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钻具组合

一文搞懂增斜、稳斜、降斜及常用BHA

钻井过程中，我们经常会听到一个词——钻具组合。看起来，它只是把钻头、钻铤、钻杆、稳定器、螺杆、MWD等工具按一定顺序连接起来；实际上，同样的工具，仅仅因为稳定器的位置、钻铤长度、工具刚度以及钻压不同，井底钻头所受到的侧向力就可能完全不同，最终表现为增斜、稳斜或者降斜。

因此，钻具组合是否合理，直接影响井眼轨迹、机械钻速、钻头寿命以及井下安全。所谓钻具组合，是指组成一口井钻柱的各类钻井工具的选择和连接；而下部钻具组合（BHA）则主要指靠近钻头的一段钻柱。

图1. 井眼轨迹与下部钻具示意

一、先搞清楚：钻柱与钻具组合

钻柱是从地面驱动端到井下钻头之间全部钻具的总称。其基本功能包括给钻头提供钻压、传递扭矩、输送钻井液、起下钻头、计量井深以及配合完成取芯、测试、打捞等特殊作业。即，1）提供钻井液流动通道；2）给钻头提供钻压；3）传递扭矩；4）起下钻头并配合计量井深；5）配合观察井下情况和完成取芯、挤水泥、打捞、测试等特殊作业。

钻井过程中，钻柱在起下钻时以受拉为主；正常钻进时则处于拉、压、扭等复杂受力状态。特别是下部钻柱，在钻压作用下可能发生弯曲，而这种弯曲状态正是决定井眼轨迹的重要因素之一。

二、BHA里最常见的几类钻具

1、钻杆：传递扭矩和输送钻井液

钻杆是钻柱的基本组成部分，主要用于传递扭矩和输送钻井液。按管体端部加厚形式，可分为内加厚、外加厚和内外加厚等结构。

2、加重钻杆：连接钻杆与钻铤的“过渡带”

加重钻杆壁厚明显大于普通钻杆，常用于钻铤与钻杆之间的过渡区，以缓和刚度变化带来的弯曲应力。在定向井中，也可用加重钻杆替代部分钻铤，以降低摩阻、扭矩及粘附卡钻风险。

3、钻铤：提供钻压、增加刚度

钻铤是下部钻具组合的重要组成部分，其主要作用是给钻头提供钻压，同时提高下部钻具刚度，使钻头工作更加稳定。常见钻铤有圆柱式、螺旋式和无磁式等。

图2. 钻头与近钻头工具工作示意

三、理解钻具组合的关键：稳定器就是“支点”

稳定器（扶正器）在BHA中的位置会直接改变钻具受力方式。近钻头稳定器离钻头越近，钻头产生增斜趋势的能力通常越强；对于两只以上稳定器的组合，在有效范围内，一号稳定器和二号稳定器之间的距离增大，也会改变钻铤的弯曲形态和钻头侧向力。

因此，分析一套BHA时，与其先背工具顺序，不如先找出稳定器在哪里、钻具在哪一段可以弯曲、钻头最后会受到哪个方向的侧向力。

图3. 稳定器/扶正器在井眼中的工作状态

四、最经典的三类轨迹控制组合

1、增斜组合：利用杠杆效应

典型增斜钻具通常以近钻头足尺寸稳定器作为支点。钻压作用下，两稳定器之间或稳定器以上的钻铤产生弯曲，使钻头获得朝井眼高边方向的侧向力，井斜角随钻进逐渐增大。对于双稳定器增斜组合，第二稳定器与近钻头稳定器之间的距离通常需要根据钻铤刚度和目标增斜率设计。

图4. 强增斜、中增斜、弱增斜组合示意

2、稳斜组合：核心是“刚”

稳斜组合通常采用刚性满眼结构，通过增加下部钻具刚度、设置多个稳定点，限制钻铤在钻压作用下的弯曲变形，使钻头尽可能沿现有井眼方向钻进，从而达到稳定井斜和方位的目的。

典型思路可以概括为：钻头 + 近钻头稳定器 + 短钻铤 + 稳定器 + 钻铤 + 稳定器……。真正重要的不是死记某一串尺寸，而是理解多点扶正带来的刚性约束。

图5. 稳斜类组合的多稳定点布置示意

3、降斜组合：利用钟摆效应

钟摆钻具是最经典的降斜组合。在已斜井眼中，如果在钻头上方适当位置设置稳定器作为支点，支点以下的钻铤由于自身重力会产生横向分力，把钻头推向井眼低边，使钻头更多切削低边井壁，从而逐步减小井斜角。这个横向分力就是所谓的“钟摆力”。

钟摆组合对钻压非常敏感。钻压过大时，下部钻铤可能被压弯并形成新的井壁接触点，钟摆效果随之下降，因此使用时通常需要严格控制钻压。井斜越小，钟摆力也越小；在井斜很小时若仍要靠钟摆防斜，往往需要较小钻压“吊打”，机械钻速也会受到影响。

五、满眼钻具：重点是“稳”，不是主动“降”

满眼钻具又称刚性满眼钻具。它通常由多个外径接近井径的稳定器和较大尺寸钻铤组成，通过多个支撑点提高下部钻具刚度，限制钻头轴线相对井眼轴线的偏移。

需要特别注意：在已经形成井斜的井眼中，满眼组合主要作用是让井斜变化很小或基本不变，它更擅长控制井眼曲率和稳定已有轨迹，而不是像钟摆组合那样主动产生明显降斜。

满眼组合的关键在一个“满”字。设计间隙一般为稳定器与井眼之间约0.8～1.6 mm；当稳定器磨损导致间隙明显增大时，满眼效果会减弱，应及时检查、修复或更换。现场经验将其概括为“以快保满，以满保直”。

六、定向井为什么离不开螺杆钻具

螺杆钻具（PDM）是一种以钻井液为动力、把液体压力能转换为机械能的容积式井下动力钻具。泥浆流经马达形成压力差，推动转子运动，并通过万向轴和传动轴把转速、扭矩传递给钻头。

螺杆钻具主要由旁通阀、马达、万向轴和传动轴等总成组成。马达输出扭矩与压降密切相关，输出转速与输入流量密切相关；因此现场需要结合厂家推荐流量、压降及地面泵压变化进行控制。

图6. 螺杆钻具主要总成结构示意

1、旁通阀

旁通阀在起下钻与停泵时处于旁通状态，使钻柱内液体可绕过马达进入环空；当流量、压力达到设定条件后，旁通孔关闭，钻井液进入马达完成能量转换。

图7. 旁通阀总成结构示意

2、马达、万向轴与传动轴

马达由定子和转子组成，转子与定子啮合形成密封腔实现能量转换。转子头数越少通常转速越高、扭矩越小；头数越多则转速越低、扭矩越大。万向轴用于把马达的运动传递给传动轴，传动轴再将旋转动力传给钻头，并承受钻压所产生的轴向和径向载荷。

图8. 螺杆马达定子与转子示意

图9. 传动轴/万向轴结构示意

七、弯接头 + 动力钻具：造斜的基本逻辑

定向造斜常采用弯接头（或弯壳体）与井下动力钻具组合。弯角使下部钻具产生偏置，动力钻具驱动钻头沿工具面方向侧向切削，使新井眼逐渐偏离原井眼轴线，从而实现造斜或扭方位。

现场常用弯接头角度约为1°～2.5°，一般不大于3°。实际选用仍需结合井眼尺寸、动力钻具规格和目标造斜率确定。

图10. 定向钻具在井眼中的姿态示意

八、钻具组合怎么选？先回答三个问题

1、目标轨迹是什么？

需要增斜，就要创造有利于钻头向高边切削的侧向力；需要降斜，就要利用钟摆等原理让钻头更多切削低边；需要稳斜，则通过提高刚度和多点扶正限制钻头横向运动。

2、支点应该放在哪里？

稳定器的位置决定钻具在哪一段弯曲，也决定钻头得到什么方向的侧向力。BHA设计的许多差异，本质上都来自“支点位置”和“可弯曲长度”的变化。

3、井下条件是否允许？

还必须综合考虑井眼尺寸、井径扩大、地层软硬交错、稳定器磨损、狗腿度、摩阻扭矩、井壁稳定、螺杆工作排量和压降等实际条件。理论组合再理想，如果井下条件不允许，也不能机械套用。

九、常用组合一张表看懂

十、现场使用还要注意这些问题

1）满眼组合刚度大、外径接近井径，下钻时更容易遇阻；弯曲井眼或狗腿段要特别注意划眼和通井。

2）满眼结构起钻时可能产生抽吸效应，尤其在井壁条件差、泥饼厚或易膨胀井段应控制起钻速度。

3）钟摆组合对钻压敏感，钻压过大会削弱钟摆力甚至使下部钻具产生新的接触点。

4）稳定器磨损会改变扶正间隙和BHA力学特性，应定期检查外径。

5）螺杆钻具下井时要控制下放速度，遇砂桥、套管鞋等位置更要防止冲击；深井、高温井段可按要求周期性循环冷却并防止砂堵。

6）螺杆钻进前应充分清洗井底并测循环泵压，逐步加钻压；当泵压超过设计范围或出现马达制动征兆时应及时降低钻压。

结语：钻具组合，本质上是在“设计钻头受力”

真正理解钻具组合以后会发现，它的核心并不在于背诵一串工具名称和尺寸，而是通过改变BHA的结构、刚度、支点位置和钻井参数，去改变钻头在井底受到的轴向力和侧向力。

钻头侧向力偏向高边，就可能表现为增斜；偏向低边，就可能表现为降斜；当横向运动受到限制、钻头轴线更加稳定时，就更倾向于稳斜。只要抓住“支点—弯曲—侧向力—轨迹”这条主线，增斜、稳斜、降斜、满眼、钟摆和弯螺杆组合就会变得非常清晰。