CN203685033U

CN203685033U - 一种防斜底部钻具组合

Info

Publication number: CN203685033U
Application number: CN201320837960.4U
Authority: CN
Inventors: 张国辉; 童振; 张希文; 胡贵; 刘新云
Original assignee: China Petroleum and Natural Gas Co Ltd
Current assignee: China Petroleum and Natural Gas Co Ltd
Priority date: 2013-12-18
Filing date: 2013-12-18
Publication date: 2014-07-02
Anticipated expiration: 2023-12-18

Abstract

本实用新型公开了一种防斜底部钻具组合，包括：钻头、近钻头稳定器、单弯螺杆、钻铤、上稳定器。其中所述钻头与所述单弯螺杆的一端通过丝扣连接；所述近钻头稳定器设置在单弯螺杆连接钻头的一端，并与之一体成型；所述单弯螺杆另一端与所述钻铤的一端通过丝扣连接；所述上稳定器套设在钻铤上；所述近钻头稳定器中心至上稳定器中心之间的距离L2与近钻头稳定器中心至钻头底部的距离L1的比值的大小通过所述上稳定器在所述钻铤上的位置调节，且所述比值随着地层倾角的增大而减小。所述防斜底部钻具组合，针对不同的地层倾角，通过设置近钻头稳定器和上稳定器之间的距离，可以实现在较高钻压和钻速下，防斜打直。

Description

一种防斜底部钻具组合

技术领域

本实用新型涉及油气田钻探领域，特别是涉及一种用于软地层的防斜底部钻具组合。

背景技术

随着油气田钻探开发的不断深入，待开发钻进的地层结构越来越复杂。

在钻直井时，如图1所示，对于地层倾角A比较大的高陡构造等易斜地层，在没有采取任何防斜措施的情况下，钻具1在所述地层中进行钻进时，钻孔容易倾斜，产生井斜问题。其中所述地层倾角A具体是指岩层层面最大倾斜线F1的下倾方向与水平面E1所夹的夹角。所述地层倾角A越大，井越不容易打直，井斜角B就越大。所述井斜角B即井斜，如图1所示，具体是指过井眼轨迹线L3上某点O的方向线F2与铅垂线E2之间的夹角。井斜角表示了井眼轨迹在某点处倾斜的大小。在所述易斜地层钻直井时，如何采取有效的措施做好防斜打直工作，使井斜角B尽量小是钻井过程中最为关注和亟待解决的问题之一。

能够对所述井斜产生影响的主要因素包括：地质条件、钻具组合、操作技术等。其中关于钻具组合，假如设计合理，在钻直井时，能够起到较好的防斜和纠斜作用。关于所述钻具组合，2011年12年14日公布的中国专利说明书CN102278066A给出了一种实现方式。CN102278066A专利说明书中公开的一种底部钻具组合方案。如图2所示，所述复合钻井防斜打快底部钻具组合包括：钻头1、近钻头稳定器2、单弯螺杆3、短钻铤4、上稳定器5和钻铤6。所述钻头1连接一个所述单弯螺杆3。所述单弯螺杆3带一个所述近钻头稳定器2。所述单弯螺杆3连接一个所述短钻铤4。所述短钻铤4连接一个所述上稳定器5。所述上稳定器5通过所述钻铤6连接上部钻柱。所述上稳定器5相对于钻铤6的位置是固定的。

上所述上稳点器5相对于近钻头稳定器2的位置固定而不能随意调节，难于适应实际情况中不同地层倾角地质条件下的防斜打直。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种防斜底部钻具组合，从而实现在不同的地层倾角下，都能实现防斜打直。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：

一种防斜底部钻具组合，包括：钻头、近钻头稳定器、单弯螺杆、钻铤、上稳定器。其中所述钻头包括头部和柄部，所述钻头的柄部与所述单弯螺杆的一端通过丝扣连接；所述近钻头稳定器设置在单弯螺杆连接钻头的一端，并与之一体成型；所述单弯螺杆另一端与所述钻铤的一端通过丝扣连接；所述单弯螺杆在螺杆杆身上设置有一个弯点；所述上稳定器套设在钻铤上；所述近钻头稳定器中心至上稳定器中心之间的距离L2与近钻头稳定器中心至钻头底部的距离L1的比值的大小通过所述上稳定器在所述钻铤上的位置调节，且所述L2与L1的比值随着地层倾角的增大而减小。

在优选的实施方式中，所述单弯螺杆在螺杆杆身上设置有一个弯点，所述弯点处的弯角为θ，所述θ角度的范围在0.5度至1.75度之间。

在优选的实施方式中，所述近钻头稳定器中心至上稳定器中心之间的距离L2与近钻头稳定器中心至钻头底部的距离L1的比值具体如下：

当单弯螺杆的弯角θ角为1.5度的情况下：

地层倾角为0度至10度时，L2与L1比值为17至20；或，

地层倾角为10度至20度时，L2与L1比值为15.5至17；或，

地层倾角为20度至30度时，L2与L1比值为13.5至15.5；或，

地层倾角为30度以上时，L2与L1比值小于13.5。

当单弯螺杆的弯角θ角为1.25度的情况下：

地层倾角为0度至10度时，L2与L1比值为20至25；或，

地层倾角为10度至20度时，L2与L1比值为17.5至20；或，

地层倾角为20度至30度时，L2与L1比值为15至17.5；或，

地层倾角为30度以上时，L2与L1比值小于15。

当单弯螺杆的弯角θ角为1.0度的情况下：

地层倾角为0度至10度时，L2与L1比值为25至30；或，

地层倾角为10度至20度时，L2与L1比值为20至25；或，

地层倾角为20度至30度时，L2与L1比值为17.5至20；或，

地层倾角为30度以上时，L2与L1比值小于17.5。

在优选的实施方式中，所述近钻头稳定器为螺旋稳定器或直棱稳定器，所述近钻头稳定器上有4至6条扶正条。

在优选的实施方式中，所述上稳定器为弹性扶正器。

在优选的实施方式中，所述近钻头稳定器的外径小于井眼直径30毫米至40毫米。

在优选的实施方式中，所述上稳定器的外径小于井眼直径15毫米至35毫米。

在优选的实施方式中，单弯螺杆在螺杆杆身上设置有一个弯点，所述弯点距离近钻头稳定器中心的距离为1米至1.2米。

本实用新型特点和优点是：所述防斜底部钻具组合，可以根据不同的地层倾角，调节上稳定器在钻铤上的合适位置，确定出适应不同地层倾角的钻具组合参数，利用底部钻具组合的动力学特性来给钻头提供防斜力，从而实现在保持较高钻压、较大钻速时，防斜打直。

附图说明

图1是现有技术中基本参量示意图；

图2是现有技术中一种底部钻具组合结构示意图；

图3是本实用新型第一实施例一种防斜底部钻具组合结构示意图；

图4是本实用新型第一实施例一种防斜底部钻具组合受力模型图Ⅰ；

图5是本实用新型第一实施例一种防斜底部钻具组合受力模型图Ⅱ；

图6是本实用新型第一实施例一种防斜底部钻具组合受力模型图Ⅲ。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本实用新型的技术方案作详细说明，应当理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落入本申请所附权利要求所限定的范围内。

本实用新型所述的一种防斜底部钻具组合如图3所示，所述防斜底部钻具组合包括：钻头1、近钻头稳定器2、单弯螺杆3、钻铤4和上稳定器5。

其中，所述钻头1整体包括：头部11和柄部12。所述钻头1的柄部12与单弯螺杆3的一端通过丝扣连接。所述钻头1可由地面驱动装置和井下螺杆复合驱动，以获得更高的钻速。在钻井过程中，所述钻头1通过由地面驱动装置和井下螺杆复合驱动，获得较高钻速后，所述钻头1的头部11在旋转时具有冲击、压碎和剪切破碎地层岩石的作用。所述钻头1可以选用高速牙轮钻头或PDC钻头。

所述近钻头稳定器2，也可称作近钻头扶正器。所述近钻头稳定器2的结构可以为螺旋稳定器或者直棱稳定器。所述螺旋稳定器或者直棱稳定器上有4至6条扶正条。所述近钻头稳定器2设置在单弯螺杆3连接钻头1一端的外围上。所述近钻头稳定器2与单弯螺杆3可为整体加工。所述近钻头稳定器2的中心至钻头1底部的距离为L1。所述L1长度可为0.8米至1.2米。所述近钻头稳定器2的外径为小于井眼直径30至40毫米。所述防斜底部钻具组合在高速旋转时，所述近钻头稳定器2能够保证单弯螺杆3平稳运转，使所述钻头1的轴线尽可能接近钻孔中心线，从而减轻所述防斜底部钻具组合在井眼内的径向和轴向的剧烈振动，减少钻头1和单弯螺杆3的偏磨，同时防止井斜。

所述单弯螺杆3，一端与钻头1的柄部12通过丝扣连接；另一端和钻铤4也通过丝扣连接。所述单弯螺杆3在靠近钻头1连接的一端，其外围设置有近钻头稳定器2。所述单弯螺杆3与所述近钻头稳定器2可以整体加工。所述单弯螺杆3在螺杆杆身上设置有一个弯点31。所述弯点31处的弯角为θ，所述θ角度的范围在0.5度至1.75度之间。所述弯角θ越大，则钻井所形成的井壁越光滑。因此所述如何选择弯角的大小主要取决于井壁光滑度的要求。所述单弯螺杆3的弯点31到近钻头稳定器2中点的距离为L21。所述L21的长度可为1米至1.2米。

所述钻铤4一端与单弯螺杆3通过丝扣连接。所述钻铤4的另一端与上部钻柱通过丝扣连接。在所述钻铤4外围设置有上稳定器5。

所述上稳定器5可为弹性稳定器，即弹性扶正器。所述上稳定器5的外径小于井眼直径15毫米至35毫米。所述上稳定器5可根据需要套设在钻铤4外围的任意位置上。所述上稳定器5可以通过卡箍卡在所述钻铤4的外围，与所述钻铤4实现相对固定。所述上稳定器5中心至近钻头稳定器2中心之间的距离为L2。在钻直井时，针对不同的地层倾角，可以设置合理的上稳定器5中心至近钻头稳定器2中心的距离L2。在近钻头稳定器2的中心至钻头1底部的距离为L1一定时，所述L2设置的合理，可以减少底部钻具组合发生弯曲变形的程度，减少钻头偏离原来方向的机会，从而起到防斜、纠斜的作用。另外所述上稳定器5套设在所述钻铤4的外围后，可以避免钻铤4与井壁之间的摩擦，防止钻铤4的磨损。

在石油钻井中，追求的目标是以最快的钻速完成钻井。而所述钻速的提高可以通过提高钻压来实现。当所述钻压提高后，会产生钻具组合在井中发生弯曲的问题，甚至是发生钻具组合粘卡在井壁上的事故。另外所述钻压提高后，钻具组合在井中发生弯曲，钻头很有可能偏离原来设定的方向，此时就需要纠斜。本实用新型中提供的一种防斜底部钻具组合，通过设置近钻头稳定器2和上稳定器5，根据不同的地层倾角选择钻具组合的参数，特别是近钻头稳定器2中心至上稳定器5之间的距离，可以减少钻具组合发生弯曲变形的程度，减少钻头偏离原来方向的机会，从而实现防斜打直。

具体而言，在本实用新型中，通过在所述钻铤4上设置上稳定器5以及在单弯螺杆3上设置近钻头稳定器2，可以减少钻具组合的弯曲变形程度，减少所述钻具组合与井壁间的摩擦，还可以减少钻具组合粘卡在井壁上的事故。本实用新型中所述防斜底部钻具组合通过所述近钻头稳定器2和上稳定器5之间设置合理的距离可以使得所述防斜底部钻具组合在钻进的过程中在不牺牲钻压，保证钻速的前提下，能够达到防斜打快的效果。所述近钻头稳定器2和上稳定器5的相对位置对整个防斜底部钻具组合带来的影响具体见图3至图5。

如图4所示，为本实用新型第一实施例一种防斜底部钻具组合受力模型图Ⅰ。在同样的地层倾角、同样的弯角下，所述近钻头稳定器中心2和上稳定器5中心之间的距离为L2，取值为5米至8米之间；近钻头稳定器2的中心至钻头底部的距离为L1，取值为0.9米至1米。经受力分析后，发现所述钻具组合所受合力P1位于上稳定器5的上方远离钻头1的一端，且所述合力P1的数值较大，导致所述钻具组合弯曲变形较大，容易粘卡在井壁上，不利于钻具组合的防斜打直。

如图5所示，为本实用新型第一实施例一种防斜底部钻具组合受力模型图Ⅱ。在同样的地层倾角、同样的弯角下，所述近钻头稳定器中心2至上稳定器5中心之间的距离为L2，取值为20米至25米之间；近钻头稳定器2的中心至钻头底部的距离为L1，取值为0.9米至1米。经受力分析后，发现所述钻具组合所受合力P2位于近钻头稳定器2和上稳定器5之间，但由于所述近钻头稳定器2和上稳定器5之间的距离太大，合力P2的数值较大，导致所述钻具组合弯曲变形较大，容易粘卡在井壁上，不利于钻具组合的防斜打直。

如图6所示，为本实用新型第一实施例一种防斜底部钻具组合受力模型图Ⅲ。在同样的地层倾角、同样的弯角下，所述近钻头稳定器中心2和上稳定器5中心之间的距离为L2，取值为16米至18米之间；近钻头稳定器2的中心至钻头底部的距离为L1，取值为0.9米至1米。经受力分析后，发现所述防斜底部钻具组合所受合力分为P3和P4，分别位于近钻头稳定器2和上稳定器5之间和上稳定器5上方远离钻头1的一端，而且所述P3和P4的数值较小，导致所述钻具组合弯曲变形小，不容易粘卡在井壁上，有利于钻具组合的防斜打直。

另外当所述地层倾角发生变化时，所述钻具组合受力也会变化。正常情况下，地层倾角越大，所述钻具组合受到垂直于井眼轴向的力越大，则所述近钻头稳定器中心2至上稳定器5中心之间的距离为L2与近钻头稳定器2的中心至钻头底部的距离为L1之间的比值应该越小。反之当顶层倾角越小时，所述钻具组合受到垂直于井眼轴向的力就越小，则所述近钻头稳定器中心2至上稳定器5中心之间的距离为L2与近钻头稳定器2的中心至钻头底部的距离为L1之间的比值应该越大。

下面结合现场数据，对本实用新型第一实施例进一步说明。由于在一般情况下，所述地层倾角在几百米范围内变化很小，可以近似认为是一个数。因此在地层倾角基本相同的一个地方，已知所述地层倾角为5.0度。

第一方案：地层倾角5度，直径为215.9mm井眼用所述防斜底部钻具组合进行钻井。所述防斜底部钻具组合的参数为：

L1=0.9米，L21=1.1米，L2=16.5米，Db=215.9毫米，Ds1=208毫米，Ds2=215毫米，Do=172毫米，Dos=165毫米，θ=1.5度。

其中：

L1为近钻头稳定器2的中心至所述钻头1的底端距离；

L21为单弯螺杆3的弯点到所述近钻头稳定器2中点的距离；

L2为近钻头稳定器2的中心至上稳定器5中心之间的距离；

Db为钻头1的外径；

Ds1为近钻头稳定器2的外径；

Ds2为上稳定器5的外径；

Do为单弯螺杆3的外径；

Dos为钻铤4的外径；

θ为单弯螺杆3的弯角。

第二方案：地层倾角也为5度，直径为215.9mm井眼用所述钻具组合进行钻井。但是所述钻具组合与第一方案的钻具组合相比，L2与L1之间的比值取的是现场一般的数据，所述防斜底部钻具组合的参数为：

L1=0.9米；L21=1.1米，L2=8米，Db=215.9毫米，Ds1=208毫米，Ds2=215毫米，Do=172毫米，Dos=165毫米，θ=1.5度。

其中：

L1为近钻头稳定器2的中心至所述钻头1的底端距离；

L21为单弯螺杆3的弯点到所述近钻头稳定器2中点的距离；

L2为近钻头稳定器2的中心至上稳定器5中心之间的距离；

Db为钻头1的外径；

Ds1为近钻头稳定器2的外径；

Ds2为上稳定器5的外径；

Do为单弯螺杆3的外径；

Dos为钻铤4的外径；

θ为单弯螺杆3的弯角。

利用这两种不同的方案在青海昆北油田进行钻井,在二开井段400米至2100米之间，均采用所述防斜底部钻具组合进行钻井。利用第一方案的参数进行钻井时，可以实现全程复合钻井，实际钻压达到80千牛至100千牛,机械钻速达到47米/小时。利用第二方案的参数进行钻井时，钻压为60千牛至80千牛，且钻井过程需要纠斜4次，纠斜井段59米，纠斜时钻速仅为5.3米/小时，二开井段平均机械钻速36米/小时。

通过现场实践验证了：利用所述防斜底部钻具组合通过调整近钻头稳定器中心2至上稳定器5中心之间的距离为L2与近钻头稳定器2的中心至钻头底部的距离为L1之间的比值，防斜底部钻具组合能够起到防斜打直的作用。

针对现场实际情况，本实用新型提出了采用弯角在1.5度、1.25度和1.0度的单弯螺杆下L2与L1的比值关系。

第一种情况，当采用弯角θ为1.5度的单弯螺杆3时：在地层倾角为0度至10度时，L2与L1比值为17至20；在地层倾角为10度至20度时，L2与L1比值为15.5至17；在地层倾角为20度至30度时，L2与L1比值为13.5至15.5；在地层倾角为30度以上时，L2与L1比值小于13.5。

第二种情况，当采用弯角θ为1.25度单弯螺杆3时：在地层倾角为0度至10度时，L2与L1比值为20至25；在地层倾角为10度至20度时，L2与L1比值为17.5至20；在地层倾角为20度至30度时，L2与L1比值为15至17.5；在地层倾角为30度以上时，L2与L1比值小于15。

第三种情况，当采用弯角θ为1.0度单弯螺杆3时：在地层倾角为0度至10度时，L2与L1比值为25至30；在地层倾角为10度至20度时，L2与L1比值为20至25；在地层倾角为20度至30度时，L2与L1比值为17.5至20；在地层倾角为30度以上时，L2与L1比值小于17.5。

本实用新型提供的所述一种防斜底部钻具组合，能够针对不同的地层，选择近钻头稳定器中心2至上稳定器5中心之间的距离为L2与近钻头稳定器2的中心至钻头底部的距离为L1之间的比值，利用底部钻具组合的动力学特性来给钻头提供防斜力，能够起到防斜打直的作用，且成本低、实用性强。

Claims

1.一种防斜底部钻具组合，其特征在于，包括：钻头（1）、近钻头稳定器（2）、单弯螺杆（3）、钻铤（4）、上稳定器（5），其中所述钻头（1）与所述单弯螺杆（3）的一端通过丝扣连接；所述近钻头稳定器（2）设置在单弯螺杆（3）连接钻头（1）的一端，并与之一体成型；所述单弯螺杆（3）另一端与所述钻铤（4）的一端通过丝扣连接；所述单弯螺杆（3）在螺杆杆身上设置有一个弯点（31）；所述上稳定器（5）套设在钻铤（4）上；所述近钻头稳定器(2)中心至上稳定器(5)中心之间的距离L2与近钻头稳定器(2)中心至钻头（1）底部的距离L1的比值的大小通过所述上稳定器（5）在所述钻铤（4）上的位置调节，且所述L2与L1的比值随着地层倾角的增大而减小。

2.如权利要求1所述的一种防斜底部钻具组合，其特征在于：所述单弯螺杆（3）在螺杆杆身上设置有一个弯点（31），所述弯点（31）处的弯角为θ，所述θ角度的范围在0.5度至1.75度之间。

3.如权利要求2所述的一种防斜底部钻具组合，其特征在于：所述近钻头稳定器(2)中心至上稳定器(5)中心之间的距离L2与近钻头稳定器(2)中心至钻头（1）底部的距离L1的比值具体如下：

当单弯螺杆（3）的弯角θ角为1.5度的情况下：

地层倾角为0度至10度时，L2与L1比值为17至20；或，

地层倾角为10度至20度时，L2与L1比值为15.5至17；或，

地层倾角为20度至30度时，L2与L1比值为13.5至15.5；或，

地层倾角为30度以上时，L2与L1比值小于13.5。

4.如权利要求2所述的一种防斜底部钻具组合，其特征在于：所述近钻头稳定器(2)中心至上稳定器(5)中心之间的距离L2与近钻头稳定器(2)中心至钻头（1）底部的距离L1的比值具体如下：

当单弯螺杆（3）的弯角θ角为1.25度的情况下：

地层倾角为0度至10度时，L2与L1比值为20至25；或，

地层倾角为10度至20度时，L2与L1比值为17.5至20；或，

地层倾角为20度至30度时，L2与L1比值为15至17.5；或，

地层倾角为30度以上时，L2与L1比值小于15。

5.如权利要求2所述的一种防斜底部钻具组合，其特征在于：所述近钻头稳定器(2)中心至上稳定器(5)中心之间的距离L2与近钻头稳定器(2)中心至钻头（1）底部的距离L1的比值具体如下：

当单弯螺杆（3）的弯角θ角为1.0度的情况下：

地层倾角为0度至10度时，L2与L1比值为25至30；或，

地层倾角为10度至20度时，L2与L1比值为20至25；或，

地层倾角为20度至30度时，L2与L1比值为17.5至20；或，

地层倾角为30度以上时，L2与L1比值小于17.5。

6.如权利要求1所述的一种防斜底部钻具组合，其特征在于：所述近钻头稳定器（2）为螺旋稳定器或直棱稳定器，所述近钻头稳定器（2）上有4至6条扶正条。

7.如权利要求1所述的一种防斜底部钻具组合，其特征在于：所述上稳定器（5）为弹性扶正器。

8.如权利要求1所述的一种防斜底部钻具组合，其特征在于：所述近钻头稳定器（2）的外径小于井眼直径30毫米至40毫米。

9.如权利要求1所述的一种防斜底部钻具组合，其特征在于：所述上稳定器（5）的外径小于井眼直径15毫米至35毫米。

10.如权利要求1所述的一种防斜底部钻具组合，其特征在于：单弯螺杆（3）在螺杆杆身上设置有一个弯点（31），所述弯点（31）距离近钻头稳定器（2）中心的距离为1米至1.2米。