（油气井工程专业论文）底部钻具组合运动状态模拟实验与防斜打直技术研究及现场应用.pdf

英文摘要 s u b j e c t ：s i m u l a t e de x p e r i m e n to fb h a sm o t i o ns t a t ea n dt h et h e o r e t i cr e s e a r c ha n d f i e l da p p l i c a t i o no nd e v i a t i o nc o n t r o l l i n g s p e c i a l i t y ：o i la n dg a se n g i n e e r i n g n a m e ：n iy i m i n ( s i g n a t u r e ) 碰五竺幻 i n s t r u c t o r ：l it i a n t a i ( s i g n a t u r e ) z ；五超垒纵 a b s t r a c t i nt h er e g i o n sw i t hh i 曲f o r m a t i o nd i pa n g l e , t h ed e v i a t i o nc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g yi s i m p e r a t i v ei n l a n d b e c a u s et h ek n o w ns c o p ea b o u tw h i r l i n gc o n d i t i o no fb h a ( b o t t o m - h o l e a s s e m b l y ) i sl i m i t e d , t h ed y n a m i cd e v i a t i o nc o n t r o l l i n gt e c h n i q u e sa r en o tm a t u r e s u c ha st h e e c c e n t r i ca n do f f s e t - a x i sa s s e m b l i e sa n dt h et h e o r yo fg r e a tw o b ( w e i g h t - o n - b i o u n d e r t h e s es u r r o u n d i n g s ，f o c u s i n go nt h eb r e a k t h r o u g ho fb h a sm o t i o ns t a t e , t h ei n d o o rr e s e a r c h o nb r a sm o t i o ns t a t ea n dt h et h e o r e t i cr e s e a r c ho nd e v i a t i o nc o n t r o l l i n gi sq u i t eu r g e n t b yi n d o o rs i m u l 撕o ne x p e r i m e n t so fd i v e r s eb h a sm o t i o ns t a t e d o w n - h o l ew o b a n d l a t e r a lb i tf o r c e t h em a t h e m a t i c a lr u l e sa f ec o n c l u d e di nt h i st h e s i s d u r i n gt h ep r o c e s so f t h o s ee x p e r i m e n t s ，i tb e c a m ear e a l i t yf i r s t l yi n l a n dt h a tr e a l - t i m em e a s u r i n gt h el a t e r a lb i t f o r c e b a s e do nt h eb i ta n dr o c ki n t e r a c t i o nm o d e l ，an e wc o n c e p to f n e n da n g l e ( i n c l u d i n g i n c l i n a t i o nt r e n da n g l ea n da z i m u t ht r e n da n g l e ) a n di t sc a l c u l a t i o nm e t h o da r ep u tf o r w a r d ，a s w e l la st h ed i s c r i m i n a t i o nm e t h o da i m i n gt oj u d g ed r i l l i n gt e n d e n c yb yt r e n da n g l e s t h e n , t h ed e v i a t i o nc o n t r o l l i n gc a p a b i l i t yo f n o r m a lp e n d l l l u ma s s e m b l ya n do f f s e t a x i sa s s e m b l ya l e a l s oe v a l u a t e d t h i sp r o c e s sa l s od i r e c t e dt h ef n f t h e rs t u d yo fb h 疋sd y t 试ed e r i s i o n c o n t r o l l i n gm e c h a n i s ma n ds e t t i n g1 1 pa n a l y s i sm o d e lo fb r a sm o t i o ns t a t ea n dk i n e t i c f e a t u r e s c o n s i d e r i n gt h ef a c t o r so fw o b 、r o t a t es p e e d ，c o u p l i n go fa x i a lm o t i o na n dt r a n s v e r s e m o t i o n , t h e nm a k i n gl i s eo ft h et i m o s h e n k ob e a mt h e o r ya n dt h ed a l e m b e r t st h e o r y , a d y n a m i ca n a l y s i sm o d e lo fb r a sm o t i o ns t a t ea n di t sd y 姐蛐i ef e a t u r e si se s t a b l i s h e d a n d s i m u l t a n e o u s l y , t h ef o r m u l a eo ft h el a t e r a lb i tf o r c ea n dt h et i l ta n g l e a r ea l s od e r i v e d b yu s e o fn u m e d c a lm e a n s t h ea f f e c tr u l e so ft h ea b o v ef a c t o r so nt h eb h a ，sm o t i o ns t a t ea n di t s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y t h e s er u l e sv e r i f yt h er e s u l t so ff o r m e r s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c ho fw h i r l i n gm e c h a n i s ma n da f f o r d st h e o r e t i c a lb a s i sf o r b r a sd y n a m i cd e v i a t i o nc o n t r o l l i n g b a s e do nt h ef o r e g o i n gt h e o r i e s a n df o u n d e do nt h ep r o j e c to fs i n o p e c s 吼er e s e a r c h o nd e e pe m p l a c e m e n tw e l l sf i n ea n dq u i c kd r i l l i n gt e c h n i q u ea tc o m p l a xf a u l tz o n e ”m a k e 1 7n o r m a lp e n d u l u ma s s e m b l ya n do f f s e t a x i sa s s e m b l yd o w n h o l et e s t 协6w e l l sa n d4 h o l e 英文摘要 s i z ea tf u t a ia n ds h a n j i a s h io fs h e n g l io i l f i e l da n dm a r i n ef a c i e so fn o r t h e a s t e r ns i c h u a n p r o v i n c e f i n dt h a tt h en o r m a lp e n d u l u ma s s e m b l ya n do f f s e t - a x i sa s s e m b l yc a nc o n t r o l l d e v i a t o nv e r yw e l la tt h ez o n eo fs m a l la n g l eo fb e d d i n g ( f u t a io i l f i e l d ) , a n dc a l lr e l e a s ew o b a n de n h a l l c et h ed r i l l i n gs p e e d b u tt h eo f f s e t a x i sa s s e m b l ye a r n tc o n t r o l lw e l ld e v i a t i o na t t h ez o n eo f b i ga n g l eo f b e d d i n g ( n o r t h e a s t e r ns i c h u a np r o v i n c e ) k e yw o r d s ：b r a , e x p e r i m e n t ，m o d e l , d e v i a t i o nc o n t r o l l i n g t h i s ：a p p l i e a t i o n ss t u d y i v 学位论文创新性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安石油大学或其它教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做 了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名：盛盏毛日期；幸皇，f 篁 学位论文使用授权的说明 本人完全了解西安石油大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读 学位期间论文工作的知识产权单位属西安石油大学。学校享有以任何方法发表、复制、 公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接 相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为西安石油大学。 论文作者签名： 导师签名： 塑垂函 。 习彩瀑 日期：迎z 苎：f ； 日期：丛生z ! ，箩 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究的目的意义 井斜是伴随钻井而生的一个钻井旋工中的古老的难题。井斜的存在影响了勘探开发 方案的正常实施，给钻井、完井、采油作业带来了极大的安全隐患；而为了防斜、纠斜 而采取的常规措施又会大大降低钻井效率；特别是随着当今勘探开发领域的不断拓展与 深入，高陡构造、大倾角地层的勘探开发工作量越来越大，井斜问题成了制约勘探开发 工作质量、效益、甚至是成败的关键。深井钻井中直井防斜问题更为突出，其危害也更 严重。国内外对井斜机理都进行过比较深入的研究，普遍观点认为：造成井眼偏斜的原 因有两大类： 一是地质方面的因素，沉积地层由于存在层状结构、地层倾角、断层、软硬交错等， 且不同方向的物性和强度又有差异，使钻头在井底面非均匀切削而不平衡钻进，从而产 生井斜；一般来说，在地层倾角越大地层各向异性越严重，则钻井时井斜越严重。 另一个原因是底部钻具弯曲造成井斜，即底部钻具组合和所施加的钻井参数对井眼 偏斜有影响。对于给定的下部钻柱组合，钻井参数中钻压和转速是主要的影响因素，在 铅垂段钻进中，下部钻柱组合在一定的钻压下会发生弯曲变形，使钻压作用方向偏离了 钻头处原井眼轴线，钻头处钻压产生一个横向偏斜力和钻头倾角，从而导致井眼偏斜。 钻柱力学研究是现代钻井工程理论和技术的重要组成部分，其主要研究对象是 底部钻具组合( b o t t o m h o l ea s s e m b l y ，简称b h a ) ，其核心内容是b h a 静力学和动 力学响应特性研究和应用，如井眼轨迹控制、钻柱疲劳破坏、钻柱振动等b h a 运 动状态及动力学特性研究是在钻柱动力学特性研究和应用中占据重要地位。从上世 纪6 0 年代出现b h a 动力学研究至今，理论研究和现场实践已经证明：b h a 的真实运 动状态十分复杂，除了绕自身轴线的自转运动，还存在绕井眼轴线的公转运动( 涡 动) ，以及各种振动( 包括纵向、横向、扭转等) ；b h a 运动状态与动力学特性关系 十分密切，尤其是涡动状态对动力学特性影响最显著，正确认识b h a 运动状态是建 立合理的b h a 动力学模型的基础和前提。但是，国内外目前对b h a 运动状态的认识 还十分有限，尤其是对b h a 涡动状态的认识水平较低，还有许多关键问题认识不清， 比如b h a 涡动机理、涡动规律，及影响因素等，已经阻碍了b h a 动力学特性研究及 应用。 此外，国内长期以来主要采用钟摆钻具、满眼钻具等防斜打直技术，在高陡构 造等复杂构造地区，其钻井效率均比较低。随着国内石油勘探开发领域的扩展和深 入，严重井斜已经成为制约钻井速度的关键问题。针对钻井现场对“防斜打快”技术 的迫切需要，国内在上世纪9 0 年代前后出现了b h a 动力学防斜技术，如偏重( 心) 钻具、偏轴钻具、大钻压防斜理论等，能够采用相对较高的钻压和转速，有利于提 高复杂构造地区的钻井效率，但是目前上述技术还不成熟且进展缓慢。其根本原因 西安石油大学硕士学位论文 在于。动力学防斜技术的理论依据均来源于b h a 涡动特性，目前对b h a 涡动状态的 认识和利用水平还比较低。如果对b h a 涡动状态的认识水平提高了，则现有的动力 学防斜技术大有潜力可挖! 因此，本课题将从b h a 运动状态室内模拟研究出发，全面开展b h a 运动状态 和动力学特性研究及应用，重点是b h a 涡动状态研究及应用、动力学防斜技术研究， 从而提高人们对b h a 运动状态的认识水平，提高人们对b h a 动力学特性研究及应 用水平，提高复杂构造地区直井钻井速度，即为本课题研究的目的和意义所在。 1 2 国内外研究现状 1 2 1b h a 动力学特性研究现状 1 2 1 1b h a 动力学研究概述 a 1 u b i n s k i 在1 9 5 0 年建立了钻柱受力与变形微分方程。提出了钻柱自转假设和钻 柱弯曲理论【”。1 9 5 3 年又对先前的假设条件进行修改，重新推导了钻柱受力与变形微分 方程，提出了钟摆钻具理论【2 1 。整个5 0 年代只有b h a 静力学研究模型【2 1 。 e ，! ；芋= u x f 陟+ c r 【( y 一叶) p c o s 口+ ( x 一喜) p s i n a 】嘶 “ 。 式中：w 一钻头处轴向分力 i - - 钻头出侧向分力 p 钻头在泥浆中的线重量 1 1 ，一弯曲段任意一点的坐标 b h a 静力学研究在6 0 年代进入大发展时期，出现了满眼钻具理论( h o c h 等人) ， 以及组合钻柱理论，分别在直井防斜打直、定向井轨迹控制中获得广泛应用【3 1 。 6 0 年代出现了最早的钻柱动力学研究主要是对直井中钻柱的纵向和扭转振动 进行了实验与分析。1 f i n n i e 、j j b a i l y 在1 9 6 0 年确定了不考虑阻尼的情况下钻柱的固有 频率。之后，e r p a l s y 和d b b o g y 研究了钻柱纵向振动( 1 9 6 3 年) ，d w d a r e i n g 等人 对钻柱的屈曲和振动进行了数值分析( 1 9 6 8 1 9 6 9 年) ( 2 1 。 7 0 年代b h a 动力学研究仍然比较少，但是期静力学研究进展迅速。研究方法出现 多样化，为动力学研究奠定了基础。如b h w a l k e r 的能量法( 1 9 7 3 年) ，w b b r a d l e y 和f i j f i s c h e r 的差分法，自家祉的纵横弯曲连续梁法( 1 9 7 7 年) ，k k m i l l h e i m 的有限 元法( 1 9 7 8 年) 2 1 。 在b h a 静力学模型中，通常采用如下基本假定【2 】： 1 ) b h a 各结果单元均处于弹性状态； 2 ) b h a 各结果单元可以具有任意几何尺寸和材料性质，但分段保持为参数： 3 ) 钻头居于并底中心，不与地层产生弯矩； 4 ) 井眼断面为圆形，井壁与井眼轴线平行，且对b h a 刚性支撑( 在接触点) ： 2 第一章绪论 5 ) 在切点以上，钴柱躺在井眼下边； 6 ) 忽略钻柱和钻井液的动力效应。 直到8 0 年代初，k k m i l l h e i m 等人应用有限元理论，建立了b h a 三维动力学模型， b h a 动力学研究从此进入大发展时期。8 0 年代b h a 动力学研究进展迅速，基本上沿 理论研究和实验研究两条路线同时进行理论研究主要包括动力学模型的建立及数 值计算等；实验研究主要包括钻柱动力响应实验及现场数据的获得与分析等 ”。 国内学者在b h a 动力学研究领域也作出了突出贡献。高德利等人在1 9 8 8 年最 早应用了加权余量方法求解钻柱力学问题【2 l ；吕英民、蔡强康等人1 9 9 0 年以后也建 立了有限元模型【2 】。章扬烈在国内最早开展b h a 运动状态模拟实验，1 9 8 8 年提出了 b h a 反向公转理论h ；石油大学( 华东) 在2 0 0 0 年前后进一步开展了上述模拟实验， 也取得了重要认识和成果【5 11 6 1 。 1 2 1 2b h a 动力学特性理论研究现状 1 ) k k m i l l h e i m 、m c a p o s t a l 等人研究成果 k k m i l l h e i m 、m c a p o s t a l 等人在2 0 世纪8 0 年代初首先应用d a l e m b e r t 原理， 在静力分析的基础上引入了惯性力和摩擦力，建立了b h a 三维动力分析的有限元模 型【7 】【扪。模型中采用了如下基本假定 7 1 ： 1 ) 在所分析的井段上并眼轨迹无变化； 2 ) 不考虑地质因素的影响； 3 ) 井眼无扩大( 或稍有扩大) ，井眼截面为圆形； 4 ) 不考虑钻头扭矩( 钻头底面摩擦) ，认为其影响可以忽略。 模型中采用直粱单元，作用在接点n 上的合力丘，形式如下 7 1 ： 斗呻一呻。“ 呻 f n = f 七f n b + f n g + f 暾+ f 晴f 式中：赢。等效的重力向量 正。b h a 与井壁之间的边界力( 法向接触力) 口 贰，大变形产生的弯曲力 赢d a l e m b e r t 导出的惯性力 露旋转的b 姒与井壁之间产生的摩擦力 模型中还将接点力f ；和位移向量s 7 分解成动态、静态两部分，其如下形式川： f n = 武+ f ：s i n 甜+ 晾c m 积 s n = 式+ 吱s i n 积+ s j ：r c o a t a t 式中：国钻柱转速 西安石油大学硕士学位论文 两，i 分别为结点力、位移的静态分量 j ，o r 扁，砖，毒，毒分别为结点力、位移的放大系数 还将钻头处的侧向力分解为井斜力和方位力，计算其合力大小及作用方向，预测 b h a 的动力学响应及钻进趋势【7 1 。 b = 厩 妒一s 咯) 式中： 最钻头处侧向力的合力 f _ ，平均方位力，平均并斜力 币- 厶力作用方向 i _ i 圈i - ib h a 三维动力分析模型 k 。k m i l l h e i m 等人是第l 批较系统地对钻柱进行动力学研究的团体，尽管模型 中的某些假设与实际情况并不完全相符，却给出了影响钻头轨迹的主要因素，为今 后的研究指明了方向【7 1 a 、首次指出转动的b h a 与井壁的间歇接触、动力扭矩和摩擦，对b h a 的特 性有着重要的影响，而以前这些因素被认为是地层的影响。他们认为控制钻头运动 的主要变量是转速，稳定器、钻头、钻杆、摩擦系数，地质和井眼条件、井斜、b h a 形状。 b 、钻柱有四种不同的运动状态，分别对应不同的运动轨迹( 如图l - 2 所示) ： 低能级稳定态( 钻柱低速转动) ，中能级不稳定态( 钻柱中速转动) ，高能级不稳 定状态( 钻柱高速转动) 和高能级稳定态( 钻柱转速超过晃动的转速) c 、钻头处的合力及方位角都是变化的，且动态情况下的合力小于静态下的合力。 特别是当转速超过临界转速时。稳定器、钻头与井眼的间隙也极为重要。他们还指 出，钻头处的侧向力对钻头外环问隙、稳定器及井眼直径、b h a 组合方式、系统的 动态、井身斜度、井身弯曲度都很敏感。 2 ) j e 。k a n e 等人研究成果 j e k a n e 在1 9 8 4 年指出【扪，钻头处的动态侧向力仅在改变方向控制和钻井速度 第一章绪论 时出现，且许多地层对大多数侧向力的峰值起作用。侧向力的峰值取决于钻柱质量 不平衡程度、b h a 长度、转速、钻压和泥浆密度，其方向总是垂直于钻头轴线。 3 ) j a b a i r d 、s j a p o s t a l 等人研究成果 j a b a i r d 、s j a p o s t a i 等人在1 9 8 5 发表文章，建立了比较完善的三维瞬态动力 学有限元模型，采用修正的n e w t o n r a p h s o n 法及n e w m a r k - b a t a 的数字积分技术求 解，还编制了相关的计算机程序( g e o d y n 2 ) 犯j 。研究结果指出，b h a 的整体响 应特性非常不稳定，其瞬时力和瞬时运动的幅值相当大，只有使用瞬时动态方法才 能真正描述b h a 对井眼轨迹的响应特性【9 】。 l 一 量 溉 ；莓眚臻拦磊毒锚曩霉 嚣一_ - 心- i i p l i s l g l l u w m n | t a l 【n l m l a u n l n 捌糕 圈1 2 钻柱的四种运动状态 模型中将钻柱与地层作为一个系统来研究，用“虚刃”模拟稳定器、钻头与地层 的相互作用，用一个线性弹簧模拟地层对钻头切入的阻力，用6 个弹簧模拟上部钻 柱对b h a 的影响。模型中还考虑了钻柱的非线性和问歇基础的影响。 模拟过程分3 个阶段：将b h a 下入井眼中，在静止情况下求其位移解一均匀增 加转速至所需值，求其瞬时动力学解一逐步增加钻压，求其瞬时动力学解。 模型中采用的运动方程形式如下： 【 ，”】( g + 【c ”】 订+ 【x 一】( 神= 【，”( r ) 】 式中：【 f 】b h a 质量矩阵 【c 垆】- b h a 阻尼矩阵 【k 班】- b h a 刚度矩阵 g ) - b h a 加速度向量 g ) - b h a 速度向量 订b h a 位移向量 【，( ，) 卜0 时刻的外力向量 4 ) v a d u n a y e v s k y 等人研究成果 v a d u n a y e v s k y 等人在1 9 8 4 1 9 8 5 年研究了带三牙轮钻头的钻柱在定向井中发 生进动的条件及钻柱的稳定性，确定了钻柱振动的参数共振区域与转速的关系f 2 】。 西安石油大学硕士学位论文 首次指出了钻柱不仅绕其本身轴线转动，而且同时存在着进动，从理论上给出了横 向振动的原因及何时应考虑横向振动。为钻柱横向振动的研究提供了理论依据。文 章认为，当钻压超过由静弯曲理论确定的临界值后，就会产生随时间变化的横向扰 动，使钻柱绕自身轴线的转动不稳定，进而产生绕井眼轴线的转动( 进动) ：即使 钻压没有超过临界值，钻压波动引起的服从参数共振的轴向波将引起横向扰动，钻 柱也会产生进动。在小钻压时进动不发生，钻柱绕自身轴线的转动时稳定的；钻压 一旦超过静弯曲临界值，钻柱经常发生进动。摩擦阻力的存在减少了共振区的范围。 5 ) m b i r a d e s 研究成果 m b i r a d e s 在1 9 8 6 年建立了一个包括静态和动态分析的b h a 三维有限元分析模 型【l o 】指出钻柱与井壁的接触有两种形式：连续接触( 有或没有滑动) ，或连续撞 击。认为井眼扩大是影响井斜和方位的主要因素，而摩擦力仅影响方位。 研究结果还指出，静态结果与动态结果的井斜相差士o 2 。，方位相差大约士o 5 。， 但钻头处合力方向相同，而地层各向异性的影响通过在钻头处引入力矩来考虑。 针对b h a 与井壁的接触关系，还采用了如下补充假设条件： 1 ) t = 0 时钻头位于井眼轴线上，b h a 中心线与井眼轴线重合； 2 ) 钻柱与井壁连续撞击； 3 ) 撞击的时间为o ，没有能量损失，撞击前后的法向速度相等： 4 ) 钻柱与井壁的连续接触视为一系列低强度的撞击； 5 ) b h a 顶部的旋转速度为常数。 上述b h a 动力学采用n e w m a r k 时间积分法求解，其难点在于模拟b h a 与井壁 的碰撞过程。文献【1 0 】中附有较详细的算法。 6 ) j d b r a k e l 和j j a z a r 等人研究成果 j 。d b r a k e 和j j a z a r 在1 9 8 7 年也给出了b h a 的瞬态动力有限元算法( 不包括地质 条件的影响) ，用地层与钻头之间作用力的时间平均值来预测b h a 的走向l l ” 。模型中采用了三维线性梁单元，用n e w t o n - - r a p h s o n 迭代法来确定b h a 与井壁之 间的接触力，用w i l s o n - 0 法及g a u s s i a n 消元法来解动态有限元方程组。 为了模拟上部钻柱的弹性响应，在b h a 顶部的节点上连接拉伸和扭转弹簧。在b h a 底部的结点上应用“钻头一地层”作用模型两个“钻头一地层”作用模型，分别用于牙 轮钻头和p d c 钻头。 研究结果指出，在所有影响b h a 的特性变量中，径向间隙是主要的。为了能够准 确预测b h a 的井斜和方位趋势，应考虑岩石与钻头的相互作用。转速主要影响b h a 的 方位，但它的影响非常小。 7 ) j 。k v a n d i v e r 等人研究成果 j k v a n d i v e r 等人在1 9 8 9 年研究了钻铤的弯曲振动和旋转运动【l 甜。认为引起弯 曲振动的主要原因有2 个：1 ) 钻挺的旋转：2 ) b h a 的初弯曲引起钻压波动与弯曲 第一章绪论 振动线性耦合。文中给出了b h a 向前和向后旋转的速度及在井壁处的切线速度公 式。还指出，从地面接收到的轴向和扭转振动信号中，可以证实井底存在横向振动， 但横向振动不能由钻柱传到地面无论钻铤有无弯曲共振，b h a 的轴向和弯曲振动 的线性耦合都发生。 8 ) j d j a n s e u 等人研究成果 j d j a n s e n 在1 9 9 0 年研究了带稳定器的钻铤的旋转及它的不规则运动【2 】。在模型中， 他将2 个稳定器之问的钻铤变形简化成简单的正弦波，对流体力、稳定器和井壁的间隙 及接触的非线性影响进行了讨论。 由于流体力、稳定器和井壁的间隙及接触的非线性影响，钻铤的运动可从简单的旋 转变成非常复杂的运动，甚至是非周期运动( 混饨) 横向振动将严重地影响b h a 的 方位变化趋势。文中以转子动力学理论来定性地描述带稳定器的钻铤动力学。 j a n s e n 的研究向人们揭示了钻柱动力学研究的另一面，即钻柱的动力响应有着很强 的非线性，甚至可能进入混饨状态。 9 ) 署恒木，吕英民和蔡强康等人研究成果 署恒木、吕英民和蔡强康在1 9 9 0 年用h a m i l t o n 原理建立了b h a 的动态有限元方程 1 2 】。他们以井眼轴线为参考位置，考虑了轴向力对弯曲变形和扭转变形的影响以及井眼 的弯曲效应的影响。他们将阻尼取为比例阻尼，把钻柱与井壁的接触视为瞬时碰撞，考 虑了钻压，转速、摩擦和井眼弯曲的影响。他们指出，井眼的扩大对增斜钻具的井斜力 和方位力影响很大，对稳斜和降斜钻具的影响不大摩擦系数和转速对方位力的影响较 大，对井斜力的影响较小。底部钻柱主要是沿井眼右下侧运动。 刘延强、吕英民和蔡强康在1 9 9 1 年利用d a l e m b e r t 原理建立了钻柱与井壁动态摩 擦接触的有限元模式【2 】，考虑了钻柱井壁之间的完全撞击和连续接触的情况，他们假定 钻柱上某点与井壁接触时，该点沿井壁只有滚动而无滑动，并用接触前后速度的平均值 表示该瞬时的速度，把阻尼力和冲击作用的影响作为外载荷来考虑，用改进的w i l s o n e 法，利用静态模式求解动态响应。他们指出，方位侧向力对动态因素的影响更为敏感， 钻柱与井壁之间确实存在着冲击作用，且钻柱振动具有一定的随机性。 l 213b h a 动力学特性实验研究现状 1 ) s f w o l f 等人现场测量研究成果 s f w o l f 等人1 9 8 5 年使用有线遥控系统在现场对直井钻进时井底力和加速度、压 力、岩层特性等数据进行了测量，发现系统的共振频率明显地低于钻柱的固有频率，根 据静态模拟所得到的井下弯矩可能比实际弯矩小1 个数量级。同时观测到了井底存在但 井口却测不到的高弯矩。还发现在钻铤发生进动期间，弯矩的主频率取决于井眼和钻铤 的尺寸，并高于钻柱的旋转速度。为b h a 涡动状态的存在提供了最直接的依据【2 1 1 4 1 3 1 。 2 ) a a b e s a i s o w 等人现场测量研究成果 a a b e s a i s o w 等人在1 9 8 7 年和1 9 9 0 年应用钻柱分析和测量系统( a d a m s ) 7 西安石油大学硕士学位论文 研究引起b h a 振动的最有意义的激振机理和共振区【2 】。指出：质量不平衡、b h a 不同轴、管柱弯曲，钻柱在井眼中的步进( d r i l l s t r i n gw a l k ) 和其他几何性质，将在 转动过程中引起等于，或数倍于转动频率的激振，同时给出了上述因素引起的激振 频率值。 3 ) t m b u r g e s s 等人现场测量研究成果 t m b u r g e s s 等人在1 9 8 7 年发现，钻柱振动在直井中比在斜井中严重，认为在斜井 中稳定器的侧向力近似地随井斜角的正弦而增加，且在轴向和扭转振动上引起很大的摩 擦阻尼f 2 】。认为激振的振源有：转速、钻头与地层的相互作用、泥浆泵和稳定器。横向 振动的共振频率主要取决于钻铤的尺寸和刚度、稳定器的位置和井眼的角度。井眼的角 度决定最后1 个稳定器上方的钻铤靠在井壁的位置，这个位置决定了横向振动系统的长 度。 4 ) 章扬烈等人模拟实验研究成果 章扬烈等人1 9 8 8 年发表了国内第l 篇研究钻柱运动学的文章。他们通过在钻柱 模拟实验装置上的实验，提出了以反转运动为主要特征的旋转钻柱运动原理，分析 了钻柱的受力和变形f ”。他们指出：1 ) 钻往在直井中当以转盘转速按顺时针方向 绕自身轴线旋转时，贴向井壁的各钻杆接头或钻挺将以近于无滑动滚动的方式绕井 眼轴线反时针转动，这种反转运动的实质是多支点的自激晃振；2 ) 只有当钻柱与井 壁的摩擦力很小时，才不产生钻柱的反转运动，而只绕自身轴线旋转。 5 ) 石油大学( 华东) 模拟实验研究成果 1 9 9 8 年2 0 0 0 年，石油大学( 华东) 根据模拟相似理论，建立了几何尺寸为l ：1 0 的模拟实验装置，可实现i1 8 m 钻柱运动状态的模拟、运动参数的测量等【5 l 【6 l 。通过实验 模拟及分析。有如下结论： ( 1 ) 钻压和转速是影响钻柱运动状态的最主要因素。在不同转速条件下，它们的影 响程度不一样。低速时钻压起主要作用，高速时转速起主要作用。 ( 2 ) 受压钻柱的横向运动状态在不同转速条件下一般分为三个阶段：有规则摆动阶 段、无规则摆动阶段和规则反向涡动阶段。随转速的增加，钻柱运动逐渐由有规则摆动 阶段向无规则摆动阶段和规则反向涡动阶段转化。 ( 3 ) 转速对钻柱涡动的形成有很大的影响。转速越高，越容易形成规则涡动；钻压 越高，涡动形成越困难。在本实验研究的条件范围内底部钻柱均为反向涡动，没有发现 正向涡动。 ( 4 ) 增加钻压会阻碍钻柱涡动的形成。因而涡动防斜的基本指导思想应该是，在正 常的钻压条件下，调整转速和井壁与钻柱之间的摩擦系数，使钻柱产生规则反向涡动， 从而达到防斜的目的，而不是单纯地增加钻压。 ( 5 ) 在利用底部钻具组合防斜问题上，不单纯是底部钻具怎样组合和稳定器安 放位置的问题，还存在钻压和转速的最优配合问题。 l 第一章绪论 1 2 2 国内外防斜打直技术现状 1 2 2 i 防斜打直技术概述 1 ) 井斜机理研究 1 9 2 4 年f g dm u l l e r 2 最早题出直井井斜问题，1 9 3 6 年l v wc l a r k 最早提出井斜控制， 1 9 4 8 年之前关于井斜的论文很少。进入5 0 年代井斜问题受到普遍关注，井斜机理研究取 得突破。a l u b i n s k i 建立了钻柱弯曲导致井眼弯曲的“二次弯曲理论”、h et r e i c h l e r 提出 了非稳定钻头的侧向运动使井眼形成螺旋状弯曲的“非稳定性钻头学说”、h w o o d s 提出 了“地层造斜理论，【1 4 m 5 】【垧 造成直井井斜的原因比较多，有地质因素和工程技术因素两大类。地质构造复杂是 井斜的客观原因，如地层倾角、层状结构、各向异性、软硬交错，以及断层等，使钻头 在井底非均匀切削，从而产生井斜。下部钻具组合弯曲是井斜的主观原因，下部钻柱组 合在一定的钻压下会发生弯曲变形，使钻压作用方向偏离了钻头处原井眼轴线，钻头处 产生一个横向偏斜力和钻头倾角，从而导致井眼偏斜 2 ) 防斜打直技术的发展过程 国外井斜控制理论和技术研究比较早，目前的理论和技术体系较完善，水平也 相当高。从上世纪5 0 年代l u b i n s k i 和w o o d s 等人提出钟摆钻具理论开始，6 0 年代以 h o c h 为代表又提出满眼钻具理论；7 0 年代以后转移到定向井( 水平井) 轨迹控制， 促进了钻柱力学研究大发展：8 0 年代末9 0 年代初，出现了最早的v d s 自动垂直钻 井系统，还广泛采用导向钻具来防斜打直；9 0 年代中期，出现最先进的s d d 直井钻 井系统【4 j 1 5 l 1 6 1 。 ， 国内防斜打直理论和技术研究比较晚，目前仍然以b h a 防斜打直技术为主，在复杂 构造地区的防斜打直技术还不过关。最早从7 0 年代唐俊才等人修正hoch 的公式开始； 之后，白家社教授提出了用纵横弯益连续梁理论求解下部钻柱的受力和变形；杨勋尧在 研究钟摆钻具、满眼钻具基础上，得出简化的公式和图表；迸入8 0 年代以后，逐渐出现 了偏重( 心) 钻具、柔性钟摆钻具、偏轴钻具等，高德利等人还提出了“大钻压防斜理论”， 但是目前还不完善【1 4 】【1 5 1 【悯。 根据并斜控制原理及控制能力不同，可以将国内外现有的防斜打直技术简单归纳三 个大类【1 6 】： ( 1 ) b h a 防斜打直技术：主要包括钟摆钻具组合纠斜技术、刚性满眼钻具组合 防斜技术、偏重( 心) 钻具组合防斜纠斜技术等。其核心内容是b h a 力学特性研究及 其在防斜打直中的应用。在地质构造不复杂的地区，b h a 防斜打直技术效果比较好， 曾经在国内外广泛应用。但是在地质构造复杂的地区，b h a 防斜打直技术效果不好， 国外目前已经少用。 ( 2 ) 自动垂直钻井系统：主要包括v d s ( v e r t i c a ld r i l i n gs y s t e m ) 垂直钻井系统、 9 西安石油大学硕士学位论文 s d d ( s t r a i g h t - h o l ed r i l l i n gd e v i c e ) 直井钻井系统，均能够对直井( 或直井段) 并斜进 行自动的、连续的测量和控制，对抗地质因素对并斜的影响，提高复杂构造防斜打直效 率s d d 系统代表目前防斜打直最高水平。 此外，导向钻具防斜打直技术，也实现了对井斜的连续测量和控制，尽管其井斜控 制原理与v d s 、s d d 系统不同，此处也暂将其归为此类。 ( 3 ) 简易防斜装置：包括h c y 防斜装置、水力防斜工具、柔性防斜接头等专用防 斜工具。其纠斜控制原理既不同于常规的b h a 防斜打直技术，也不同于s d d 自动垂直钻 井系统，也没有在钻井现场推广应用。 i 塔式钻具： 钟摆钻具 钟摆钻具：上世纪5 0 年代，l u b i n a k i w o o d s i 柔性钟摆钻具：上世纪8 0 年代，白家祉 删防斜打直技术j 刚性满眼钻具譬矗龊舛佑黝 偏重( 心) 钻具 偏重( 心) 钻铤：大庆油田 偏重偏心钻具：大庆油田 偏轴钻具： 弯接头钻具 扁钻铤 大钻压防斜理论：9 0 年代后期，高德利 1 2 2 2b h a 防斜打直技术 1 ) 钟摆钻具纠斜技术 l u b i n s k i 和w o o d s 等人5 0 年代最早提出塔式钻具、普通钟摆钻具；自家祉教授在 8 0 年代最早提出柔性钟摆钻具【1 6 1 。上述钻具主要用来纠斜，目前国内应用最广泛。其纠 斜原理为：利用b h a 自重产生的“钟摆力”。使钻头处产生与井斜方向相反的侧向切削作 用，从而实现纠斜。提高钟摆力的途径是尽量使钻具与井壁的切点上移和增加底部钻具 的单位长度重量。 其共同缺点是无法避免钻头倾角和钻头侧向力的增斜因素的存在；为了提高纠斜效 果。只能尽量降低钻压，影响了钻井速度和钻井效益。 ( 1 ) 塔式钻具组合 由“下大上小”的钻铤组成，没有扶正器。该钻具钻出的井眼规则，井斜变化率小， 对井径易扩大地层特别有效【1 6 1 。塔式钻具设计关键【1 6 1 是： 底部应尽可能使用大钻铤，其直径最好相当于套管接箍外径，使其后的套管易于 下入：钻铤柱的重心要低于全部钻铤长度的i 3 。 所加钻压应控制在全部钻铤重量的7 5 8 0 以内，以防钻压过大使上部钻铤和 钻杆严重弯曲，产生引起井斜的横向力。 i o 第一章绪论 国外目前采用了较大尺寸的钻铤最大达到西2 6 5 m m ，提高了塔式钻具的钻井效 率；而国内目前大于西2 2 8 6 r a m 钻铤极少，仅在四川等地试用过0 2 5 4 m m 钻铤。 ( 2 ) 钟摆钻具组合 与塔式钻具组合( 或光钻铤组合) 相比，在使用大钻铤的条件下，钟摆钻具可以采 用相对较高的钻压，而不会增大井斜；采用小钻压吊打时纠斜能力较强。其缺点是在直 井内无防斜作用，刚度小不能有效控制井斜变化率【1 4 1 。 钟摆钻具通常只有1 个扶正器。扶正器的安放位置是组合钟摆钻具的关键。扶正器 位置主要取决于钻铤尺寸、钻压大小和井眼斜度等。目前计算扶正器位置的公式是由纵 横弯曲梁理论导出的。计算公式【1 4 】形式如下： l s 2 式中：a = , g2 q s i n 0 a = 8 2 w ， c = 一1 8 4 6 万2 r e l r 井眼间隙之半，m 日一钻铤的抗弯强度，七肼2 e l 为了增加普通钟摆钻具的刚度使之具有一定的防斜效果，可以采取两种途径：在下 部采用尺寸较大的钻铤，或增加扶正器个数，国内均称之为“刚性钟摆钻具”。 比如，中原油田【1 7 1 【协1 在b h a 下部采用了较大尺寸钻铤，在增加钟摆力的同时，使 之兼有满眼钻具的防斜特点，减小了不利于防斜的钻头倾角。由于该钻具结构与井眼间 隙小，建议不要在复杂地层中使用。 刚性钟摆钻具【1 3 i ：m 2 1 6 m m b i t + 西1 9 7 r a m 螺旋钻铤2 根 + 0 2 1 4 m m s s t + 0 1 7 7 $ m m o c ( 或m 1 5 8 8 m m d c ) l 根+ 中2 1 4 m m s s n 曲1 7 7 8 m m d c ( 或 西1 5 8 8 m m d c 卜卜m 1 2 7 m m d p 临盘地区采用了一种特殊的“双扶刚性钟摆钻具”【m 将第1 个扶正器换成 1 9 7 m m 大尺寸接头，在3 0 0