定向井抽油杆扶正

新疆石油科技２００７年第１期（第１７卷）油田高压注汽锅炉在役检验与研究定向井抽油杆柱优化设计研究

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定向井抽油杆柱优化设计研究

闫沁山①

新疆石油管理局井下作业公司，

林革

８３４０００

新疆克拉玛依

新疆石油管理局国际合作处

摘要

针对目前定向井抽油杆柱设计存在的问题，通过定向井杆柱受力分析，综合考虑惯性力和粘滞阻力及管杆泵之间的摩

擦力等，建立抽油杆柱力学三维动态模型，从而确定了抽油杆柱、扶正器优化设计的方法。

主题词定向井抽油杆柱优化设计方法力学分析

１前言

为了降低油田开发投资，在外围油田开发的过程

直井的抽油杆柱设计方法相比应该更加复杂。

目前采用的抽油杆柱设计方法虽然操作简单易行，基本可以满足强度要求，但是存在以下缺陷：

（１）定向井抽油杆工作应力范围大，可能导致抽油杆强度不够。

该方法以直井杆柱受力分析为基础，杆柱惯性载荷、杆体及扶正器和液流之间的紊流粘滞阻力等都被忽略，以直井载荷代替定向井载荷进行强度校核。在条件相同的情况下，实际定向井与直井悬点载荷差别较大，理论计算表明差距达到２０％以上。

假设直井最大、最小载荷分别为Ｐｍａｘ和Ｐｍｉｎ，则抽油杆最大、最小工作应力为：

中，我们采用了以定向井为主的一直多斜开发建设方式，定向井的比例将越来越高，定向井中存在的

基本概念

1、定向井——一口井设计目标点，按照人为的需要，在一个既定的方向上与井口垂线偏离一定距离的井。

2、井深——井眼轴线上任一点，到井口的井眼长度，称为该点井深或斜深。 3、垂深——井眼轴线上任一点，到井口所在水平面的距离，称为该点垂深。

4、水平位移——井眼轴线上任一点，与井口铅直线的距离，称为该点水平位移，也称该点的闭和距。

5、视位移——水平位移在设计方位线上投影长度，称为视位移。

6、井斜角——井眼轴线上任一点的井眼方向线，与通过该点的重力线之间的夹角。

7、方位角——以井眼轴线上任一点为原点的平面坐标系中，以通过该点的正北方向线为始边，按顺时针方向旋转至该点处井眼方向线在水平面上的投影线为终边，其所转过的角度称为该点的方位角。

8、造斜率——表示了造斜工具的造斜能力。其值等于用该造斜工具所钻出的井段的井眼曲率。

9、全角变化率——“狗腿严重度”，“井眼曲率”都是相同的意义。指的是在单位井段内前进的方向在三维空间内的角度变化。

10、目标点——设计规定的，必须钻达的地层位置，称为目标点。通常是以地面井口为坐标原点的空间坐标植来表示。

11、靶区及靶区半径（定向井）——在目标点所在的水平面上，以目标点为圆心，以靶区半径为半径的一个

空心抽油杆扶正器摩擦副材料和工艺

马云凌 李向久 伞金福 刘清伟

摘要 在空心抽油杆扶正器外圈采用镶嵌自润滑复合材料、自润滑涂层或自润滑镀层，可以减小空心抽油杆上下冲程阻力，防止套管磨损，提高整个抽油系统的效率。介绍了镍基、铁基、铝合金基等金属基自润滑复合材料，浸渍金属碳石墨自润滑材料和聚合物基自润滑复合材料的摩擦学性能及制备工艺过程，以及两种自润滑复合材料的镶嵌方式。列举了具有良好耐磨性和减摩性的等离子喷涂、真空熔结、高压静电喷涂、火焰喷涂和电弧喷涂，以及自润滑镀层等技术。

主题词 空心抽油杆 抽油杆扶正器 材料 工艺

在小井眼油井中应用空心抽油杆采油技术可节约井下设备成本25%，作业时间减少近一半。但在空心抽油杆内流动的液体使抽油杆的受力状态发生变化，下冲程阻力变大，抽油杆易产生弯曲变形，造成空心抽油杆和套管之间的干摩擦［1］，使套管与空心抽油杆磨损，为解决此问题，必须安装空心抽油杆扶正器。若在扶正器外圈采用自润滑材料作为摩擦副，既可降低摩擦系数，减小上下冲程的阻力，提高整个抽油系统效率，又可防止套管磨损。为此，可在扶正器外圈采用镶嵌自润滑材料或自润滑涂(镀)层技术来实现。

镶嵌自润滑复合材料

自润滑复合材料分为金属基自润滑复合材料和聚合物基自润滑复

定向井和水平井钻井技术

第一节 定向井井身参数和测斜计算

一．定向井的剖面类型及其应用

定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜，钻达地下预定目标的一门科学技术”。定向钻井的应用范围很广，可归纳如图9－l所示。 定向井的剖面类型共有十多种，但是，大多数常规定向井的剖面是三种基本剖面类型，见图9－2，称为“J”型、“S”型和连续增斜型。按井斜角的大小范围定向井又可分为： 常规定向井井斜角＜55° 大斜度井井斜角55～85°

水平井井斜角＞85°（有水平延伸段） 二．定向井井身参数

实际钻井的定向井井眼轴线是一条空间曲线。钻进一定的井段后，要进行测斜，被测的点叫测点。两个测点之间的距离称为测段长度。每个测点的基本参数有三项：井斜角、方位角和井深，这三项称为井身基本参数，也叫井身三要素。

1．测量井深：指井口至测点间的井眼实际长度。 2．井斜角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角。 3．方位角：以正北方向线为始边，顺时针旋转至方位线所转过的角度，该方向线是指在水平面上，方位角可在0—360°之间变化。 目前，广泛使用的各种磁力测斜仪测

一.设计资料 要进行一口定向井的轨道设计工作,作业者至少应提供靶点的垂深、水平位移和方位角,或提供井口与靶点的座标位置,通过座标换算,计算出方位角和水平位移。此外,定向井工程师还要收集下列资料: 1.作...

第一节 定向井井身参数和测斜计算 一．定向井的剖面类型及其应用

定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜，钻达地下预定目标的一门科学技术”。定向钻井的应用范围很广，可归纳如图9－l所示。

定向井的剖面类型共有十多种，但是，大多数常规定向井的剖面是三种基本剖面类型，见图9－2，称为“J”型、“S”型和连续增斜型。按井斜角的大小范围定向井又可分为：

常规定向井井斜角＜55° 大斜度井井斜角55～85°

水平井井斜角＞85°（有水平延伸段） 二．定向井井身参数

实际钻井的定向井井眼轴线是一条空间曲线。钻进一定的井段后，要进行测斜，被测的点叫测点。两个测点之间的距离称为测段长度。每个测点的基本参数有三项：井斜角、方位角和井深，这三项称为井身基本参数，也叫井身三要素。

1．测量井深：指井口至测点间的井眼实际长度。

2．井斜角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角。

3．方位角：以正北方向线为始边，顺时针旋转至方位线所转过的角度，该方向线是指在水平面

一.设计资料 要进行一口定向井的轨道设计工作,作业者至少应提供靶点的垂深、水平位移和方位角,或提供井口与靶点的座标位置,通过座标换算,计算出方位角和水平位移。此外,定向井工程师还要收集下列资料: 1.作...

第一节 定向井井身参数和测斜计算 一．定向井的剖面类型及其应用

定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜，钻达地下预定目标的一门科学技术”。定向钻井的应用范围很广，可归纳如图9－l所示。

定向井的剖面类型共有十多种，但是，大多数常规定向井的剖面是三种基本剖面类型，见图9－2，称为“J”型、“S”型和连续增斜型。按井斜角的大小范围定向井又可分为：

常规定向井井斜角＜55° 大斜度井井斜角55～85°

水平井井斜角＞85°（有水平延伸段） 二．定向井井身参数

实际钻井的定向井井眼轴线是一条空间曲线。钻进一定的井段后，要进行测斜，被测的点叫测点。两个测点之间的距离称为测段长度。每个测点的基本参数有三项：井斜角、方位角和井深，这三项称为井身基本参数，也叫井身三要素。

1．测量井深：指井口至测点间的井眼实际长度。

2．井斜角：测点处的井眼方向线与重力线之间的夹角。

3．方位角：以正北方向线为始边，顺时针旋转至方位线所转过的角度，该方向线是指在水平面

定向井和水平井钻井技术

第一节 定向井井身参数和测斜计算

一．定向井的剖面类型及其应用

定向钻井就是“使井眼按预定方向偏斜，钻达地下预定目标的一门科学技术”。定向钻井的应用范围很广，可归纳如图9－l所示。

定向井的剖面类型共有十多种，但是，大多数常规定向井的剖面是三种基本剖面类型，见图9－2，称为“J”型、“S”型和连续增斜型。按井斜角的大小范围定向井又可分为： 一、专业名词

1．定向井（Directional Well） 一口井的设计目标点，按照人为的需要，在一个既定的方向上与井口垂线偏离一定的距离的井，称为定向井。

2．井深（Measure Depth）

井眼轴线上任一点，到井口的井眼长度，称为该点的井深，也称为该点的测量井深，或斜深。单位为“m”。

3．垂深（Vertical Depth or True Vertical Depth）

井眼轴线上任一点，到井口所在水平面的距离，称为该点的垂深。通常以“m”为单位。 4．水平位移（Displacement or Closure Distance）

井眼轨迹上任一点，与井口铅直线的距离，谓之该点的“

关于定向井的钻具组合方面的介绍

定向井常用钻具组合

（l）弯接头带动力钻具——造斜钻具

目前，最常用的造斜钻具组合是采用弯接头和井下动力钻具组合进行定向造斜或扭方位施工。这种造斜钻具组合是利用弯接头使下部钻具产生一个弹性力矩，迫使井下动力钻具（螺杆钻具或涡轮）驱动钻头侧向切削，使钻出的新井眼偏离原井眼轴线，达到定向造斜或扭方位的目的。

造斜钻具的造斜能力与弯接头的弯曲角和弯接头上边的钻铤刚性大小有关。弯接头的弯曲角越大，弯接头上边的钻铤刚性越强则造斜钻具的造斜能力也越强，造斜率也越高。

弯接头的弯曲角应根据井眼大小，井下动力钻具的规格和要求的造斜率的大小选择。现场常用弯接头的角度为1°～ 2.5°，一般不大于3°弯接头在不同条件下的造斜率见表10—4。

造斜钻具组合使用的井下动力钻具型号应根据造斜井段或扭方位井段的井深选择。使用井段在1000m以内，一般采用涡轮钻具或螺杆钻具，深层定向造斜或扭方位应使用耐高温的井下马达。

造斜钻具组合、钻井参数设计和钻头水眼应根据厂家推荐的钻井参数设计。

由于井下动力钻具的转速高，要求的钻压小（一般3～8t），因此，使用的钻头不宜采用密封轴承钻头，尤其是在浅层，可钻性好的软地层应使用铣齿滚动轴承

一、螺杆钻具 螺杆钻具为容积式井下动力钻具，其规格有直 体螺杆钻具、单弯螺杆钻具、双弯螺杆钻具。 螺杆钻具具有低转速、大扭矩、大排量的特点， 适用于直井、定向井、丛式井、水平井中的钻 井、定向造斜、扭方位等各项钻井作业的一种 理想的井下动力钻具，其中，小直径螺杆钻具 还适用于套管开窗侧钻及修井。 螺杆钻具的常规耐热工作温度为<120℃,根 据深井的特殊需要，高温螺杆钻具还可耐温 150℃。

1、螺杆钻具工作原理及结构 、 (1) 、螺杆钻具的工作原理 螺杆钻具是一种把液体的压力能转换 为机械能的能量转换装置。当高压液体 进入钻具时，迫使转子在定子中滚动， 马达产生的扭矩和转速通过万向轴传递 到传动轴和钻头上，达到钻井的目的。

螺杆钻具作为井底动力钻具， 有许多突出的优点： 1.增加了钻头扭矩和功率，因而提高了 进尺率。 2.减少了钻杆和套管的磨损和损坏。 3.可准确地进行定向、造斜、纠偏。 4.在水平井、丛式井及修井作业中，可 显著提高钻井经济效益， 5.由于结构的先进，提高了钻具的寿命， 可用于延深钻井或直井钻进。

(2)、螺杆钻具的结构及其作用 、 螺杆钻具主要由以下几部分组成： 旁通阀总成、马达总成、万向轴总成、传 动轴

长裸眼定向钻井技术

钻长裸眼井的目的是加快油田的勘探、开发步伐，提高钻井速度，缩短建井周期，降低钻井成本；钻定向井的目的是增加油层穿透能力、避开地面障碍物、顺利钻达地质目的层。而钻长裸眼定向井的目的集二者于一身，能够很好地解决复杂钻井问题。

1．长裸眼定向钻井技术难点

（1）裸眼段长，摩擦阻力大，磁性/重力工具面角不易调整到位。 （2）转盘转动时扭矩大。

（3）斜井段最大井斜角较小，方位不容易控制。

（4）常规钟摆钻具的降斜率、方位漂移规律受地层因素、原井眼状况等因素作用难以掌握，为监测钟摆钻具的降斜率和方位漂移规律需要进行吊测，增加了钻井风险。

（5）井底可控制位移较小，中靶精度要求高，定向控制段的井眼轨迹调整范围较小。

（6）控制钟摆钻具降斜率的手段较少，降斜井段的轨迹控制难度较大。

2．技术对策

针对长裸眼定向钻井的难点，在井身剖面、井眼曲率、定向造斜点、最大井斜角、造斜钻具组合及钻头等几方面进行优选，达到优化井身轨迹、避免井下复杂的目的。

2．1井身剖面类型的选择

常规两维定向井的剖面类型主要有两种：一种是“直—增—稳”剖面，另一种是“直—增—稳—降—稳”剖面。“直—增—稳”剖面的特点是井底水平位移可以很大，“直—增—稳—降—稳”剖