專利名稱：下部鉆具組合及其鉆井方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉆井用的下部鉆具組合及其鉆井方法。
在高陡構(gòu)造地區(qū)鉆井常出現(xiàn)井斜問題。為降低井斜，國內(nèi)外鉆井界常采用地面移動井位，滿眼鉆具組合，鐘擺鉆具組合，塔式鉆具組合及偏心鉆具組合(包括偏重鉆鋌，剛度不對稱鉆鋌)等方法，這些方法雖然對控制井斜具有一定效果，但防斜效果不明顯。目前采用較多的鐘擺鉆具組合在鉆井過程中要減少鉆壓，降低了機(jī)械轉(zhuǎn)速，因而降低了鉆井效益，增加了鉆井成本。
中國實(shí)用新型專利90201693·8號公開了一種“多功能井下鉆頭接頭”。這種鉆頭接頭是直接與鉆頭連接在一起的，其主體是一個上，下不同心的偏心接頭，主體內(nèi)裝有防止泥漿溢出的心臟部分。使用裝有這種鉆頭接頭的鉆具雖然具有一定的防斜作用，其防斜原理是靠偏心質(zhì)量的離心力達(dá)到穩(wěn)斜的。由于接頭是直接安裝在鉆頭上，鉆頭又是一支點(diǎn)，使接頭偏心質(zhì)量的慣性力直接加于鉆頭支點(diǎn)上，這一力無法使鉆鋌由自轉(zhuǎn)變成公轉(zhuǎn)形成穩(wěn)定的公轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，也就無法使鉆頭均勻切削井壁四周，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)斜。
本發(fā)明的目的在于克服上述已知鉆具組合及鉆井方法的缺點(diǎn)，提供一種在0-6°井斜角范圍內(nèi)既能穩(wěn)斜，糾斜，又能快速鉆井的下部鉆具組合及使用該鉆具組合的鉆井方法。
本發(fā)明下部鉆具組合，包括若干根鉆鋌，一個主體部分為圓柱體的內(nèi)有泥漿通道的偏軸接頭和一個鉆頭，所述偏軸接頭的上部設(shè)有與位于其上端的鉆鋌相連接的內(nèi)錐螺紋，下部設(shè)有與位于其下端的鉆鋌相連接的外錐螺紋，與內(nèi)錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線和與外錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線與主體部分的中軸線相互平行并分別位于其兩側(cè)，與內(nèi)錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線和與外錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線之間的距離為5～38毫米，所述偏軸接頭主體部分的下限位端面與所述鉆頭上限位端面之間的距離為6～12米。
本發(fā)明下部鉆具組合，其偏軸接頭內(nèi)的與內(nèi)錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線和與外錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線距所述主體部分的中軸線的距離最好相等。
一種使用上述下部鉆具組合的鉆井方法，包括下列步驟1、根據(jù)地層特性，井身結(jié)構(gòu)選擇不同型號的牙輪鉆頭；2、根據(jù)鉆頭類型和已有鉆鋌型號選擇下端鉆鋌；3、按下表所列參數(shù)關(guān)系，根據(jù)選定的鉆頭尺寸、鉆鋌外徑、鉆壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速確定偏軸接頭的偏軸距和偏軸接頭下限位端面距鉆頭上限位端面的距離
偏軸接頭下限位端面距鉆頭鉆頭尺寸偏軸距 上限位端面的鉆鋌外徑鉆壓轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速距離(mm)(mm) (m)(mm) (KN) (rpm)444.5 216至254140至250(171/2′)311.2 216至228120至240(122/8′) 50至150215.9 5至38 6至12 127至203100至220(81/2′)165.1 88.9至152 80至200(61/2′)4、根據(jù)所選定的鉆頭類型、偏軸接頭和下端鉆鋌尺寸確定上端鉆鋌；5、按現(xiàn)有鉆井工藝過程選用高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速鉆井。
本發(fā)明下部鉆具組合由于在鉆鋌之間裝有偏軸接頭，在自由狀態(tài)下下部鉆具組合中的上端鉆鋌軸線與下端鉆鋌軸線保持平行，但相互移開一段距離(即偏軸接頭的偏軸距)。當(dāng)下部鉆具組合下入井底后，受井限的限制，在鉆壓的作用下，在偏軸接頭處將產(chǎn)生一彎矩。該彎矩使鉆具組合形成一穩(wěn)定的弓形的彎曲變形，如圖3所示。工作時轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動使下部鉆具組合在井底形成穩(wěn)定的公轉(zhuǎn)回旋，與此同時，鉆頭承受較大的旋轉(zhuǎn)側(cè)向力，使鉆頭均勻切削井壁四周，達(dá)到穩(wěn)斜；同時本發(fā)明下部鉆具組合在工作時有很強(qiáng)的居中能力，保證了偏軸接頭不與井壁相接觸，如將鉆井鉆壓控制在上表范圍內(nèi)，即可使偏軸接頭上部的鉆柱與井壁的接觸點(diǎn)上移，使鉆頭上的降斜力達(dá)到最大，從而實(shí)現(xiàn)糾斜的目的。使用本發(fā)明下部鉆具組合鉆井時，可使用較高的鉆壓和鉆速，因而提高了鉆井的機(jī)械轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)了防斜與打快的統(tǒng)一。使用本發(fā)明下部鉆具組合鉆井可使井斜角保持在0～6°范圍之內(nèi)，與普通鉆具相比，平均鉆速可提高1倍多。
本發(fā)明下部鉆具組合的其他細(xì)節(jié)和特點(diǎn)可通過閱讀下文結(jié)合附圖詳加描述的實(shí)施例即可清楚明了，其中

圖1是本發(fā)明下部鉆具組合結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明下部鉆具組合結(jié)構(gòu)中的偏軸接頭的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是本發(fā)明下部鉆具組合工作狀態(tài)示意圖；圖4是本發(fā)明下部鉆具組合在江蘇某井(171/2″井眼)應(yīng)用的井斜角曲線圖。
參照圖1。本發(fā)明下部鉆具組合包括若干根鉆鋌1、偏軸接頭2和鉆頭3。
參照圖2。圖2是圖1所示的偏軸接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。偏軸接頭2的主體部分為一圓柱體21，其上都加工有內(nèi)錐螺紋22，用于與位于其上端的鉆鋌11相連接。下部設(shè)有外錐螺紋23，用于與位于其下端的鉆鋌12相連。與內(nèi)錐螺紋22共軸的泥漿通道24的中軸線25和與外錐螺紋23共軸的泥漿通道26的中軸線27與主體部分21的中軸線28相互平行并分別位于其兩側(cè)。中軸線25和27之間的距離可在5～38毫米之間任選。中軸線25和27最好是等距離地布置在主體部分的中軸線28的兩側(cè)。偏軸接頭主體部分的下限位端面用數(shù)字29表示。
再參照圖1和圖2。偏軸接頭2在安裝時，要使偏軸接頭主體部分的下限位端面29與鉆頭3的上限位端面31的距離控制在6～12米之間。
本發(fā)明下部鉆具組合的鉆頭可根據(jù)地層特性，井身結(jié)構(gòu)選擇不同類型的牙輪鉆頭；下端鉆鋌根據(jù)鉆頭類型和已有鉆鋌型號確定；上端鉆鋌由鉆頭類型，偏軸接頭和下端鉆鋌確定；偏軸接頭的偏軸距和安裝位置由鉆頭直徑、鉆鋌尺寸，鉆壓大小和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速確定，其數(shù)值可按下表給定的關(guān)系選取偏軸接頭下限位端面距鉆頭鉆頭尺寸偏軸距上限位端面的 鉆鋌外徑鉆壓轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)述距離(mm)(mm)(m)(mm) (KN) (rpm)444.5216至254 140至250(171/2′)311.2216至228 120至240(122/8′) 50至150215.9 5至38 6至12127至203 100至220(81/2′)165.188.9至152 80至200(61/2′)一般情況下，當(dāng)鉆壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速選取高值時，偏軸接頭的偏軸距、偏軸接頭下限位端面距鉆頭上限位端面的長度應(yīng)取低值；反之亦然。
本發(fā)明下部鉆具組合被限制在井眼內(nèi)工作時，同時受到動態(tài)的軸向力、橫向力、彎矩，以及扭矩的聯(lián)合作用，其運(yùn)動狀態(tài)非常復(fù)雜，是一個不確定的渦動系統(tǒng)。偏軸下部鉆具組合運(yùn)動規(guī)律及鉆頭的受力狀態(tài)由鉆頭直徑、偏軸接頭的偏軸距和安裝位置，鉆鋌的尺寸，鉆壓大小，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，井斜角和地層持征等因素決定。
上表是經(jīng)過發(fā)明人多年研究，分析計算并經(jīng)過實(shí)際試驗優(yōu)選后得出的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員只要根據(jù)實(shí)際鉆井條件很容易從中選定適合的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)防斜快打。
參照圖3。圖3是本發(fā)明下部鉆具組合工作狀態(tài)示意圖。本發(fā)明下部鉆具組合在自由狀態(tài)，偏軸接頭上端鉆鋌軸線與下端鉆鋌軸線相互平行，但相互移開一段距離，如圖1所示。當(dāng)鉆具下入井底后，受井眼的限制，在鉆壓作用下，在偏軸接頭處產(chǎn)生一彎矩，使鉆具組合形成穩(wěn)定的彎曲變形，如圖中所示的弓形。工作時，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動使下部鉆具組合在井底形成穩(wěn)定的公轉(zhuǎn)回旋，如圖中箭頭所示。鉆頭承受較大的旋轉(zhuǎn)側(cè)向力，使鉆頭均勻切削井壁四周，達(dá)到穩(wěn)斜；又因公轉(zhuǎn)較自轉(zhuǎn)有很強(qiáng)的居中能力，從而保證偏軸接頭不與井壁相接觸，讓鉆柱與井壁的接觸點(diǎn)上移，實(shí)現(xiàn)糾斜。
下面是本發(fā)明下部鉆具組合具體應(yīng)用實(shí)例實(shí)例1在江蘇某井(171/2″井眼)的應(yīng)用該井所在地區(qū)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，地層傾角大且多變，斷層多，夾層段長，膠結(jié)致密堅硬，極易產(chǎn)生井斜，嚴(yán)重影響鉆井效率。
該井開鉆初期采用常規(guī)的防斜措施打鉆。從101m至356m用滿眼鉆具組合鉆進(jìn)，井斜角很快從0°增加到3.15°。隨后用過兩套鐘擺鉆具糾斜，在糾斜過程中鉆壓普遍采用80KN左右吊打。在630m～707m井段，井斜角從1.9°猛增至9.25°。鉆至1175m井深時，井斜角仍有4.25°。在1145m的井段中，平均機(jī)械鉆速在1m/hr左右。最嚴(yán)重時，3個多小時才鉆進(jìn)1m。針對該井的特點(diǎn)，發(fā)明人對原來采用的鐘擺組合進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計。改進(jìn)后的組合在1155m下井(此時井斜角4.25°)，鉆至1259.9m時，井斜角迅速降至1.75°。
在1259.9m(此時井斜角為1.75°)處采用了本發(fā)明下部鉆具組合技術(shù)。該下部鉆具組合的偏軸接頭的偏軸距取32mm，偏軸接頭下限位端面距鉆頭上限位端面的距離為9m，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為60rpm。鉆壓先加到180～200KN，井斜角穩(wěn)定在1.75°，機(jī)械鉆速提高到2.7m/hr。在1377m至1416m井段中，鉆壓加到200～220KN噸，井斜角從1.75°降低到1.25°，機(jī)械鉆速提高到3.0m/hr。在1416m至1463m井段中，鉆壓加至220～230KN，井斜角從1.25°降至0.5°，機(jī)械鉆速提高到3.0m/hr多?？梢姡撔录夹g(shù)將鉆壓從原先的80KN提高至230KN，防斜糾斜效果相當(dāng)明顯，機(jī)械鉆速有顯著的提高。實(shí)鉆井段超過500m，井斜角控制在1.75°以內(nèi)(見圖4)，瞬時鉆速提高了近2倍，平均鉆速提高了1.04倍。實(shí)例2在四川某井(121/4″井眼)的應(yīng)用該井所在地區(qū)地層斜角53°，極易發(fā)生井斜現(xiàn)象，使得在鉆井施工過程中不得不采取(1)地面移動井位；(2)減壓吊打；(3)多次糾斜等措施，鉆井速度緩慢。
該井的上部井段(＜1415m)，采用塔式鉆具鉆進(jìn)，所用鉆壓是100至120KN，機(jī)械鉆速為每米40多分鐘。在1415m時采用本發(fā)明下部鉆具組合技術(shù)。該下部鉆具組合的偏軸接頭的偏軸距取28mm，偏軸接頭的下限位端面距鉆頭上限位端面之間的距離為8.7m，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為60rpm。首先采用180KN鉆壓鉆進(jìn)。此時，機(jī)械鉆速為每米20分左右，鉆至147.6m時，井斜角控制在2°之內(nèi)。隨后，鉆壓增加到200KN，機(jī)械鉆速為每米18分鐘左右。鉆進(jìn)到井斜最嚴(yán)重的自流井地層時，該項技術(shù)有效地控制了井斜的迅速增加，同時還以高機(jī)械鉆速通過自流井層段。鉆至1639m時，井斜角僅增至4.2°工程設(shè)計在該井深的允許井斜角為9°。通過自流井層位后井斜角又降至2°左右。實(shí)例3·在江蘇某井(81/2″井眼)的應(yīng)用該地區(qū)鉆直井易產(chǎn)生井斜，為保證井身質(zhì)量，經(jīng)常用動力鉆具糾斜。該井在56.2m(此時井斜角為0°)處下入了本發(fā)明下部鉆具組合。該下部鉆具組合的偏軸接頭的偏軸距取18mm，偏軸接頭的下限位端面距鉆頭上限位端面之間的距離為8.5m，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速為60rpm，鉆壓為140KN。用該組合鉆完該井全井段，防斜糾斜效果明顯，機(jī)械鉆速有顯著提高。實(shí)鉆井段超過1600m，井斜角控制在2.75°以內(nèi)，平均機(jī)械鉆速提高2.05～3.60米/小時。
該井的實(shí)驗證明，本發(fā)明下部鉆具組合防斜糾斜效果明顯，能大幅度地提高鉆井時效，見表1。表1試驗井與對比井的井斜比較試驗井 對比井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 2.00783.50 1.00769.68 2.45 730.49 1.15 896.29 2.20921.55 2.30 913.76 2.00 1021.34 2.451100.0 1.451155.42 3.301205.70 3.451267.10 4.301287.0 2.151305.08 4.001397.0 6.45 1366.49 3.451400.0 0.30 1637.2 3.00 1430.00 6.001505.00 6.00
權(quán)利要求
1.一種下部鉆具組合，包括若干根鉆鋌，一個主體部分為圓柱體的內(nèi)有泥漿通道的偏軸接頭和一個鉆頭，其特征在于所述偏軸接頭的上部設(shè)有與位于其上端的鉆鋌相連接的內(nèi)錐螺紋，下部設(shè)有與位于其下端的鉆鋌相連接的外錐螺紋，與內(nèi)錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線和與外錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線與主體部分的中軸線相互平行并分別位于其兩側(cè)，與內(nèi)錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線和與外錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線之間的距離為5～38毫米，所述偏軸接頭主體部分的下限位端面與所述鉆頭上限位端面之間的距離為6～12米。
2.按照權(quán)利要求1所述的下部鉆具組合，其特征在于所述偏軸接頭內(nèi)的與內(nèi)錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線和與外錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線距所述主體部分的中軸線的距離相等。
3.一種使用權(quán)利要求1或2的下部鉆具組合的鉆井方法，包括下列步驟1)根據(jù)地層特性，井身結(jié)構(gòu)選擇不同型號的鉆頭；2)根據(jù)鉆頭類型和已有鉆鋌型號選擇下端鉆鋌；3)按下表所列參數(shù)關(guān)系，根據(jù)選定的鉆頭尺寸，鉆鋌外徑、鉆壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速確定偏軸接頭的偏軸距和偏軸接頭下限位端面距鉆頭上限位端面的距離偏軸接頭下限位端面距鉆頭鉆頭尺寸偏軸距 上限位端面的鉆鋌外徑鉆壓轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速距離(mm) (mm) (m) (mm) (KN) (rpm)444.5216至254 140至250(171/2′)311.2216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′)165.188.9至152 80至200(61/2′)4)根據(jù)所選定的鉆頭類型、偏軸接頭和下端鉆鋌尺寸確定上端鉆鋌；5)按現(xiàn)有鉆井工藝過程選用高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速鉆井。
全文摘要
一種下部鉆具組合及其鉆井方法,包括若干根鉆鋌,一個偏軸接頭和一個鉆頭,與內(nèi)錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線和與外錐螺紋共軸的泥漿通道的中軸線之間的距離為5—38毫米,偏軸接頭主體部分的下限位端面與鉆頭上限位端面之間的距離為6—12米。根據(jù)選定的鉆頭尺寸,鉆鋌外徑、鉆壓、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速確定偏軸接頭的偏軸距和偏軸接頭距鉆頭的距離,按現(xiàn)有鉆井工藝過程鉆井,選用高轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)。用該鉆具組合及鉆井方法鉆直井,既可防斜,又能糾斜。
文檔編號E21B17/02GK1219638SQ97121899
公開日1999年6月16日 申請日期1997年12月12日 優(yōu)先權(quán)日1997年12月12日
發(fā)明者王珍應(yīng) 申請人:石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院鉆井工藝研究所