钟摆钻具组合
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发布时间：2022-04-20 03:06
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时间：2023-08-31 07:38
钟摆钻具组合是石油钻井中应用比较广泛的防斜、纠斜钻具，其主要功能是降斜，实际应用中与防斜钻具组合结合使用可以达到不错的井身控制效果。
4.1.1 钻具组合特点
钟摆钻具可以分为光钻铤钟摆钻具、单稳定器钟摆钻具、双稳定器钟摆钻具，后两者根据最下端稳定器与钻头距离的远近又可分为大钟摆钻具和小钟摆钻具。钻具靠下部加重钻铤重力的横向分力使钻头紧靠下井壁，使钻头一直偏向下井壁切削，从而达到降斜的目的。钟摆钻具最大的特点是钻具降斜性能与稳定器位置和钻压有很大关系：稳定器太靠下，钟摆力太小达不到理想的降斜效果，稳定器靠上，下部钻铤会与井壁接触，大大减小降斜力；钻压过大，钻具会产生增斜力，同时也会增加地层的造斜力，可能使钻具失去降斜的效能。图4.1是常用的四种钟摆钻具组合。
图4.1 常用的钟摆钻具组合
4.1.2 钻具组合力学性质
光钻铤钟摆钻具是最简单的钟摆钻具，如图4.2所示，带稳定器的钟摆钻具受力与其类似。偏重钻铤每转一圈就有一次钟摆力与离心力的重合，这对井壁产生较大的冲击纠斜力，同时周期性的旋转不平衡性使下部钻柱发生强迫振动，大大提高了钻头切削下井壁的纠斜能力。另外，离心力的作用使偏重钻铤重边在旋转时总是贴向井壁，使下部钻柱具有公转运动特性，来消除其自转对井斜的影响，使偏重钻铤在直井中更具有一定的防斜作用。图4.2中，钻头上的钻具力Pa为：
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（中册）
式中：PB为钻压；e为钻具与单侧井壁间隙；L为钟摆段长，钻头底面至上切点（第一稳定器）的距离；ω为钟摆段线重量；α为井斜角。
图4.2 光钻铤钟摆钻具受力和变形
上式中，当Pa＞0时，钻具造斜；当Pa＜0时，钻具降斜。式中右边第二项就是起降斜作用的钟摆力。分析上式可知：
1）钟摆力恒为降斜力。钟摆力与切点以下的钻具长度和线密度成正比，且随井斜角的增大而增大。因此，当井斜愈严重时，钟摆力愈大，纠斜作用愈强。
2）钻压一方面产生增斜力，同时也减少钟摆力。这是因为式中右边第一项系正值，它使井斜角增大；另外当PB增加时，切点位置下移，L变小，导致钟摆力下降。所以为了纠斜，应避免使用大钻压，而往往采取吊打方式，这样可得到较大的钟摆力和降斜效果。但是因吊打时机械钻速太小，耗费工时，将导致钻井成本提高，不符合“钻直钻快”的要求。
3）从理论上讲，光钻铤钟摆钻具不适于防斜，这是因为当α较小时，其钟摆力数值很小。当地层造斜力较强时，可使井斜角继续增加，同时钟摆力也随之增加。当钻头侧向力的增斜分量与降斜分量（钟摆力）相等时，井斜角将不再增加，达到“平衡角”。
4）采用大直径钻铤可使ω增大，使e减小，因此可使钟摆力增大，使造斜分量减小。
对于带稳定器的钟摆钻具，钻头受钻具力可按如下公式求的：
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（中册）
式中各变量的含义见公式（2.7）。上述光钻铤钟摆钻具分析的4个点特点同样适用于带稳定器的钟摆钻具。对于带稳定器的钟摆钻具，其性能的优劣关键在于稳定器的安装位置，若把该钻具组合受力看作一简支梁，则可得到稳定器的理想安装位置为：
科学超深井钻探技术方案预研究专题成果报告（中册）
式中：a=π2qsinα；b=184.6PB；c=-184.6π2EI；r为井眼直径与钻铤外径的差之半，m。
若稳定器与井壁间的间隙值较小时，可以不计r的影响。取e为零，则b、c简化为：b=82PBr，c=-184.6π2EIr。
需要注意的是：
1）稳定器的实际安放高度与计算值的差值一般小于计算值的10%，所以实际安放位置可比计算值降低5%～10%。
2）稳定器到钻头间的距离不宜过大，否则，在钻压和钻铤自重的作用下该孔钻铤会和井壁产生新的接触点或接触段，从而使降斜力减小。
4.1.3 钟摆钻具组合应用范围
钟摆钻具在石油钻井中使用广泛，在大庆油田中已经形成了钟摆钻具的“标准配置”。钻具在使用过程中有如下特点：
1）钟摆钻具能比较成功地用于不易井斜地区（non-rocked hole country）。在使用大钻铤的条件下，能保证在较高钻压下钻出几乎垂直的井眼（不大于2°～3°）。与光钻铤相比，使用钟摆钻具可以增加钻压，而不会造成井斜的增大，在只能用轻压钻进的易斜地层，钻压可提高20%左右，而在可用重压钻进的平缓地层，钻压可提高50%左右。
2）钟摆钻具的纠斜能力远远大于它的防斜能力，且在大井斜中的应用性能优于在小井斜中的应用性能。
3）钟摆钻具可以应用于取心钻进，但取心筒要短，一般为1.5～2m。
4）钟摆钻具在直井内无防斜作用，它与光钻铤一样，由于刚度小，不能有效控制井斜变化率。在严重易斜地层中，钻具的纠斜力远远小于地层造斜力，甚至采用大尺寸钻铤时井斜角仍然达不到井身控制的要求，因此不得不使用低钻压，使钻井速度大为降低。
4.1.4 钻进参数对其性能的影响
任何一款钻具组合都有对应的适用范围和理想的钻进工程参数，钟摆钻具也不例外。除了上面提到的钻压对钟摆钻具的降斜性能有很大的影响外，泥浆的性能也是影响其性能发挥的一大因素，具体表现为以下几个特点。
1）钻压对钟摆钻具的降斜性能有直接的影响，稳定器的位置应根据实际钻压和井斜角来综合设计。
2）在设计钻压范围内，钻具的降斜能力随钻压的增大而线性提高。当钻压超过钻具的许用钻压时，其降斜能力大大下降，甚至钻具会出现增斜的效果。
3）理论上，转速越高，钻具引起的钟摆冲击频率越高，越有利于机械钻速的提高和井斜的控制，但过高的转速会带来井壁稳定、钻具失效等其他问题，其综合效益有待进一步研究和验证。
4）使用钟摆钻具时，应确保泥浆的排量和良好的性能，重点要防止钻头泥包，使钻头在钟摆力的作用下有效切削下井壁侧的岩石，从而最大程度的发挥钟摆钻具的性能。
4.1.5 钻具应用于超深井的可能性
在石油钻井中，钟摆钻具主要由于直孔段的降斜、纠斜，通常与满眼钻具组合时候，从而达到直孔保直防斜的目的。目前，改进型的钟摆钻具有报道运用到4500m已浅的设计孔深，但钟摆钻具大多运用于上部（2000m以内）的保直孔段。在超深井中的上部井段，可以预见钟摆钻具可以取得一定的井斜控制效果，但其应用于下部深井段，还面临着不少技术问题：
1）根据钻井工程实际，井深越深，钻孔越容易偏斜。根据前面讨论内容可知，钟摆钻具不适用于易斜井段钻进，因此该钻具在深孔中单独运用前景不乐观。
2）在超深井的下部井段，由于钻杆性能的*，井底动力的使用是必不可少的。钟摆钻具是靠下部加重钻铤的重力的横向分力来实现降斜的，过多的加重钻铤必然会加重孔底动力设备的负担，缩短其使用寿命，这在深井施工中应是极力避免的。
3）钟摆钻具要求小钻压钻井，深孔中机械钻速低，将延长钻井周期，大大增加钻井成本。
4）若用于取心钻进，由于其取心筒较短，应用超深井取心钻进时，将增加提下钻频率，增加辅助施工时间，危害孔壁稳定性，大大增加施工成本。
