复合钻进稳斜性能研究 毕业论文.doc

毕业设计（论文） 题目： 复合钻进稳斜性能研究 姓 名： 专 业： 石油工程 学 院： 继续教育学院 学习形式： 自考 助学单位： 辽河石油职业技术学院 指导教师： 2014 年 1 月 i 复合钻进稳斜性能研究 摘 要 复合钻进技术在油田的应用，可以提高机械钻速、控制井眼轨迹、减少扭方位次数， 并可大幅降低钻井成本，从而提高油田开发速度。 木文对转盘与螺杆钻具联合钻进时的防斜打快机理进行了分析，采用纵横弯曲连续梁法， 建立了这种下部钻具组合的力学模型，利用该模型定量分析了其控制井斜的力学特性，从理 论上分析了这种下部钻具组合控制井斜的主要影响因素，为优化这种钻具组合和施工参数设 计提供了理论依据。 对单弯螺杆防斜钻具组合分析表明：稳定器安放位置距钻头越远钻头侧向力越大；钻压 对钻头侧向力影响不明显；弯角和肘点位置对钻头侧向力有明显的影响，这对专用防斜螺杆 钻具的设计改进提供了理论依据；复合钻进在井斜角较大时显示出大的侧向力。 关键词：复合钻进；稳斜；纵横弯曲法；钻头侧向力 ii steady inclined properties of composite drilling abstract that the application of combined drilling technology in oil field can heighten drilling speed, control well trace, reduce the number of direction torsion and greatly reduce drilling cost which accelerate the oil field developing speed. this paper analyzed the mechanism of well straightening and improving rop as turnplate and screw drill rotate together, using continuous beam theory, the mechanical model of bha is established. applying the model, the mechanical characteristics of bha to control deviation are studied quantitatively. the main affect factors of bha to control deviation are analyzed theoretically, which provides the theoretical ground for bha optimization and the design of working parameters. the analysis of complex drilling indicates that during the stable period, the longer the distance between the stabilizers and bit, the bigger the side force will be. bit weight has little effect on bits side force. angle and elbow position have much effect on bits side force, and that is the theoretic base for designing special pdm against well deviation. complex drilling on well straightening shows bigger the side force in big deviation angle. key words: complex drilling; hold angle; continuous beam theory; the lateral force iii 目 录 摘 要 i abstract ii 目 录 iii 第 1 章 前 言 .1 1.1 问题的提出 1 1.2 国内外研究现状 1 1.2.1 井眼轨迹控制理论 1 1.2.2 下部钻具组合力学方法研究 3 1.3 井斜控制专用工具现状 4 1.4 本文主要研究内容 6 第 2 章 复合钻具控制井斜的机理 8 2.1 影响井斜的原因 8 2.1.1 地层及其各向异性 8 2.1.2 钻柱弯曲引起的钻头侧向力 9 2.1.3 钻头结构引起的各向异性 .10 2.2 复合钻具提高机械钻速的机理 .10 2.3 复合钻具控制井斜的机理 .12 第 3 章 复合钻具组合控制井斜力学模型的建立 .15 3.1 基本假设和力学模型2，10，13-18 .15 3.1.1 均布载荷和弯矩同时作用下的力学模型 .16 3.1.2 集中载荷作用下的力学模型 .19 3.2 纵横弯曲连续梁理论中的迭加原理和连续条件 .22 3.3 初始结构弯角的等效处理 .23 3.4 单弯单稳螺杆钻具组合受力与变形分析 .24 3.4.1 一维分析 .24 3.4.2 二维分析 .27 第 4 章 影响单弯螺杆控制井斜因素及油田实例 .30 iv 4.1 单弯螺杆力学性能分析 .30 4.2 影响因素分析 .31 4.2.1 稳定器安放位置 .31 4.2.2 钻压 .32 4.2.3 弯角 .32 4.2.4 肘点位置 .33 4.2.5 转盘转速 .33 4.2.6 井斜角 .34 4.3 油田实例 .35 结 论 .36 参考文献 37 致 谢 .39 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 1 第 1 章 前 言 1.1 问题的提出 随着钻进技术的不断发展，自 20 世纪 80 年代以来，导向技术得到迅速发展。 导向钻井技术的发展带动了大位移井，水平井和分支井钻井技术的实施，保证了 以较低的钻井成本实现地质目的。导向钻井技术分为滑动导向和旋转导向两种方 式。滑动导向技术存在许多弊端，长时间滑动钻井会增加发生井下卡钻等事故的 风险。旋转导向需要先进的、昂贵的、井下旋转导向工具，为此，国内出现了复 合钻进技术。该技术使用滑动导向钻具，根据钻探要求，把滑动导向与旋转导向 合理结合，达到导向目的。 在常规定向井、水平井钻井钻进过程中，通常因改换钻具组合而频繁起下钻， 从而严重影响了钻进时效和其他先进工艺的实施。复合钻井技术在提高钻头机械 钻速的同时，可以减少钻井过程中的起下钻次数，提高钻井时效。配合高效 pdc 钻头等先进工具可实现一套钻具组合一趟完成绕障、定向、增斜、稳斜中靶钻井 施工，从而缩短钻井周期。复合钻进技术已在国外广泛使用，取得了很好的经济 效益。本文的重点研究目标是如何使用单弯螺杆钻具配合 pdc 钻头在实现更有效 的稳斜控制情况下提高钻井速度。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 井眼轨迹控制理论 井眼轨迹控制问题，是钻井工程的基本问题之一，在国内外受到普遍重视。 关于井眼轨道控制问题的研究，迄今已有四十多年的发展历史。在这个历史过程 中，国内外有关专家和学者从钻柱力学、钻头与地层相互作用及井眼轨迹预测方 法等方面做了大量的研究工作，取得了许多科研成果，从而使井眼轨迹控制理论 和技术不断得到发展和完善。在 50 年代和 60 年目标。进入 70 年代后，随着定 向井的发展，研究的重心开始移向定向井井眼轨迹控制问题。在定向井井眼轨迹 控制中，既要求对井斜角进行控制，又要求对井斜方位进行严格控制。因此，定 向井轨迹控制问题，是一个更为复杂的研究课题1-3。 美国专家 lubinski 先生是研究井斜控制理论的著名学者。他从定量分析直 井中的钻柱屈曲问题入手（1950 年） ，开创了钻柱力学研究的新局面。接着他与 woods 先生合作，首次以定量关系发表了地层的各向异性钻井理论(后来，他们按 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 2 地层的各向异性程度把地层造斜性分为 21 级)，并结合钻柱力学分析实现了对 “平衡井斜角”的定量计算：他们还制定了解决井斜问题的实用图版，并提出使 用稳定器控制井斜的有效方法。在井斜控制标准方面，rollins 认为在许多情况 下苛求对井斜角的严格限制是不合算的，lubinski 也主张钻井设计师应充分利用 地层的造斜特性，放宽对井斜叫的限制，以利解放钻压、提高钻速和降低钻井成 本，同时要求对井眼曲率（俗称“狗腿严重度” ）作出严格限制，以防钻柱的疲劳 破坏，并给出了最大井眼曲率的计算模式和实用图表。hoch 定量分析了一种“满 眼”钻具组合（含有三个稳定器） ，得到的结论是:这种钻具组合可以消除井斜变 化太快的问题，同时他还对使用的钻挺横向尺寸（外径）提出了定量限制。实践 证明，尽管 hoch 的理论分析有误，但是他对控制狗腿严重度的认识和对策是正 确的。另外，还有其他人所进行的应用研究。应该指出，lubinski 等人的研究始 终限于两维分析，这在定向井控制中不能占优势。lubinski 等人对井斜控制理论 和技术的发展作出了重要贡献，他们的科研成果对我国钻井界的影响颇大。 shell 公司的研究员，在 lubinski 研究的基础上，也对井斜控制问题进行 过许多研究。murphy 分析了光钻挺钻具组合的两维受力和变形，导出了预测这种 简单钻具组合造斜率的计算模式。mclamore 和 bradley 先后进行了单楔齿破岩 (层状)实验，提出了“优先成屑地层理论” ，他们还根据修正的 mohr-coulomb 破 坏准则，建立了一个偏斜力公式，试图对井斜现象作出定量解释。fisher 采用有 限差分法对平面弯曲井眼中的钻柱进行了两维静力大挠度分析，编制了相应的计 算机分析程序。bradley 从钻柱力学、钻头结构特性及地层特性等方面进行了系 统论述，试图帮助钻井工作者较全面的认识影响井斜的重要因素。他还定量分析 和阐述了在井斜控制中使用大重度高弹性模量（如金属钨等）钻挺的优点。 bradley 等人的研究也仅限于两维分析。 walker 首先应用最小势能原理对常规下部钻具组合进行了两维分析，继而 与 friedman 合作建立了钻柱静力小变形的三维控制方程，并应用变分法在计算 机上对控制方程进行了近似求解。walker 把钻柱三维分析程序应用与下部钻具组 合设计，从而提高了钻速，降低了钻井成本。他还对影响井斜变化和方位漂移的 因素进行了概括性论述。walker 的主要贡献是在钻柱力学研究方面。 在井眼轨迹控制理论和技术研究方面，英国专家 brown 等人、法国专家 amara 等人，也都做了一些有益的研究工作。当然，我们还可以发现国外其他一 些研究人员所做的工作，如 birades 等人的研究结果。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 3 在国内，井眼控制理论和技术的研究起步较晚。刚进入 80 年代时的水平 还相当低，理论研究工作是从唐俊才等人修改“霍奇公式”开始的。接着便是以 白家祉为代表的一批专家和学者，在 80 年代作出了巨大努力，取得了许多可喜 的研究成果，为井眼轨迹控制理论和技术在国内的大发展作出了重大贡献。白家 祉等人应用三弯矩方程分析下部钻具组合的受力和变形，并在 lubinski 的地层 各向异性钻井理论的基础上，提出了一个地层力公式；杨勋尧以主要解决井斜控 制技术问题为目标，通过求解简单的力学模型，提出了设计下部钻具组合的实用 方法，他为了表达地层各向异性对井斜的影响，也提出了一个地层造斜力公式； 国内其他专家和学者的研究，从不同方面促进了井眼轨迹控制理论和技术的发展， 这里就不作详细介绍了。 1.2.2 下部钻具组合力学方法研究 下部钻具组合力学分析是井眼轨道控制理论的基础和重要组成部分，也是优 化下部钻具组合结构设计和选择钻井工艺参数的理论依据。从 50 年代初 lubinski 用受纵横载荷联合作用的弹性梁模型求解下部钻具组合受力与变形问题 以来，这一问题的研究一直受到国内外的重视，并取得了重大进展，研究成果使 钻井工艺逐步发展成为一门建立在理论分析基础上的科学。其具有代表性的方法 有 lubinski 经典数学微分方程法，k. k. mi11em 的有限元法，b. h. walker 的 能量法，白家祉的纵横弯曲法1，4。 （1）经典数学微分方程法 经典数学微分方程法是钻具力学分析中应用最早的解析方法，具有代表性的 是 50 年代初 a.lubinski 和 h.b. wood。他的基本思想是在满足经典材料力学控 制方程的前提下，建立起钻柱受力变形的精确微分方程，利用特殊函数法、迭代 法和有限差分法等给出方程的解答。a.lubinski 建立的力学模型，为后人的进一 步研究奠定了基础，他所提出的假设基本上为后来研究者长期采用；他对光钻挺 钻具性能作了详尽研究，并发展到单稳定器钟摆钻具，定性讨论了多稳定器钻具， 使人们对稳定器效能的全面认识和对后来多稳定器满眼钻具的出现起到了引导作 用。 （2）能量法 1973 年，b. h. walker，应用弹性力学的势能原理求解钻具组合受力合变形 问题他把距钻头一定长度的位置 c walker 取 120ft 作为 bha 的上边界，建立 bha 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 4 弹性系统的势能方程和约束条件，根据逆解法构造解的形式（含有广义系数的三 角级数） ，由拉格朗日乘子法和最小势能原理列方程，以确定广义系数，并进而 确定 bha 的受力和变形结果。 （3）有限元法 1973 年 k. k. millheim 提出了有限元法进行下部钻具组合的力学分析。他 把距钻头一定长度的钻柱（一般 150-400ft）视为下部钻具组合，划分为若千个 计算单元，并取间隙单元来描述钻柱与井壁的接触状况。通过建立单元刚度矩阵 并组装成总体刚度矩阵，借助联系广义节点力、节点位移和系统刚度的矩阵方程， 得到一组非线性方程组，用计算机多次迭代求解，可得出 bha 的受力与变形结果。 计算结果表明，由于没有精确考虑钻具组合变形的非线性以致在刚度矩阵中忽略 了几何矩阵的存在，因此计算结果有时与实际情况存在较大误差。在我国“七五” 期间，吕英明教授等人，也对此方法在钻柱力学中的应用作了较为系统的研究。 （4）纵横弯曲连续梁法 纵横弯曲连续梁法是由我国的白家祉教授在 70 年代提出并研究完成的，也 是一种解析方法，该理论将钻柱组合的下部弯曲看作纵横弯曲的连续梁，利用稳 定器处连续性条件导出三弯矩方程，以求解各稳定器处的内弯矩。这组方程是非 线性代数方程组，从中可以清楚地看出影响钻柱受力和变形的各个因素。 1.3 井斜控制专用工具现状 井下专用工具研制是井眼轨道控制的核心部分，它常常使钻井工艺和钻井方 式发生变化，也会导致井眼轨道控制水平提高、钻井成本下降，大的井下工具研 制还会引起钻井技术变革，如螺杆钻具或涡轮钻具的研制和应用，使定向井钻井 技术和滑移钻井方式下的导向钻井系统成为现实。但井下工具研制比较困难，这 主要是因为井下工作状态十分复杂（动载荷大、温度高、钻井液介质恶劣等） 、 细长井眼空间小、井下动力来源较少（只有钻井液压力和钻压） ，另外，产品在 井下试验时风险性较大。因此，井下专用工具的研制是一项十分耗时、耗财的上 作，只有通过不懈的努力和反复试验，才能获得成果。迄今，在井眼轨道控制中， 据文献报导主要的井下专用工具为动力钻具（涡轮和螺杆钻具） 、稳定器（可变 径稳定器）和伸缩钻艇、可调弯接头和特殊接头、导向钻井系统（滑移和旋转钻 井闭环控制系统）等。据国内油田定向井钻具使用情况的不完全统计，由于种种 原因，这些井下专用工具的绝大部分没有在钻井中得到推广应用，仍需进一步研 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 5 究完善。 （1）满眼钻具 满眼组合是当前常规防斜技术的典型组合。满眼钻具一般是山几个外径与 钻头直径相近的稳定器及一些外径较大的钻挺构成。其原理有二：一是由于满眼 钻具比光钻挺的刚度大，并能填满井眼，在大钻压下不易弯曲，保持钻具在井内 居中，减小钻头的偏斜角，从而减小和限制因钻柱弯曲产生的增斜力；二是在地 层横向力的作用下，稳定器能支撑在井壁上，限制钻头的横向移动，同时能在钻 头处产生一个抵抗地层力的纠斜力。为了发挥满眼钻具的防斜作用，钻具上至少 要有二个稳定器，除靠近钻头有一个稳定器外，其上还应再安放两个稳定器，保 持有二点接触井壁，通过二点直线性来保持井眼的直线性和限制钻头的横向移动 5。 （2）动力钻具 用于水平井作业的弯壳体螺杆钻具与常规螺杆钻具相比，具有造斜快、排 量大、转速低、扭矩高的特点，并能与其它配套工具组成导向钻井系统。国外从 70 年代后期研制出可调方向的螺杆钻具和一种可控正容积式涡轮马达，并在墨西 哥湾使用了带偏心稳定器的可控祸轮钻具，使钻井时间和费用得到大幅度降低。 迄今，国内外油田使用的动力钻具主要是螺杆钻具，经过几十年的不断研 究和应用，螺杆己由单头发展到多头，出现了弯外壳螺杆、中空螺杆、小尺寸短 螺杆等产品，现有的各种螺杆钻具基本上能够满足各种定向井的井眼轨道控制需 要，己在钻井中得到全面推广应用6。 （3）稳定器、可变径稳定器、伸缩钻铤 国外从 70 年代未，研制了可调直径稳定器、伸缩短节，这些工具的应用可 减少起下钻次数，提高井眼轨迹控制精度和效率。目前有一种自动降斜，增斜和 扭方位的井下工具，可用于钻直井和定向井，该工具通过扶正器上可伸缩扶条的 不对称伸缩，使钻具偏向一边，起降斜、增斜及扭方位的作用。防止井眼偏斜的 钻具稳定器，主要由扶正套、支承座、滚轮、平面轴承、固定帽和钻具短节本体 及密封件组成，其特点是滚轮安装在扶正套的内部，钻进时支承座、扶正套与井 壁配合，不随钻具一齐旋转，滚轮在支承座上自转，可避免摩擦井壁。 变径稳定器和伸缩钻挺是定向井旋转钻井时，实施井眼轨道连续控制不可缺 少的工具，由于钻柱旋转钻井时工作状态较复杂，而现有工具在结构和控制方式 中还存在一些不合理性，使得这些工具在国内油田还没有得到推广应用，仍需进 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 6 一步研究和完善。 （4）可调弯接头、特殊接头 可调弯接头：在 70 年代后期，为了提高轨迹控制的精度和节省钻进时间， 对可调弯接头进行了大量的研制和试验。研制的电动式、机械式和液压式可调角 度弯接头，都具有及时控制井眼轨迹功能，但液压式能与所有测斜工具配合使用， 调节角度简单迅速等优点。sib 公司与法国石油研究所合作研制的多角度遥控弯 接头的主要特性、操作条件、应用范围和实例，该遥控弯接头与井下液压马达配 合，通过地面遥控弯接头的角度，就能实时控制井眼轨道。 特殊接头：有一种多功能井下接头，该接头在起下钻时能够防溢泥浆，又具 有防斜、纠斜、防偏磨功能，它不仅能提高钻井速度，又可满足钻井过程中的造 斜和防斜要求。 （5）导向钻井系统 自从 80 年代初滑移导向钻井技术在北海油田的成功试验，由聚晶人造金刚 石钻头（pdc 钻头） 、井下动力钻具（涡轮钻具和螺杆钻具） 、随钻测量系统（mwd 系统）三位一体的滑移导向钻井技术得到大规模研究和应用。 文献7介绍了一种旋转钻井闭环控制系统，它主要由旋转导向系统组成， 该系统能够根据 mwd 测量值的反馈信息，自动定位并施加给钻头一个侧向力，实 施井眼轨道的连续控制，其核心工具就是一个外壳不旋转、芯轴传递扭矩、按指 定方位能够支撑井壁的专用工具。由于钻柱旋转，使得定位和导向系统研究十分 困难，但旋转钻井能够克服滑移钻井的许多缺点，如钻柱摩阻大、钻井液携屑能 力差、机械钻速低等。这一技术是近几年研究的主要方向，国外有研究成果和应 用报导，国内只有研究报告，还没有应用报导。 （6）复合钻具 国外目前采用这种技术比较普遍8。国内也有所应用，自 20 世纪 80 年代 末期以来，中国石油天然气集团公司石油勘探开发研究院钻井所一直在致力于用 复合钻具进行定向井轨道控制的理论与实验研究及技术推广工作。这一技术以在 水平井和更多的定向井上应用成功，取得了显著的经济效益和良好的井身质量。 将这一技术应用于直井，可以作到开转盘钻直井（稳斜）和定向纠斜，而不用起 钻更换钻具组合1。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 7 1.4 本文主要研究内容 本文的研究思路是借鉴国内外稳斜取得的研究成果，提出适合肇州油田需要 的稳斜技术，从理论到实践中加以完善。主要的研究内容有： 1从理论上分析复合钻具控制井斜的原理，证明利用复合钻具控制井斜较 传统的控制井斜方法更有优势。 2用纵横弯梁法分析复合钻具在井下的力学性能。计算其控制井斜时，钻 头侧向力的大小，确定其控制井斜的能力。 3分析复合钻具控制井斜时的控制因素，确定最优的钻具组合方式，使复 合钻具的应用达到最佳的稳斜效果。 4在现场进行试验应用，从实践上来验证用复合钻具控制井斜的可行性。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 8 第 2 章 复合钻具控制井斜的机理 2.1 影响井斜的原因 分析响井斜的原因是进行井斜控制的前提，只有准确地找出导致井斜的原因， 才能针对性地选择控制井斜的方法。影响井斜的因素主要有以下几种3。 2.1.1 地层及其各向异性 造成井眼弯曲的地质因素主要是地层的各向异性和软硬交错。地质因素在井 眼的自然弯曲中起主要作用并具有一定的规律。地层的各项异性主要表现在岩石 的各向异性和岩石软硬交错两个方面。 岩石在不同方向上具有不同强度和硬度等力学性质的现象称为岩石的各向异 性。岩石的各向异性与岩石的层理、片理、微裂隙性等构造特征有着密切的关系。 硬地层 软地层 m ba bf afp p 硬地层 软地层 ba bfaf a) b) 图 2-1 岩性变化对井斜的影响 当钻头从软地层进入硬地层时，如图 2-1(a)所示。钻头在 a 侧接触到硬岩石， 而在 b 侧还是软岩石。这样在钻压作用下，由于 a 侧岩石的硬度大，可钻性小， 钻头刀刃吃入地层少，钻速慢；而在 b 侧岩石的硬度小，可钻性大，钻头刀刃吃 入地层多，钻速快，这样钻出的井眼自然会偏斜。另外，由于钻头两侧受力不均， 在 a 侧的井底反力的合力比 b 侧大，将产生一个弯矩 m，扭转钻头，使其沿着地 层仁倾方向发生倾斜。 当钻头由硬地层进入软地层时，如图 2-1(b)所示，开始时一由于地层在软地 层一侧吃入多，钻速快，而在硬地层一侧吃入少，钻速慢，井眼有向地层下倾方 向倾斜的趋势。但当钻头快钻出硬地层时，此处岩石不能再支承钻头的重负荷， 岩石将沿着垂直于层面方向发生破碎，在硬地层一侧留下一个台肩，迫使钻头回 到地层上倾方向。所以钻头由硬地层进入软地层也有可能仍然向地层上倾方向发 生倾斜。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 9 2.1.2 钻柱弯曲引起的钻头侧向力 钻进时靠下放部分钻柱重量给钻头施加钻压。在直井中，钻压较小时下部钻 柱保持直线稳定状态。当钻压增至某一临界值时，下部钻柱发生失稳弯曲并与井 壁产生切点（见图 2-2） ，钻头及其相邻连接部分钻柱的中心线偏离井眼轴线而使 钻头偏转一个角度发生倾斜。钻头倾斜后对井底产生不对称切削，这是产生井斜 的重要因素。随着钻压的进一步增大，切点下移、钻头偏转角度增大，对井斜影 响更大。 在钻斜并时，钻挺与井眼下边在切点处开始接触，切点至钻头距离为切线长 度 l。切点以下钻柱由于自重的作用将产生一个钻头处的侧向力 f。 (2-1)csin2lf 式中 f钻头侧向力， n； l 一切线长度， m； c钻铤单位长度重，n/m； 井斜角， 。 ym m m x 2w 2ff nf1w1 稳定器 图 2-2 直井中钻柱的弯曲 图 2-3 斜井中的下部钻柱受力 因为该力使井眼降斜，为负侧向力。当钻头受压后，切点下移，侧向力减少。 钻头处钻挺弯曲导致产生井眼偏斜的负荷增大（正侧向力） 。因此，随着钻压增 加，负侧向力减少，正侧向力增大。总侧向力矢量和轴向力将决定井眼的偏斜度。 当然，地层的各向异性也必须考虑。井下钻具中稳定器的位置也将影响钻头侧向 力的大小，因此将决定下部钻具组合是增斜、稳斜还是降斜。稳定器直接安放在 钻头上方将产生一个支点，稳定器上方钻挺的重量使钻头产生增斜侧向力。当钻 头和稳定器间的距离增加时，钻头上的增斜侧向力减少。当稳定器离钻头足够远 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 10 时，稳定器以下钻柱产生的钟摆力将使钻头有降斜的趋势。 2.1.3 钻头结构引起的各向异性 在石油钻井中，钻头主要是沿其本身轴线钻进，钻头设计者很少考虑钻头的 侧向切削问题。不过，在实际钻井中所使用的钻头均有不同程度的侧切能力，并 且它对钻进轨迹有一定的影响。例如钻井中所使用的大多数牙轮钻头，在结构上 都有一定的移轴或牙轮超大，这就使得钻头的最大直径不在井底而是在高于井底 的某处，从而造成钻出来的井底与圆柱形井筒之间有一段曲面状的过渡区，结果 牙轮的外圈齿以近似于铣削的方式切削这个过渡区，这便是牙轮钻头对井壁的侧 向切削，简称侧切。如果钻头仅仅承受轴向载荷，井筒过渡区将同钻头旋转体的 外廓形状一致。这个形状取决于钻头的儿何结构。当牙轮钻头钻进时一，若还承 受一定方向的横间力，则三个牙轮的外圈齿将轮番铣削井筒过渡区的某一侧面， 使钻头向下钻进的同时朝着横向力的方向偏移。在实际钻井中，钻头的轴向钻进 能力与其侧切能力之间存在差异，称之为钻头各向异性，在井眼轨迹控制中应考 虑它的影响。由于钻头各向异性的影响，钻头即使在均质各向同性地层里钻进， 也不能按钻头机械合力方向运动。在这种情况下，钻头转角也对钻进方向产生影 响。 2.2 复合钻具提高机械钻速的机理 在钻井工作中，转盘与螺杆钻具进行联合钻进。即在螺杆转子工作状态下， 转盘在旋转钻柱以带动螺杆定子旋转。此时钻头既由螺杆传子带动旋转，同时又 由螺杆定子带动旋转，形成复合运动模式9，10。 2 o1 rm 图 2-4 转盘和螺杆联合钻进示意图 在两种转速的联合作用下，钻头的绝对转速可以明显的提高。下面具体介绍 联合钻进时钻头的绝对转动速度。 先以直螺杆为例介绍两种转速合成的情况，设螺杆钻具转子带动钻头的转速 为 n1，钻柱带动螺杆钻具外壳的钻速为 n2, n1 和 n2 都是按顺时针转动。设钻柱 与螺杆外壳均以角速度 2 绕垂直于井底的 o 轴转动，钻头则由螺杆转子以均匀 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 11 角速度 1 相对于外壳旋转，如图 2-4 所示。则 1=n1/30，2=n2/30。在 钻头边缘上取一距中心为 r 的 m 点。在任意一瞬间，m 点的牵引速度为 v2=2r, m 点的相 1.08e10-4 对速度为 v1=1r，其方向与钻柱旋转方向相同。 由运动学得知，在任意一瞬间，动点的绝对速度等于牵引速度与相对速度的 矢量和。于是有，m 点的绝对速度 v 为： (2-2)er21()w 因此，钻头上 m 点的绝对速度 为： (2-3)12vr 从而得到： (2-4)12n 现在来考察转盘和单弯螺杆钻具联合钻进时的情况。由于单弯螺杆钻具的钻 头中心和钻柱中心不重合，从而存在钻头偏移量，使得速度的合成与直螺杆有一 定的区别。如图 2-5 所示。 11n2n12 图 2-5 单弯螺杆和转盘钻联合钻进钻头速度分析 角速度 位于 1、2 之间，与钻具本体轴线的夹角为 1(10，即受压的情况，若轴向力 p0，则为造斜力；若 p0，则为降斜力。 3.4.2 二维分析 （1）二维问题 装置角 =0，井眼曲率 k0 上边界条件为： ， (3-91)r212kltbmeik 连续条件为： (3-92)r12 根据初弯曲纵横弯曲梁的等效载荷法公式，对井眼曲率为 梁柱的处理： ， (3-93)1dpqk2dpqkr （2）三弯矩方程组 一跨右端转角为： (3-94) 3r 011011()()()246mleqlxuyzueiiei (3-95)lll212abc2eama (3-96)rrr212abc2 式(3-94)和(3-95)代入连续条件(3-92)和式(3-96)代人边界条件(3-91) 得三弯矩方程组： (3-97) 3ll01 1a1b2c1 01212()()()3624mklqlyuzxuamaeiieiee (3-98)rrr21a1b2c22()eaakll 三弯矩方程组中共有 2 个方程，其中未知数为 m1 和 l2，共 2 个，因而是定 解的。 （3）钻头侧向力和钻头倾角的计算 (3-99) 21a0011qlpem 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 28 (3-100) 301101 1t()()()246mleqaxuyzueiieil 在以上各式中： (3-101)111mmcoscos2iiiiiipww ， ， (3-102)0 ()2sed20c()ed0e e1，e1 表示稳定器直径 ds1，和上切点钻具直径 dc1 与井径 d0 的差值之半， 即支座处的径向间隙。 ， 为弯角在梁柱端部产生的附加转角， ， 的求法同(3-84)和 l2r l2r (3-85)的计算。 ， (3.103)12puei3()tgxuu ， (3-104)31()t2y1()sin2zu ， (3-105)1d1sinimqwqabwl ， ， ， (3-106)ad2bd22aapkei2bbki 式中 (i)m，表示第 i 跨梁柱中点的井斜角： (3-107) 102iiiikl wi每跨梁单位长度钻具在钻井液中的重量；n/m。 假设 w0=0，l0=0，p0=pb，0 =b， （钻头处的井斜角） ，钻头处的弯矩 m0=0 2。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 29 第 4 章 影响单弯螺杆控制井斜因素及油田实例 4.1 单弯螺杆力学性能分析 井下钻具组合：215.9mmpdc 钻头+9lz165 螺杆（0.75）+159mm 钻挺一根 +159mm 短钻挺一根（3m）+214mm 稳定器+159mm 钻挺+127mm 钻杆。 其它参数：泥浆密度：1.15mg/cm3；转盘转速：60r/min；钻压：25kn；螺杆长 度：6.5m；螺杆重量：830kg；井斜角：3。 导向钻具在复合钻进时，相当于钻具组合在转动一周中工具面角处于 0360 的连续变化的位置状态。从图 4-1 可以看出，当装置角为零时，钻具处于增斜状 态（钻头侧向力为正） ；当装置角为 180时，导向钻具组合处于降斜状态（钻头 侧向力为负） 。如果不考虑重力的作用，则在 0360的变化范围内，钻头侧向 力的分布将呈现出等值均布状态。基于此，钻头将沿各个方向均匀切削，导向钻 具应表现出稳斜的特性20。 图 4-1 一周内钻头变井斜力的变化情况 但实际上重力将对钻具组合的性能产生一定的影响，因为重力的方向始终向下，所以在 0360范围内（下半周） ，钻头侧向力将大于上半周的对应值，呈现非等值分布状态。因 此实际上钻出的井段有时会呈现降斜的趋势。重力作用造成pa的不均布，降斜力总体上大于 增斜力，使井斜角略有下降，下降的幅度与钻具的刚度有很大的关系。 由图4-2可以看出，尽管弯角的大小对钻头侧向力的大小有直接的影响，但 是钻头侧向力随工具面角的变化规律是一致的。单弯螺杆钻具在转动一周的变化 情况，每隔30取一个点。从图4-2可以清楚地看到单弯螺杆在转动一周时钻头 侧向力都为负值，即都是降斜力。大致是按照简谐形状变化的，当肘点方位为 -90 -60 -30 0 30 60 90 0 60 120 180 240 300 360 工 具 面 角 () 变井 斜力 (n) 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 30 0、360时，单弯螺杆钻具组合处于侧向力最小的位置；当肘点方位为180 时，单弯螺杆钻具组合处于侧向力最大的位置。 图 4-2 一周内钻头侧向力的变化情况 4.2 影响因素分析 分析影响单弯螺杆钻具组合控制井斜的因素，对改进单弯螺杆结构和组合形 式，指导现场施工参数的指定，达到最佳的井斜控制效果具有重要的实践意义。 概括起来，影响单弯螺杆钻具组合控制井斜的因素主要有：稳定器安放位置、钻 压、弯角、肘点位置以及井斜角等。下面就对这些影响因素进行分析20-25。 在考虑螺杆钻具降斜能力的影响因素时变化其中的一个参数，固定其它的参 数。从得到的分析结果来看，由于单弯螺杆在转动的时候，各种力学参数会随之 而变化，为了分析方便，取肘点方位为180时得到的计算结果进行讨论。 4.2.1 稳定器安放位置 稳定器安放位置对单弯螺杆钻具防斜、降斜能力有很大的影响，合理的稳定 器安放位置也是现场工程师们最关心的问题。从图4-3可以看到，稳定器安放位 置越靠上，螺杆钻具的降斜能力就越大。 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 9.6 9.9 10.2 10.5 10.8 11.1 稳 定 器 距 钻 头 距 离 (m) 钻头 侧向 力( n) -550 -500 -450 -400 -350 -300 0 50 100 150 200 250 300 350 400 肘 点 方 位 () 钻头 侧向 力( n) 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 31 图 4-3 稳定器位置对钻头侧向力的影响 4.2.2 钻压 从图4-4中可以看出，随着钻压的增加，钻头侧向力几乎是没有变化。 图 4-4 钻头侧向力随钻压的变化情况 4.2.3 弯角 从图4-5中可以看出，随螺杆弯角的增加，上切点的位置向下移动，钻头侧 向力变大，稳定处的弯矩也增大。图4-5表示弯角对钻头侧向力的影响，从图中 的情况来看，钻头侧向力随弯角几乎是线性增加的。而且，弯角的增加可以使钻 头侧向力明显的增加，这一点和钻压的影响是有区别的。所以，在实际的钻井过 程中，要更加有效的控制井斜，可以考虑增大弯角。 -570 -560 -550 -540 -530 -520 0 20 40 60 80 100 120 140 160 钻 压 (kn) 钻头 侧向 力( n) 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 32 图 4-5 钻头侧向力随弯角的变化情况 4.2.4 肘点位置 单弯螺杆肘点（弯角处）的位置对钻头侧向力是否有影响呢？影响有多大。 这个问题对于螺杆结构的改造，有很重要的作用。从图4-6可以看出肘点位置的 变化对钻头侧向力有很大的影响，肘点位置的上移使得钻头侧向力增加，螺杆的 降斜能力减小。 图 4-6 钻头侧向力随肘点位置的变化情况 4.2.5 转盘转速 从图4-7可以看出转盘转速的提高，会使钻头侧向力增加，增加的程度较小， 但是提高转速在实际的钻井工程中，是可以更有效的防斜，这是因为转速的提高， 增加了钻头横向切削的次数。 -800 -700 -600 -500 -400 -300 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 肘 点 位 置 (m) 钻头 侧向 力( n) -600 -580 -560 -540 -520 -500 -480 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4弯 角 () 钻头 侧向 力( n) 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 33 图 4-7 钻头侧向力随转盘转速变化趋势图 4.2.6 井斜角 图4-8表示井斜角对钻头侧向力的影响，从图中的情况来看，随着井斜角的 增加，钻头侧向力变大。钻头侧向力随井斜角几乎是呈线性增加的。 图 4-8 钻头侧向力随井斜角的变化 钻头侧向力随井斜角的增大而增大，这看上去是很矛盾的，因为要增大钻头 侧向力就必须增大井斜角。而现在研究的目的是控制井斜减小井斜角。实际上， 研究这个问题目是想说明，单弯螺杆钻具有很强的纠斜能力，井斜角越大，它控 制井斜的能力就越强。单弯螺杆在直井中不仅有防止井斜的能力，同样有纠斜的 能力，这一点是比满眼钻具仅有控制井斜的能力要强。 可以看出：稳定器安放位置距钻头越远钻头侧向力越大；钻压对钻头侧向力 影响不明显，转盘转速对钻压的影响也较小；弯角和肘点位置对钻头侧向力有明 -700 -650 -600 -550 -500 -450 -400 40 50 60 70 80 90 100 110 转 速 (r/min) 钻头 侧向 力( n) -1000 -800 -600 -400 -200 0 1 2 3 4 5 6 井 斜 角 () 钻头 侧向 力( n) 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 34 显的影响，适当的增大弯角和提高肘点位置可以增加钻头侧向力；单弯螺杆钻具 组合在井斜角较大时显示出较强的纠斜能力。 4.3 油田实例 由现场数据分析。 钻具组合1：215.9pdc+165螺杆（0.75）+lwd仪器+159无磁+159钻 铤+127加重钻杆+127斜坡钻杆+127普通钻杆 钻具组合2：215.9pdc +165螺杆（1.25）+159无磁+mwd+159无磁 +159螺旋钻铤3根+127加重钻杆+127钻杆 钻具组合3：215钻头+165螺杆（1.25）+lwd+411/4a10接头+159无磁 钻铤+4a11/410接头+127加重钻杆+127钻杆 钻进参数（钻具组合1）：钻压30-50kn、转速30-40r/min、排量32l/s。 钻进参数（钻具组合2、3）：钻压30-80kn、转速50-80r/min、排量30-32 l /s。 表 4-1 主要测斜数据 井号 钻具结构 稳斜井段 m 井斜变化 () 井斜变化率() /(100m)-1 z70-p62 组合 1 1728-1805 88.52-89.01 0.64 g104-5p39 组合 2 1670-1772 41.10-41.43 0.32 g104-5p39 组合 2 2130-2188 83.67-84.99 2.27 g104-5p47 组合 2 1543-1872 40.14-40.7 0.17 m125-p1 组合 3 1670-1816 40.87-41.83 0.65 m125-p2 组合 3 1696-1790 39.5-40.18 0.72 应用表明采用复合钻具组合，整体稳斜效果好。g104-5p39井斜变化率由 0.32变化到2.27，这是因为随着井斜角的增加，钻头侧向力增加，导致井斜角增 加。所以在进行水平段钻进过程中要改用小弯角的螺杆钻具组合（如z70-p62井 在进行水平段时改用0.75的螺杆钻具） ，可使钻头侧向力减小。在改用小角度螺 秆的同时肘点位置也相应下移，此效果也使钻头侧向力减小。这些现象都与分析 的影响因素相符。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 35 结 论 1本文对转盘和螺杆复合钻进时防斜机理进行了分析，从理论上说明了利 用螺杆钻具配合pdc钻头进行防斜打快的技术思路。 2采用纵横弯梁法分析，建立了螺杆钻具控制井斜的力学模型，为分析螺 杆钻具控制井斜的特性提供了方法。 3对单弯螺杆防斜钻具组合分析表明：稳定器安放位置距钻头越远钻头侧 向力越大；钻压对钻头侧向力影响不明显；弯角和肘点位置对钻头侧向力有明显 的影响；单弯螺杆钻具组合在井斜角较大时有较大的钻头侧向力，这些对防斜螺 杆具的设计改进提供了理论依