扶振荡钻具组合，其特征在于：所述的单弯螺杆(2)的中部有弯折，弯折处形成杠杆支点(10)。
6.如权利要求5所述的一种水平段高效无扶振荡钻具组合，其特征在于：所述的杠杆支点(10)到单弯螺杆(2)与钻头(1)接头处的距离为X，X值的范围为2m～3m。
7.如权利要求5所述的一种水平段高效无扶振荡钻具组合，其特征在于：所述的单弯螺杆(2)的中部弯折后形成的夹角的一条边与另一条边的反向延长线的角度为0.25°、0.5°、0.75°、1°、1.25°或1.5°。
8.一种水平段高效无扶振荡钻具组合的使用方法，其特征在于，包括如下步骤，
步骤一：确定单弯螺杆(2)上的杠杆支点(10)到单弯螺杆(2)与钻头(1)接头处的距离X；
步骤二：根据步骤一得到的结果及钻井区域的储油层状态，选择相应弯折角度的单弯螺杆(2)后对单弯螺杆(2)进行弯折处理；
步骤三：将钻头(1)、单弯螺杆(2)、定向接头(4)和无磁钻铤(5)；所述的钻头(1)、单弯螺杆(2)、定向接头(4)和无磁钻铤(5)依次顺序可拆卸连接；
步骤四：在井上给水平段高效无扶振荡钻具组合施加钻压，实施开采。
9.如权利要求8所述的一种水平段高效无扶振荡钻具组合的使用方法，其特征在于，所述的单弯螺杆(2)上的杠杆支点(10)到单弯螺杆(2)与钻头(1)接头处的距离X的确定方法为：
第一步：计算导向力
根据本发明所在的井斜角和方位角确定钻头的位置，设定初始位置为0°，以增斜、降斜、增方位及降方位将旋转一周分为四个区间进行分布力求平均值，得到钻头处受到的导向力的大小；
钻头处的受力用向量表示其大小和方向，向量FHi可以分解为导向力Fxi和方位力Fyi，且与导向力的夹角为αi即方位角；设定Fx为增斜方向力，Fy为方位方向力，在其钻头处受到的导向合力为在其钻头处受到的导向合力为FHi，
即：
当n＝0-90时，
即为导向力增斜增方位的合力；
当n＝91-180时，
即为导向力降斜增方位的合力；
当n＝181-270时，
即为导向力降斜降方位的合力；
当n＝271-360时，
即为导向力增斜降方位增斜降方位的合力；
其合力为：
第二步：确定的X值；
分别将X取值为1m、1.5m、2m、2.5m、3m的单弯螺杆(2)进行弯折相应角度后，将连接好的水平段高效无扶振荡钻具组合下井，随后，在地面对水平段高效无扶振荡钻具组合施压，测取钻头(1)的侧向力，根据测取数据及钻具的使用寿命因素，选择X值。
10.如权利要求9所述的一种水平段高效无扶振荡钻具组合的使用方法，其特征在于，所述的在地面对水平段高效无扶振荡钻具组合施压的压力值为根据预设钻压减去螺杆重量。
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