復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究石油工程畢業(yè)論文

1、遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目： 復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究 摘要 復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)在油田的應(yīng)用，可以提高機(jī)械鉆速、控制井眼軌跡、減少扭方位次數(shù)， 并可大幅降低鉆井成本，從而提高油田開(kāi)發(fā)速度。 矚慫潤(rùn)厲釤瘞睞櫪廡賴。 木文對(duì)轉(zhuǎn)盤(pán)與螺桿鉆具聯(lián)合鉆進(jìn)時(shí)的防斜打快機(jī)理進(jìn)行了分析，采用縱橫彎曲連續(xù)梁法， 建立了這種下部鉆具組合的力學(xué)模型，利用該模型定量分析了其控制井斜的力學(xué)特性，從理 論上分析了這種下部鉆具組合控制井斜的主要影響因素，為優(yōu)化這種鉆具組合和施工參數(shù)設(shè) 計(jì)提供了理論依據(jù)。 聞創(chuàng)溝燴鐺險(xiǎn)愛(ài)氌譴凈。 對(duì)單彎螺桿防斜鉆具組合

2、分析表明：穩(wěn)定器安放位置距鉆頭越遠(yuǎn)鉆頭側(cè)向力越大；鉆壓 對(duì)鉆頭側(cè)向力影響不明顯；彎角和肘點(diǎn)位置對(duì)鉆頭側(cè)向力有明顯的影響，這對(duì)專用防斜螺桿 鉆具的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了理論依據(jù)；復(fù)合鉆進(jìn)在井斜角較大時(shí)顯示出大的側(cè)向力。 殘騖樓諍錈瀨濟(jì) 溆塹籟。 關(guān)鍵詞： 復(fù)合鉆進(jìn)；穩(wěn)斜；縱橫彎曲法；鉆頭側(cè)向力 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 Steady inclined properties of composite drilling Abstract That the application of combined drilling technology in oil field can heighten dri

3、lling speed, control well trace, reduce the number of direction torsion and greatly reduce drilling cost which accelerate the oil field developing speed. 釅錒極額閉鎮(zhèn)檜豬訣錐。 This paper analyzed the mechanism of well straightening and improving ROP as turnplate and screw drill rotate together, Using continuo

4、us 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 optimiz

5、ation and the design of working parameters. 彈貿(mào)攝爾霽斃攬磚鹵廡。 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

6、 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. 謀蕎摶篋飆鐸懟類蔣薔。 Key words: complex drilling; hold angle; continuous beam theory; the lateral force

7、廈礴懇蹣駢時(shí) 盡繼價(jià)騷。 II 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 目錄 摘 要 ABSTRAC.T 目 錄 第 1 章 前 言 1.1 問(wèn)題的提出 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 井眼軌跡控制理論 1.2.2 下部鉆具組合力學(xué)方法研究 1.3 井斜控制專用工具現(xiàn)狀 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容 第 2章 復(fù)合鉆具控制井斜的機(jī)理 2.1 影響井斜的原因 2.1.1 地層及其各向異性 2.1.2 鉆柱彎曲引起的鉆頭側(cè)向力 2.1.3 鉆頭結(jié)構(gòu)引起的各向異性 2.2 復(fù)合鉆具提高機(jī)械鉆速的機(jī)理 2.3 復(fù)合鉆具控制井斜的機(jī)理 第 3章 復(fù)合鉆具組合控制井斜力學(xué)模型的建立 3.1 基本假設(shè)和力學(xué)模型

8、2，10，13-18 3.1.1 均布載荷和彎矩同時(shí)作用下的力學(xué)模型 3.1.2 集中載荷作用下的力學(xué)模型 3.2 縱橫彎曲連續(xù)梁理論中的迭加原理和連續(xù)條件 . 3.3 初始結(jié)構(gòu)彎角的等效處理 3.4 單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合受力與變形分析 3.4.1 一維分析 3.4.2 二維分析 第 4 章 影響單彎螺桿控制井斜因素及油田實(shí)例 I 煢楨廣鰳鯡選塊網(wǎng)羈淚。 II 鵝婭盡損鵪慘歷蘢鴛賴。 III 籟叢媽羥為贍僨蟶練淨(jìng)。 1 預(yù)頌圣鉉儐歲齦訝驊糴。 1 滲釤嗆儼勻諤鱉調(diào)硯錦。 1 鐃誅臥瀉噦圣騁貺頂廡。 1 擁締鳳襪備訊顎輪爛薔。 3 贓熱俁閫歲匱閶鄴鎵騷。 4 壇摶鄉(xiāng)囂懺蔞鍥鈴氈淚。 7 蠟變黲癟

9、報(bào)倀鉉錨鈰贅。 8 買鯛鴯譖曇膚遙閆擷凄。 8 綾鏑鯛駕櫬鶘蹤韋轔糴。 8 驅(qū)躓髏彥浹綏譎飴憂錦。 9 貓蠆驢繪燈鮒誅髏貺廡。 10 鍬籟饗逕瑣筆襖鷗婭薔。 10 構(gòu)氽頑黌碩飩薺齦話騖。 12 輒嶧陽(yáng)檉籪癤網(wǎng)儂號(hào)澩。 15 堯側(cè)閆繭絳闕絢勵(lì)蜆贅。 15 識(shí)饒鎂錕縊灩筧嚌儼淒。 16 凍鈹鋨勞臘鍇癇婦脛糴。 19 恥諤銪滅縈歡煬鞏鶩錦。 22 鯊腎鑰詘褳鉀溈懼統(tǒng)庫(kù)。 23 碩癘鄴頏謅攆檸攜驤蘞。 24 閿擻輳嬪諫遷擇楨秘騖。 24 氬嚕躑竄貿(mào)懇彈瀘頷澩。 27 釷鵒資贏車贖孫滅獅贅。 30 慫闡譜鯪逕導(dǎo)嘯畫(huà)長(zhǎng)涼。 III 4.1 單彎螺桿力學(xué)性能分析 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 結(jié) 論 3

10、7 賠荊紳諮侖驟遼輩襪錈。 參考文獻(xiàn) 38 塤礙籟饈決穩(wěn)賽釙冊(cè)庫(kù)。 致 謝 40 裊樣祕(mì)廬廂顫諺鍘羋藺。 IV 4.2.1 穩(wěn)定器安放位置 . 31 熒紿譏鉦鏌觶鷹緇機(jī)庫(kù)。 4.2.2 鉆壓 32 鶼漬螻偉閱劍鯫腎邏蘞。 4.2.3 彎角 32 紂憂蔣氳頑薟驅(qū)藥憫騖。 4.2.4 肘點(diǎn)位置 33 穎芻莖蛺餑億頓裊賠瀧。 4.2.5 轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速 34 濫驂膽閉驟羥闈詔寢賻。 4.2.6 井斜角 34 銚銻縵嚌鰻鴻鋟謎諏涼。 30 諺辭調(diào)擔(dān)鈧諂動(dòng)禪瀉類。 4.2 影響因素分析 31 嘰覲詿縲鐋囁偽純鉿錈。 4.3 油田實(shí)例 35 擠貼綬電麥結(jié)鈺贖嘵類。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 第 1章 前

11、 言 1.1 問(wèn)題的提出 隨著鉆進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，自 20世紀(jì) 80年代以來(lái)，導(dǎo)向技術(shù)得到迅速發(fā)展。 導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了大位移井，水平井和分支井鉆井技術(shù)的實(shí)施，保證了 以較低的鉆井成本實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目的。導(dǎo)向鉆井技術(shù)分為滑動(dòng)導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向兩種方 式?；瑒?dòng)導(dǎo)向技術(shù)存在許多弊端，長(zhǎng)時(shí)間滑動(dòng)鉆井會(huì)增加發(fā)生井下卡鉆等事故的 風(fēng)險(xiǎn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向需要先進(jìn)的、昂貴的、井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，為此，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了復(fù) 合鉆進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)使用滑動(dòng)導(dǎo)向鉆具，根據(jù)鉆探要求，把滑動(dòng)導(dǎo)向與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向 合理結(jié)合，達(dá)到導(dǎo)向目的。 倉(cāng)嫗盤(pán)紲囑瓏詁鍬齊驁。 在常規(guī)定向井、水平井鉆井鉆進(jìn)過(guò)程中，通常因改換鉆具組合而頻繁起下鉆， 從而嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)

12、時(shí)效和其他先進(jìn)工藝的實(shí)施。復(fù)合鉆井技術(shù)在提高鉆頭機(jī)械 鉆速的同時(shí)，可以減少鉆井過(guò)程中的起下鉆次數(shù)，提高鉆井時(shí)效。配合高效 PDC 鉆頭等先進(jìn)工具可實(shí)現(xiàn)一套鉆具組合一趟完成繞障、定向、增斜、穩(wěn)斜中靶鉆井 施工，從而縮短鉆井周期。復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)已在國(guó)外廣泛使用，取得了很好的經(jīng)濟(jì) 效益。本文的重點(diǎn)研究目標(biāo)是如何使用單彎螺桿鉆具配合PDC鉆頭在實(shí)現(xiàn)更有效 的穩(wěn)斜控制情況下提高鉆井速度。 綻萬(wàn)璉轆娛閬蟶鬮綰瀧。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1 井眼軌跡控制理論 井眼軌跡控制問(wèn)題，是鉆井工程的基本問(wèn)題之一，在國(guó)內(nèi)外受到普遍重視。 關(guān)于井眼軌道控制問(wèn)題的研究，迄今已有四十多年的發(fā)展歷史。在這個(gè)歷史過(guò)程 中

13、，國(guó)內(nèi)外有關(guān)專家和學(xué)者從鉆柱力學(xué)、鉆頭與地層相互作用及井眼軌跡預(yù)測(cè)方 法等方面做了大量的研究工作，取得了許多科研成果，從而使井眼軌跡控制理論 和技術(shù)不斷得到發(fā)展和完善。在 50年代和 60年目標(biāo)。進(jìn)入 70 年代后，隨著定向 井的發(fā)展，研究的重心開(kāi)始移向定向井井眼軌跡控制問(wèn)題。在定向井井眼軌跡控 制中，既要求對(duì)井斜角進(jìn)行控制，又要求對(duì)井斜方位進(jìn)行嚴(yán)格控制。因此，定向 井軌跡控制問(wèn)題，是一個(gè)更為復(fù)雜的研究課題 1-3 。驍顧燁鶚巰瀆蕪領(lǐng)鱺賻。 美國(guó)專家 Lubinski 先生是研究井斜控制理論的著名學(xué)者。他從定量分析直井 中的鉆柱屈曲問(wèn)題入手 （1950 年），開(kāi)創(chuàng)了鉆柱力學(xué)研究的新局面。 接著

14、他與 Woods 先生合作，首次以定量關(guān)系發(fā)表了地層的各向異性鉆井理論 （ 后來(lái)，他們按地層的 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 各向異性程度把地層造斜性分為 21 級(jí)） ，并結(jié)合鉆柱力學(xué)分析實(shí)現(xiàn)了對(duì)“平衡井 斜角”的定量計(jì)算：他們還制定了解決井斜問(wèn)題的實(shí)用圖版，并提出使用穩(wěn)定器 控制井斜的有效方法。 在井斜控制標(biāo)準(zhǔn)方面， Rollins 認(rèn)為在許多情況下苛求對(duì)井 斜角的嚴(yán)格限制是不合算的， Lubinski 也主張鉆井設(shè)計(jì)師應(yīng)充分利用地層的造斜 特性，放寬對(duì)井斜叫的限制，以利解放鉆壓、提高鉆速和降低鉆井成本，同時(shí)要 求 對(duì)井眼曲率（俗稱“狗腿嚴(yán)重度” ）作出嚴(yán)格限制，以防鉆柱的疲勞破壞，并給

15、出 了最大井眼曲率的計(jì)算模式和實(shí)用圖表。 Hoch 定量分析了一種“滿眼”鉆具組合 （含有三個(gè)穩(wěn)定器），得到的結(jié)論是 : 這種鉆具組合可以消除井斜變化太快的問(wèn)題， 同時(shí)他還對(duì)使用的鉆挺橫向尺寸（外徑）提出了定量限制。實(shí)踐證明，盡管 Hoch 的理論分析有誤，但是他對(duì)控制狗腿嚴(yán)重度的認(rèn)識(shí)和對(duì)策是正確的。另外，還有 其他人所進(jìn)行的應(yīng)用研究。應(yīng)該指出， Lubinski 等人的研究始終限于兩維分析， 這在定向井控制中不能占優(yōu)勢(shì)。 Lubinski 等人對(duì)井斜控制理論和技術(shù)的發(fā)展作出 了重要貢獻(xiàn)，他們的科研成果對(duì)我國(guó)鉆井界的影響頗大。 瑣釙濺曖惲錕縞馭篩涼。 Shell 公司的研究員， 在 Lubin

16、ski 研究的基礎(chǔ)上， 也對(duì)井斜控制問(wèn)題進(jìn)行過(guò) 許多研究。 Murphy 分析了光鉆挺鉆具組合的兩維受力和變形，導(dǎo)出了預(yù)測(cè)這種簡(jiǎn) 單鉆具組合造斜率的計(jì)算模式。 Mclamore和 Bradley 先后進(jìn)行了單楔齒破巖 （層狀 ） 實(shí)驗(yàn)，提出了“優(yōu)先成屑地層理論” ，他們還根據(jù)修正的 Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則， 建立了一個(gè)偏斜力公式，試圖對(duì)井斜現(xiàn)象作出定量解釋。 Fisher 采用有限差分法 對(duì)平面彎曲井眼中的鉆柱進(jìn)行了兩維靜力大撓度分析，編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)分析 程序。 Bradley 從鉆柱力學(xué)、鉆頭結(jié)構(gòu)特性及地層特性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)論述，試 圖幫助鉆井工作者較全面的認(rèn)識(shí)影響井斜的重要

17、因素。他還定量分析和闡述了在 井斜控制中使用大重度高彈性模量（如金屬鎢等）鉆挺的優(yōu)點(diǎn)。 Bradley 等人的研 究也僅限于兩維分析。 鎦詩(shī)涇艷損樓紲鯗餳類。 Walker 首先應(yīng)用最小勢(shì)能原理對(duì)常規(guī)下部鉆具組合進(jìn)行了兩維分析， 繼而與 Friedman 合作建立了鉆柱靜力小變形的三維控制方程，并應(yīng)用變分法在計(jì)算機(jī)上 對(duì)控制方程進(jìn)行了近似求解。 Walker 把鉆柱三維分析程序應(yīng)用與下部鉆具組合設(shè) 計(jì)，從而提高了鉆速，降低了鉆井成本。他還對(duì)影響井斜變化和方位漂移的因素 進(jìn)行了概括性論述。 Walker 的主要貢獻(xiàn)是在鉆柱力學(xué)研究方面。 櫛緶歐鋤棗鈕種鵑瑤錟。 在井眼軌跡控制理論和技術(shù)研究方面，

18、 英國(guó)專家 Brown等人、法國(guó)專家 Amara 等人，也都做了一些有益的研究工作。當(dāng)然，我們還可以發(fā)現(xiàn)國(guó)外其他一些研究 人員所做的工作，如 Birades 等人的研究結(jié)果。 轡燁棟剛殮攬瑤麗鬮應(yīng)。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 在國(guó)內(nèi)，井眼控制理論和技術(shù)的研究起步較晚。剛進(jìn)入 80 年代時(shí)的水平還 相當(dāng)?shù)?，理論研究工作是從唐俊才等人修改“霍奇公式”開(kāi)始的。接著便是以白 家祉為代表的一批專家和學(xué)者，在 80 年代作出了巨大努力，取得了許多可喜的研 究成果，為井眼軌跡控制理論和技術(shù)在國(guó)內(nèi)的大發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。白家祉等 人應(yīng)用三彎矩方程分析下部鉆具組合的受力和變形，并在 Lubinski 的

19、地層各向異 性鉆井理論的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)地層力公式；楊勛堯以主要解決井斜控制技術(shù) 問(wèn)題為目標(biāo)，通過(guò)求解簡(jiǎn)單的力學(xué)模型，提出了設(shè)計(jì)下部鉆具組合的實(shí)用方法， 他為了表達(dá)地層各向異性對(duì)井斜的影響，也提出了一個(gè)地層造斜力公式；國(guó)內(nèi)其 他專家和學(xué)者的研究，從不同方面促進(jìn)了井眼軌跡控制理論和技術(shù)的發(fā)展，這里 就不作詳細(xì)介紹了。 峴揚(yáng)斕滾澗輻灄興渙藺。 1.2.2 下部鉆具組合力學(xué)方法研究 下部鉆具組合力學(xué)分析是井眼軌道控制理論的基礎(chǔ)和重要組成部分，也是優(yōu) 化下部鉆具組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇鉆井工藝參數(shù)的理論依據(jù)。 從 50 年代初 Lubinski 用受縱橫載荷聯(lián)合作用的彈性梁模型求解下部鉆具組合受力與變形問(wèn)

20、題以來(lái)，這 一問(wèn)題的研究一直受到國(guó)內(nèi)外的重視，并取得了重大進(jìn)展，研究成果使鉆井工藝 逐步發(fā)展成為一門(mén)建立在理論分析基礎(chǔ)上的科學(xué)。其具有代表性的方法有 Lubinski 經(jīng)典數(shù)學(xué)微分方程法， K. K. Mi11em 的有限元法， B. H. Walker 的能量 法，白家祉的縱橫彎曲法 1，4 。詩(shī)叁撻訥燼憂毀厲鋨驁。 （1）經(jīng)典數(shù)學(xué)微分方程法 經(jīng)典數(shù)學(xué)微分方程法是鉆具力學(xué)分析中應(yīng)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。他的基本思想是在滿足經(jīng)典材料力學(xué)控制 方程的前提下，建立起鉆柱受力變形的精確微分方程，利用特殊函數(shù)法、迭代法 和有限差分

21、法等給出方程的解答。 A.Lubinski 建立的力學(xué)模型，為后人的進(jìn)一步 研究奠定了基礎(chǔ)，他所提出的假設(shè)基本上為后來(lái)研究者長(zhǎng)期采用；他對(duì)光鉆挺鉆 具性能作了詳盡研究，并發(fā)展到單穩(wěn)定器鐘擺鉆具，定性討論了多穩(wěn)定器鉆具， 使人們對(duì)穩(wěn)定器效能的全面認(rèn)識(shí)和對(duì)后來(lái)多穩(wěn)定器滿眼鉆具的出現(xiàn)起到了引導(dǎo)作 用。 則鯤愜韋瘓賈暉園棟瀧。 （2）能量法 1973 年，B. H. Walker ，應(yīng)用彈性力學(xué)的勢(shì)能原理求解鉆具組合受力合變形 問(wèn)題他把距鉆頭一定長(zhǎng)度的位置 C Walker 取 120ft 作為 BHA的上邊界，建立 BHA 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 彈性系統(tǒng)的勢(shì)能方程和約束條件，根據(jù)逆解法構(gòu)

22、造解的形式（含有廣義系數(shù)的三 角級(jí)數(shù)），由拉格朗日乘子法和最小勢(shì)能原理列方程，以確定廣義系數(shù)，并進(jìn)而確 定 BHA的受力和變形結(jié)果。 脹鏝彈奧秘孫戶孿釔賻。 （3）有限元法 1973年 K. K. Millheim 提出了有限元法進(jìn)行下部鉆具組合的力學(xué)分析。他把 距鉆頭一定長(zhǎng)度的鉆柱（一般 150-400ft ）視為下部鉆具組合，劃分為若千個(gè)計(jì)算 單元，并取間隙單元來(lái)描述鉆柱與井壁的接觸狀況。通過(guò)建立單元?jiǎng)偠染仃嚥⒔M 裝成總體剛度矩陣，借助聯(lián)系廣義節(jié)點(diǎn)力、節(jié)點(diǎn)位移和系統(tǒng)剛度的矩陣方程，得 到一組非線性方程組，用計(jì)算機(jī)多次迭代求解，可得出BHA的受力與變形結(jié)果。 計(jì)算結(jié)果表明，由于沒(méi)有精確考慮鉆

23、具組合變形的非線性以致在剛度矩陣中忽略 了幾何矩陣的存在，因此計(jì)算結(jié)果有時(shí)與實(shí)際情況存在較大誤差。在我國(guó)“七五” 期間，呂英明教授等人，也對(duì)此方法在鉆柱力學(xué)中的應(yīng)用作了較為系統(tǒng)的研究。 鰓 躋峽禱紉誦幫廢掃減。 （4）縱橫彎曲連續(xù)梁法 縱橫彎曲連續(xù)梁法是由我國(guó)的白家祉教授在 70 年代提出并研究完成的，也是 一種解析方法，該理論將鉆柱組合的下部彎曲看作縱橫彎曲的連續(xù)梁，利用穩(wěn)定 器處連續(xù)性條件導(dǎo)出三彎矩方程，以求解各穩(wěn)定器處的內(nèi)彎矩。這組方程是非線 性代數(shù)方程組， 從中可以清楚地看出影響鉆柱受力和變形的各個(gè)因素。 稟虛嬪賑維嚌妝 擴(kuò)踴糶。 1.3 井斜控制專用工具現(xiàn)狀 井下專用工具研制是井眼軌

24、道控制的核心部分，它常常使鉆井工藝和鉆井方 式發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致井眼軌道控制水平提高、鉆井成本下降，大的井下工具研 制還會(huì)引起鉆井技術(shù)變革，如螺桿鉆具或渦輪鉆具的研制和應(yīng)用，使定向井鉆井 技術(shù)和滑移鉆井方式下的導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。但井下工具研制比較困難，這 主要是因?yàn)榫鹿ぷ鳡顟B(tài)十分復(fù)雜（動(dòng)載荷大、溫度高、鉆井液介質(zhì)惡劣等） 、細(xì) 長(zhǎng)井眼空間小、井下動(dòng)力來(lái)源較少（只有鉆井液壓力和鉆壓） ，另外，產(chǎn)品在井下 試驗(yàn)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)性較大。因此，井下專用工具的研制是一項(xiàng)十分耗時(shí)、耗財(cái)?shù)纳献鳎?只有通過(guò)不懈的努力和反復(fù)試驗(yàn)，才能獲得成果。迄今，在井眼軌道控制中，據(jù) 文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)主要的井下專用工具為動(dòng)力鉆具（渦輪和

25、螺桿鉆具） 、穩(wěn)定器（可變徑穩(wěn) 定器）和伸縮鉆艇、可調(diào)彎接頭和特殊接頭、導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)（滑移和旋轉(zhuǎn)鉆井閉 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 環(huán)控制系統(tǒng)）等。據(jù)國(guó)內(nèi)油田定向井鉆具使用情況的不完全統(tǒng)計(jì)，由于種種原因， 這些井下專用工具的絕大部分沒(méi)有在鉆井中得到推廣應(yīng)用，仍需進(jìn)一步研究完善。 陽(yáng)簍埡鮭罷規(guī)嗚舊巋錟。 （1）滿眼鉆具 滿眼組合是當(dāng)前常規(guī)防斜技術(shù)的典型組合。滿眼鉆具一般是山幾個(gè)外徑與鉆 頭直徑相近的穩(wěn)定器及一些外徑較大的鉆挺構(gòu)成。其原理有二：一是由于滿眼鉆 具比光鉆挺的剛度大，并能填滿井眼，在大鉆壓下不易彎曲，保持鉆具在井內(nèi)居 中，減小鉆頭的偏斜角，從而減小和限制因鉆柱彎曲產(chǎn)生的增斜力；二

26、是在地層 橫向力的作用下，穩(wěn)定器能支撐在井壁上，限制鉆頭的橫向移動(dòng)，同時(shí)能在鉆頭 處產(chǎn)生一個(gè)抵抗地層力的糾斜力。為了發(fā)揮滿眼鉆具的防斜作用，鉆具上至少要 有二個(gè)穩(wěn)定器，除靠近鉆頭有一個(gè)穩(wěn)定器外，其上還應(yīng)再安放兩個(gè)穩(wěn)定器，保持 有二點(diǎn)接觸井壁，通過(guò)二點(diǎn)直線性來(lái)保持井眼的直線性和限制鉆頭的橫向移動(dòng) 5 。 溈氣嘮戇萇鑿鑿櫧諤應(yīng)。 （2）動(dòng)力鉆具 用于水平井作業(yè)的彎殼體螺桿鉆具與常規(guī)螺桿鉆具相比，具有造斜快、排量 大、轉(zhuǎn)速低、扭矩高的特點(diǎn)，并能與其它配套工具組成導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。國(guó)外從 70 年代后期研制出可調(diào)方向的螺桿鉆具和一種可控正容積式渦輪馬達(dá)，并在墨西哥 灣使用了帶偏心穩(wěn)定器的可控禍輪鉆具，使鉆

27、井時(shí)間和費(fèi)用得到大幅度降低。 鋇嵐 縣緱虜榮產(chǎn)濤團(tuán)藺。 迄今，國(guó)內(nèi)外油田使用的動(dòng)力鉆具主要是螺桿鉆具，經(jīng)過(guò)幾十年的不斷研究 和應(yīng)用，螺桿己由單頭發(fā)展到多頭，出現(xiàn)了彎外殼螺桿、中空螺桿、小尺寸短螺 桿等產(chǎn)品，現(xiàn)有的各種螺桿鉆具基本上能夠滿足各種定向井的井眼軌道控制需要， 己在鉆井中得到全面推廣應(yīng)用 6 。懨俠劑鈍觸樂(lè)鷴燼觶騮。 （3）穩(wěn)定器、可變徑穩(wěn)定器、伸縮鉆鋌 國(guó)外從 70 年代未，研制了可調(diào)直徑穩(wěn)定器、伸縮短節(jié)，這些工具的應(yīng)用可減 少起下鉆次數(shù)，提高井眼軌跡控制精度和效率。目前有一種自動(dòng)降斜，增斜和扭 方位的井下工具，可用于鉆直井和定向井，該工具通過(guò)扶正器上可伸縮扶條的不 對(duì)稱伸縮，使鉆具

28、偏向一邊，起降斜、增斜及扭方位的作用。防止井眼偏斜的鉆 具穩(wěn)定器，主要由扶正套、支承座、滾輪、平面軸承、固定帽和鉆具短節(jié)本體及 密封件組成，其特點(diǎn)是滾輪安裝在扶正套的內(nèi)部，鉆進(jìn)時(shí)支承座、扶正套與井壁 配合，不隨鉆具一齊旋轉(zhuǎn)，滾輪在支承座上自轉(zhuǎn)，可避免摩擦井壁。 謾飽兗爭(zhēng)詣繚鮐癩 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 別瀘。 變徑穩(wěn)定器和伸縮鉆挺是定向井旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)，實(shí)施井眼軌道連續(xù)控制不可缺 少的工具，由于鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)工作狀態(tài)較復(fù)雜，而現(xiàn)有工具在結(jié)構(gòu)和控制方式 中還存在一些不合理性，使得這些工具在國(guó)內(nèi)油田還沒(méi)有得到推廣應(yīng)用，仍需進(jìn) 一步研究和完善。 咼鉉們歟謙鴣餃競(jìng)蕩賺。 （4）可調(diào)彎接頭、特殊接

29、頭 可調(diào)彎接頭：在 70 年代后期，為了提高軌跡控制的精度和節(jié)省鉆進(jìn)時(shí)間，對(duì) 可調(diào)彎接頭進(jìn)行了大量的研制和試驗(yàn)。研制的電動(dòng)式、機(jī)械式和液壓式可調(diào)角度 彎接頭，都具有及時(shí)控制井眼軌跡功能，但液壓式能與所有測(cè)斜工具配合使用， 調(diào)節(jié)角度簡(jiǎn)單迅速等優(yōu)點(diǎn)。 SIB 公司與法國(guó)石油研究所合作研制的多角度遙控彎接 頭的主要特性、操作條件、應(yīng)用范圍和實(shí)例，該遙控彎接頭與井下液壓馬達(dá)配合， 通過(guò)地面遙控彎接頭的角度，就能實(shí)時(shí)控制井眼軌道。 瑩諧齷蘄賞組靄縐嚴(yán)減。 特殊接頭：有一種多功能井下接頭，該接頭在起下鉆時(shí)能夠防溢泥漿，又具 有防斜、糾斜、防偏磨功能，它不僅能提高鉆井速度，又可滿足鉆井過(guò)程中的造 斜和防斜要

30、求。 麩肅鵬鏇轎騍鐐縛縟糶。 （5）導(dǎo)向鉆井系統(tǒng) 自從 80 年代初滑移導(dǎo)向鉆井技術(shù)在北海油田的成功試驗(yàn)，由聚晶人造金剛石 鉆頭（ PDC鉆頭）、井下動(dòng)力鉆具（渦輪鉆具和螺桿鉆具） 、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（ MWD系 統(tǒng)）三位一體的滑移導(dǎo)向鉆井技術(shù)得到大規(guī)模研究和應(yīng)用。 納疇鰻吶鄖禎銣膩鰲錟。 文獻(xiàn) 7 介紹了一種旋轉(zhuǎn)鉆井閉環(huán)控制系統(tǒng)，它主要由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)組成，該 系統(tǒng)能夠根據(jù) MWD測(cè)量值的反饋信息，自動(dòng)定位并施加給鉆頭一個(gè)側(cè)向力，實(shí)施 井眼軌道的連續(xù)控制，其核心工具就是一個(gè)外殼不旋轉(zhuǎn)、芯軸傳遞扭矩、按指定 方位能夠支撐井壁的專用工具。由于鉆柱旋轉(zhuǎn)，使得定位和導(dǎo)向系統(tǒng)研究十分困 難，但旋轉(zhuǎn)鉆井能夠克

31、服滑移鉆井的許多缺點(diǎn)，如鉆柱摩阻大、鉆井液攜屑能力 差、機(jī)械鉆速低等。這一技術(shù)是近幾年研究的主要方向，國(guó)外有研究成果和應(yīng)用 報(bào)導(dǎo)，國(guó)內(nèi)只有研究報(bào)告，還沒(méi)有應(yīng)用報(bào)導(dǎo)。 風(fēng)攆鮪貓鐵頻鈣薊糾廟。 （6）復(fù)合鉆具 國(guó)外目前采用這種技術(shù)比較普遍 8 。國(guó)內(nèi)也有所應(yīng)用，自 20世紀(jì) 80 年代末 期以來(lái)，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院鉆井所一直在致力于用復(fù) 合鉆具進(jìn)行定向井軌道控制的理論與實(shí)驗(yàn)研究及技術(shù)推廣工作。這一技術(shù)以在水 平井和更多的定向井上應(yīng)用成功，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的井身質(zhì)量。將 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 這一技術(shù)應(yīng)用于直井，可以作到開(kāi)轉(zhuǎn)盤(pán)鉆直井（穩(wěn)斜）和定向糾斜，而不

32、用起鉆 更換鉆具組合 1 。滅噯駭諗鋅獵輛覯餿藹。 1.4 本文主要研究?jī)?nèi)容 本文的研究思路是借鑒國(guó)內(nèi)外穩(wěn)斜取得的研究成果，提出適合肇州油田需要 的穩(wěn)斜技術(shù)，從理論到實(shí)踐中加以完善。主要的研究?jī)?nèi)容有： 鐒鸝餉飾鐔閌貲諢癱騮。 1從理論上分析復(fù)合鉆具控制井斜的原理，證明利用復(fù)合鉆具控制井斜較傳 統(tǒng)的控制井斜方法更有優(yōu)勢(shì)。 2用縱橫彎梁法分析復(fù)合鉆具在井下的力學(xué)性能。計(jì)算其控制井斜時(shí)，鉆頭 側(cè)向力的大小，確定其控制井斜的能力。 攙閿頻嶸陣澇諗譴隴瀘。 3分析復(fù)合鉆具控制井斜時(shí)的控制因素，確定最優(yōu)的鉆具組合方式，使復(fù)合 鉆具的應(yīng)用達(dá)到最佳的穩(wěn)斜效果。 4在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，從實(shí)踐上來(lái)驗(yàn)證用復(fù)合鉆具控

33、制井斜的可行性。 Fa a) Fb 軟地層 硬地層 P b) 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 第 2 章 復(fù)合鉆具控制井斜的機(jī)理 2.1 影響井斜的原因 分析響井斜的原因是進(jìn)行井斜控制的前提，只有準(zhǔn)確地找出導(dǎo)致井斜的原因， 才能針對(duì)性地選擇控制井斜的方法。影響井斜的因素主要有以下幾種3 。趕輾雛紈 顆鋝討躍滿賺。 2.1.1 地層及其各向異性 造成井眼彎曲的地質(zhì)因素主要是地層的各向異性和軟硬交錯(cuò)。地質(zhì)因素在井 眼的自然彎曲中起主要作用并具有一定的規(guī)律。地層的各項(xiàng)異性主要表現(xiàn)在巖石 的各向異性和巖石軟硬交錯(cuò)兩個(gè)方面。 夾覡閭輇駁檔驀遷錟減。 巖石在不同方向上具有不同強(qiáng)度和硬度等力學(xué)性質(zhì)的現(xiàn)象稱

34、為巖石的各向異 性。巖石的各向異性與巖石的層理、片理、微裂隙性等構(gòu)造特征有著密切的關(guān)系。 視絀鏝鴯鱭鐘腦鈞欖糲。 圖 2-1 巖性變化對(duì)井斜的影響 當(dāng)鉆頭從軟地層進(jìn)入硬地層時(shí)，如圖 2-1(a) 所示。鉆頭在 A 側(cè)接觸到硬巖石， 而在 B 側(cè)還是軟巖石。這樣在鉆壓作用下，由于 A 側(cè)巖石的硬度大，可鉆性小， 鉆頭刀刃吃入地層少，鉆速慢；而在 B 側(cè)巖石的硬度小，可鉆性大，鉆頭刀刃吃 入地層多，鉆速快，這樣鉆出的井眼自然會(huì)偏斜。另外，由于鉆頭兩側(cè)受力不均， 在 A 側(cè)的井底反力的合力比 B 側(cè)大，將產(chǎn)生一個(gè)彎矩 M，扭轉(zhuǎn)鉆頭，使其沿著地層 仁傾方向發(fā)生傾斜。 偽澀錕攢鴛擋緬鐒鈞錠。 當(dāng)鉆頭由硬

35、地層進(jìn)入軟地層時(shí)， 如圖 2-1(b) 所示，開(kāi)始時(shí)一由于地層在軟地層 一側(cè)吃入多，鉆速快，而在硬地層一側(cè)吃入少，鉆速慢，井眼有向地層下傾方向 傾斜的趨勢(shì)。但當(dāng)鉆頭快鉆出硬地層時(shí)，此處巖石不能再支承鉆頭的重負(fù)荷，巖 石將沿著垂直于層面方向發(fā)生破碎，在硬地層一側(cè)留下一個(gè)臺(tái)肩，迫使鉆頭回到 地層上傾方向。所以鉆頭由硬地層進(jìn)入軟地層也有可能仍然向地層上傾方向發(fā)生 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 傾斜。 緦徑銚膾齲轎級(jí)鏜撟廟。 2.1.2 鉆柱彎曲引起的鉆頭側(cè)向力 鉆進(jìn)時(shí)靠下放部分鉆柱重量給鉆頭施加鉆壓。在直井中，鉆壓較小時(shí)下部鉆柱 保持直線穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)鉆壓增至某一臨界值時(shí)，下部鉆柱發(fā)生失穩(wěn)彎曲并與

36、井壁 產(chǎn)生切點(diǎn)（見(jiàn)圖 2-2 ），鉆頭及其相鄰連接部分鉆柱的中心線偏離井眼軸線而使鉆 頭偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度發(fā)生傾斜。鉆頭傾斜后對(duì)井底產(chǎn)生不對(duì)稱切削，這是產(chǎn)生井斜的 重要因素。隨著鉆壓的進(jìn)一步增大，切點(diǎn)下移、鉆頭偏轉(zhuǎn)角度增大，對(duì)井斜影響 更大。 騅憑鈳銘僥張礫陣軫藹。 在鉆斜并時(shí)，鉆挺與井眼下邊在切點(diǎn)處開(kāi)始接觸，切點(diǎn)至鉆頭距離為切線長(zhǎng)度 L。切點(diǎn)以下鉆柱由于自重的作用將產(chǎn)生一個(gè)鉆頭處的側(cè)向力F。癘騏鏨農(nóng)剎貯獄顥幗騮。 式中 F鉆頭側(cè)向力， N； L c si 2 (2-1) c鉆鋌單位長(zhǎng)度重， N/m； W F2 MM N y FN L 一切線長(zhǎng)度， m ； 井斜角， 器 定 穩(wěn) 圖 2-2 直井中鉆

37、柱的彎曲 圖 2-3 斜井中的下部鉆柱受力 因?yàn)樵摿κ咕劢敌?，為?fù)側(cè)向力。當(dāng)鉆頭受壓后，切點(diǎn)下移，側(cè)向力減少。 鉆頭處鉆挺彎曲導(dǎo)致產(chǎn)生井眼偏斜的負(fù)荷增大 （正側(cè)向力）。因此，隨著鉆壓增加， 負(fù)側(cè)向力減少，正側(cè)向力增大?？倐?cè)向力矢量和軸向力將決定井眼的偏斜度。當(dāng) 然，地層的各向異性也必須考慮。井下鉆具中穩(wěn)定器的位置也將影響鉆頭側(cè)向力 的大小，因此將決定下部鉆具組合是增斜、穩(wěn)斜還是降斜。穩(wěn)定器直接安放在鉆 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 頭上方將產(chǎn)生一個(gè)支點(diǎn)，穩(wěn)定器上方鉆挺的重量使鉆頭產(chǎn)生增斜側(cè)向力。當(dāng)鉆頭 和穩(wěn)定器間的距離增加時(shí)，鉆頭上的增斜側(cè)向力減少。當(dāng)穩(wěn)定器離鉆頭足夠遠(yuǎn)時(shí)， 穩(wěn)定器以下鉆

38、柱產(chǎn)生的鐘擺力將使鉆頭有降斜的趨勢(shì)。 鏃鋝過(guò)潤(rùn)啟婭澗駱讕瀘。 2.1.3 鉆頭結(jié)構(gòu)引起的各向異性 在石油鉆井中， 鉆頭主要是沿其本身軸線鉆進(jìn)， 鉆頭設(shè)計(jì)者很少考慮鉆頭的側(cè) 向切削問(wèn)題。不過(guò)，在實(shí)際鉆井中所使用的鉆頭均有不同程度的側(cè)切能力，并且 它對(duì)鉆進(jìn)軌跡有一定的影響。例如鉆井中所使用的大多數(shù)牙輪鉆頭，在結(jié)構(gòu)上都 有一定的移軸或牙輪超大，這就使得鉆頭的最大直徑不在井底而是在高于井底的 某處，從而造成鉆出來(lái)的井底與圓柱形井筒之間有一段曲面狀的過(guò)渡區(qū)，結(jié)果牙 輪的外圈齒以近似于銑削的方式切削這個(gè)過(guò)渡區(qū)，這便是牙輪鉆頭對(duì)井壁的側(cè)向 切削，簡(jiǎn)稱側(cè)切。如果鉆頭僅僅承受軸向載荷，井筒過(guò)渡區(qū)將同鉆頭旋轉(zhuǎn)體的

39、外 廓形狀一致。這個(gè)形狀取決于鉆頭的兒何結(jié)構(gòu)。當(dāng)牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)一，若還承受 一定方向的橫間力，則三個(gè)牙輪的外圈齒將輪番銑削井筒過(guò)渡區(qū)的某一側(cè)面，使 鉆頭向下鉆進(jìn)的同時(shí)朝著橫向力的方向偏移。在實(shí)際鉆井中，鉆頭的軸向鉆進(jìn)能 力與其側(cè)切能力之間存在差異，稱之為鉆頭各向異性，在井眼軌跡控制中應(yīng)考慮 它的影響。由于鉆頭各向異性的影響，鉆頭即使在均質(zhì)各向同性地層里鉆進(jìn)，也 不能按鉆頭機(jī)械合力方向運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，鉆頭轉(zhuǎn)角也對(duì)鉆進(jìn)方向產(chǎn)生影響。 榿貳軻謄壟該檻鯔塏賽。 2.2 復(fù)合鉆具提高機(jī)械鉆速的機(jī)理 在鉆井工作中， 轉(zhuǎn)盤(pán)與螺桿鉆具進(jìn)行聯(lián)合鉆進(jìn)。 即在螺桿轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)下， 轉(zhuǎn) 盤(pán)在旋轉(zhuǎn)鉆柱以帶動(dòng)螺桿定子

40、旋轉(zhuǎn)。此時(shí)鉆頭既由螺桿傳子帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又由 螺桿定子帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，形成復(fù)合運(yùn)動(dòng)模式 9 ，10 。邁蔦賺陘賓唄擷鷦訟湊。 圖 2-4 轉(zhuǎn)盤(pán)和螺桿聯(lián)合鉆進(jìn)示意圖 在兩種轉(zhuǎn)速的聯(lián)合作用下，鉆頭的絕對(duì)轉(zhuǎn)速可以明顯的提高。下面具體介紹 聯(lián)合鉆進(jìn)時(shí)鉆頭的絕對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度 10 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 先以直螺桿為例介紹兩種轉(zhuǎn)速合成的情況，設(shè)螺桿鉆具轉(zhuǎn)子帶動(dòng)鉆頭的轉(zhuǎn)速 為 n1，鉆柱帶動(dòng)螺桿鉆具外殼的鉆速為 n2, n1 和 n2 都是按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)鉆柱 與螺桿外殼均以角速度 2 繞垂直于井底的 O 軸轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭則由螺桿轉(zhuǎn)子以均勻 角速度 1 相對(duì)于外殼旋轉(zhuǎn)，如圖 2-4 所示。則 1=n1/30

41、，2=n2/30。在 鉆頭邊緣上取一距中心為 r 的 M點(diǎn)。在任意一瞬間，M點(diǎn)的牽引速度為 v2= 2r, M 點(diǎn)的相 1.08e10-4 對(duì)速度為 v1= 1r ，其方向與鉆柱旋轉(zhuǎn)方向相同。 嶁硤貪塒廩袞憫倉(cāng)華 糲。 由運(yùn)動(dòng)學(xué)得知，在任意一瞬間，動(dòng)點(diǎn)的絕對(duì)速度等于牽引速度與相對(duì)速度的 矢量和。于是有， M點(diǎn)的絕對(duì)速度 v 為： 該櫟諼碼戇沖巋鳧薩錠。 v ve vr r(w2 w1)(2-2) 因此，鉆頭上 M點(diǎn)的絕對(duì)速度 為： v r 1 2 (2-3) 從而得到： n n1 n2 (2-4) 現(xiàn)在來(lái)考察轉(zhuǎn)盤(pán)和單彎螺桿鉆具聯(lián)合鉆進(jìn)時(shí)的情況。由于單彎螺桿鉆具的鉆 頭中心和鉆柱中心不重合，從而

42、存在鉆頭偏移量，使得速度的合成與直螺桿有一 定的區(qū)別。如圖 2-5 所示。 劇妝諢貰攖蘋(píng)塒呂侖廟。 圖 2-5 單彎螺桿和轉(zhuǎn)盤(pán)鉆聯(lián)合鉆進(jìn)鉆頭速度分析 角速度 位于 1、 2 之間，與鉆具本體軸線的夾角為 1( 10，即受壓的情況，若軸向力 P0，即為拉力時(shí)，則 (3-33) (3-34) (3-35) ，Z u 3u 21u sh12u (3-36) sinui i shu ， cosui chu，tgui i tgu 3 3 1 1 X u u33 u thu ，Y u 23u th12u 21u 這里 Ma，Mb分別為A端和B端彎矩， Nm； La，Lb，L分別為 A跨、 B跨和總長(zhǎng)度，

43、m； ka，kb分別為A跨和B跨曲率， rad/m； Ia，Ib分別為 A跨和B跨截面慣性矩， m4； qa，qb分別為 A跨和B跨均布載荷， N/m； P 端部軸向力， N； C A跨和 B跨曲率之差絕對(duì)值， rad/m； E 彈性模量， Pa。 利用公式 (3-333-36)將相應(yīng)的公式代人 (3-113-32)可求得 P0各計(jì)算 式。 3.1.2 集中載荷作用下的力學(xué)模型 對(duì)于螺桿鉆具組合，如不加上穩(wěn)定器或上穩(wěn)定器為變徑穩(wěn)定器處于最小工位 時(shí)，則因螺桿鉆具的抗彎剛度和其上所加鉆具的抗彎剛度一般不相等，便成為為 一個(gè)變剛度問(wèn)題。同時(shí)由于螺桿鉆具存在結(jié)構(gòu)彎角，可根據(jù)彎矩相等將其等效為 有一等

44、效集中載荷作用在結(jié)構(gòu)彎角處來(lái)進(jìn)行處理。 其力學(xué)模型為： 烴斃潛籬賢擔(dān)視蠶賁粵。 19 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 y R qb Ib 圖 3-2 軸向載荷與集中載荷聯(lián)合作用情況 根據(jù)靜力平衡關(guān)系可求得左右兩端的支座反力為： Q L Lc L RL L 可求得任一點(diǎn) X 處的彎矩如下： M L x Q L Lc x Py ， 0 x Lc QLc L x x Py Lc x L 梁柱變形的撓曲線微分方程為： EIa y1 ML x ， 0 x Lc EI a y2M R x ， Lc x La 邊界條件： 連續(xù)條件： EIb y3MR x ， La x L y1 0 0y3 L 0 y1

45、Lcy2 Lcy1 Lcy2 Lc y2 La y3 Lay2 La y3 La y1 Acoskax Bsinkax Q L Lc x PL 0 x Lc (3-37) (3-38) (3-39) (3-40) (3-41) (3-42) (3-43) (3-44) (3-45) (3-46) (3-47) 20 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 (3-48) QLc L x y2 Ccoskax D sin ka xLc x La (3-49) QLc L x y3 Ecoskax F sinkbxLa x L 式中： EIa ，kb EPIb P 0 (3-50) 根據(jù)式(2-47)(2

46、-49 )可求得： y1 Q L Lc Aka sin ka x Bka coskax (3-51) QLc Cka sin kax Dka coskax QLc Ekb sin kb x Fkb coskbx PL 由式(2-47) (2-53)及邊界條件和連續(xù)條件有： y2 y3 (3-52) (3-53) A0 EF tgkbL CB D tg kaLc Q B D CtgkaLc Pka coskaLc E cos kb La F sinkbLa C D tgkaLab a b a 0 (3-54) C DctgkaLa coskaLa kb EsinkbLa F cosk b La

47、ka sin kaLa (3-55) B Q sin kaLctg kaLa kb sin ka Lc ka kacos2kaLa katgkbLb kbtg kaLa cos ka Lc ka (3-56) 由方程組 (2-54 )可解得： A0 (3-57) C QsinkaLa Pka Q sin ka Lc tgkaLa QPa c a a ka kb sinkaLc 2 kacos kaLa ka tgkbLb kb tgkaLa (3-58) 21 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 EQsinkaLc(3-59) QsinkaLc PcoskaLacoskbLa ctg kb L

48、tgkbLa ka tgkbLb kb tgkaLa F a c (3-60) P cos ka La cos kb La 1 tg kbL tg kb La katgkbLb kb tgkaLa 求得橫向集中載荷與軸向載荷聯(lián)合作用下的變截面（變剛度）梁柱端部轉(zhuǎn)角 的計(jì)算公式如下： y1 x 0 BkaPL R Ry3 Q sin ka Lc tg ka La coskaLc2 a c a a a c cos2 ka La ka tgkbLb kb tgkaLa x=L Ekb sinkbL Fk b coskb L QLcFkbQLc PLcoskb L PL kb sin kaLc Lc

49、1 L (3-61) kb sin kaLc Lc Q P coska La coskb La coskb L 1 tg kbL tg kbLa ka tgkbLb kbtgkaLa L 若軸向力 P0，即為拉力時(shí)，則 (3-62) ka P EIb P0，則為造斜力；若 P 0，則為降斜力。 3.4.2 二維分析 （1）二維問(wèn)題 裝置角 =0，井眼曲率 K0 上邊界條件為： 2R K L1 L2 ，M 2 M T EIbK(3-91) 連續(xù)條件為： (3-92) K 梁柱的處理： （3-93） 根據(jù)初彎曲縱橫彎曲梁的等效載荷法公式，對(duì)井眼曲率為 P1P2 qd1 1 P1K ， qd2 2

50、P2K RR （2）三彎矩方程組 27 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 一跨右端轉(zhuǎn)角為： q1L31 24EI1 X(u) M 1L1 3EI1 Y(u) M0L1 6EI1 Z(u) e1 e0 L1 (3-94) 2 Aa M a Ab M b Ac e2 e12 (3-95) 2R AaRM a AbRM b AcR e2 e12R (3-96) 式(3-94) 和(3-95) 代入連續(xù)條件 (3-92) 和式 (3-96) 代人邊界條件 得三彎矩方程組： 驥擯幟褸饜兗椏長(zhǎng)絳粵。 (3-91) 3 M1L1Y(u) M0k Z(u) q1L1 3EI16EI124EI1 X(u)(Aa

51、LM1 AbLM2 AcL ) L e1 e0 e2 e1 2 (3-97) L1 AaRM1 AbRM 2 AcR e2 e12R K(L1 L2) L2 (3-98) 三彎矩方程組中共有 2個(gè)方程，其中未知數(shù)為 M1和 L2，共2個(gè)， 的。 因而是定解 3)鉆頭側(cè)向力和鉆頭傾角的計(jì)算 Pa1 P0e1 q12L1 M0 M1 (3-99) At 2q41EL1I1 X(u) M0L1 3EI 1 Y(u) M6E1LI11Z(u) e1L1e0 (3-100) 在以上各式中： 1 m 2wiLi cos i m 1 Pi Pi 1wi 1Li 1 cos i 1 2 11 e1(D0 Ds

52、1) ，e2(D0 Dc2 ) ， e0 0 22 e1 ，e1 表示穩(wěn)定器直徑 Ds1，和上切點(diǎn)鉆具直徑 Dc1與井徑 D0的差值之半， 即支座處的徑向間隙。 (3-101) (3-102) 2L ， 2R (3-85) 的計(jì)算。 為彎角在梁柱端部產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)角， 2 ， 2 的求法同 (3-84) 和 L1 u 2 1 ， X(u) u33 tgu u (3.103) 28 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 2u 1 2u 1 tg2u u sin2u 2u q1 w1sin i m qd1， w2 waLa wbLb L2 qa qa qd2， qb qb qd2，ka 式中 ( i)m

53、，表示第 i 跨梁柱中點(diǎn)的井斜角： i1 i m a0 KLi i1 KLi 2 wi 每跨梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度鉆具在鉆井液中的重量； N/m。 假設(shè) w0=0，L0=0，P0=PB，0 =B，（鉆頭處的井斜角），鉆頭處的彎矩 (3-104) (3-105) (3-106) (3-107) M0=0 2 。 29 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 第 4 章 影響單彎螺桿控制井斜因素及油田實(shí)例 4.1 單彎螺桿力學(xué)性能分析 井下鉆具組合： 215.9mmPDC鉆頭+9LZ165螺桿（ 0.75 ） +159mm鉆挺一根 +159mm短鉆挺一根（ 3m）+214mm穩(wěn)定器 +159mm鉆挺+127mm鉆桿

54、。 癱噴導(dǎo)閽騁艷搗靨 驄鍵。 其它參數(shù)：泥漿密度： 1.15mg/cm3；轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速： 60r/min ；鉆壓：25kN；螺桿長(zhǎng)度： 6.5m；螺桿重量： 830kg；井斜角： 3。 鑣鴿奪圓鯢齙慫餞離龐。 導(dǎo)向鉆具在復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)， 相當(dāng)于鉆具組合在轉(zhuǎn)動(dòng)一周中工具面角處于 0360的 連續(xù)變化的位置狀態(tài)。從圖 4-1 可以看出，當(dāng)裝置角為零時(shí)，鉆具處于增斜狀態(tài) （鉆頭側(cè)向力為正） ；當(dāng)裝置角為 180 時(shí)，導(dǎo)向鉆具組合處于降斜狀態(tài)（鉆頭側(cè)向 力為負(fù)）。如果不考慮重力的作用，則在 0 360的變化范圍內(nèi)，鉆頭側(cè)向力的 分布將呈現(xiàn)出等值均布狀態(tài)。基于此，鉆頭將沿各個(gè)方向均勻切削，導(dǎo)向鉆具應(yīng) 表現(xiàn)出穩(wěn)斜

55、的特性 20 。 欖閾團(tuán)皺鵬緦壽驏頦蘊(yùn)。 )N(力斜井變 -3 -90 工具面角 （） 圖 4-1 一周內(nèi)鉆頭變井斜力的變化情況 但實(shí)際上 重力將對(duì)鉆具組合的性能產(chǎn)生一定的影響，因?yàn)橹亓Φ姆较蚴冀K向下，所以在 0 360范圍內(nèi)（下半周） ，鉆頭側(cè)向力將大于上半周的對(duì)應(yīng)值，呈現(xiàn)非等值分布狀態(tài)。因 此實(shí)際上鉆出的井段有時(shí)會(huì)呈現(xiàn)降斜的趨勢(shì)。重力作用造成 Pa的不均布，降斜力總體上大于 增斜力，使井斜角略有下降，下降的幅度與鉆具的剛度有很大的關(guān)系。 遜輸吳貝義鰈國(guó)鳩猶騸。 由圖4-2可以看出，盡管彎角的大小對(duì)鉆頭側(cè)向力的大小有直接的影響，但是 鉆頭側(cè)向力隨工具面角的變化規(guī)律是一致的。單彎螺桿鉆具在轉(zhuǎn)動(dòng)

56、一周的變化情 況，每隔 30取一個(gè)點(diǎn)。從圖 4-2可以清楚地看到單彎螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)鉆頭側(cè)向 30 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 力都為負(fù)值，即都是降斜力。大致是按照簡(jiǎn)諧形狀變化的， 當(dāng)肘點(diǎn)方位為 0、360 時(shí)，單彎螺桿鉆具組合處于側(cè)向力最小的位置；當(dāng)肘點(diǎn)方位為180時(shí)，單彎螺桿 鉆具組合處于側(cè)向力最大的位置。 幘覘匱駭儺紅鹵齡鐮瀉。 肘點(diǎn)方位 ( ) 圖 4-2 一周內(nèi)鉆頭側(cè)向力的變化情況 4.2 影響因素分析 分析影響單彎螺桿鉆具組合控制井斜的因素，對(duì)改進(jìn)單彎螺桿結(jié)構(gòu)和組合形 式，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工參數(shù)的指定，達(dá)到最佳的井斜控制效果具有重要的實(shí)踐意義。 概括起來(lái)，影響單彎螺桿鉆具組合控制井

57、斜的因素主要有：穩(wěn)定器安放位置、鉆 壓、彎角、肘點(diǎn)位置以及井斜角等。下面就對(duì)這些影響因素進(jìn)行分析 20-25 。誦 終決懷區(qū)馱倆側(cè)澩賾。 在考慮螺桿鉆具降斜能力的影響因素時(shí)變化其中的一個(gè)參數(shù)，固定其它的參 數(shù)。從得到的分析結(jié)果來(lái)看，由于單彎螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候，各種力學(xué)參數(shù)會(huì)隨之 而變化，為了分析方便，取肘點(diǎn)方位為 180時(shí)得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行討論 。 醫(yī)滌侶綃 噲睞齒辦銩凜。 4.2.1 穩(wěn)定器安放位置 穩(wěn)定器安放位置對(duì)單彎螺桿鉆具防斜、降斜能力有很大的影響，合理的穩(wěn)定 器安放位置也是現(xiàn)場(chǎng)工程師們最關(guān)心的問(wèn)題。從圖 4-3 可以看到， 穩(wěn)定器安 放位置 越靠上，螺桿鉆具的降斜能力就越大。 艫當(dāng)為遙

58、頭韙鰭噦暈糞。 31 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 穩(wěn)定器距鉆頭距離 (m) )N(力向側(cè)頭 圖 4-3 穩(wěn)定器位置對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響 4.2.2 鉆壓 從圖4-4中可以看出，隨著鉆壓的增加，鉆頭側(cè)向力幾乎是沒(méi)有變化 鉆壓(kN) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 -520 )N(力向側(cè)頭鉆 34 55 - 0 6 5 - 圖 4-4 鉆頭側(cè)向力隨鉆壓的變化情況 4.2.3 彎角 從圖4-5中可以看出，隨螺桿彎角的增加，上切點(diǎn)的位置向下移動(dòng)，鉆頭側(cè)向 力變大，穩(wěn)定處的彎矩也增大。圖 4-5 表示彎角對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響，從圖中的情 況來(lái)看，鉆頭側(cè)向力隨彎角幾乎是線性

59、增加的。而且，彎角的增加可以使鉆頭側(cè) 32 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 向力明顯的增加，這一點(diǎn)和鉆壓的影響是有區(qū)別的。所以，在實(shí)際的鉆井過(guò)程中， 要更加有效的控制井斜，可以考慮增大彎角 。 鴣湊鸛齏嶇燭罵獎(jiǎng)選鋸。 彎角 () 圖 4-5 鉆頭側(cè)向力隨彎角的變化情況 )N(力向側(cè)頭 4.2.4 肘點(diǎn)位置 單彎螺桿肘點(diǎn)(彎角處)的位置對(duì)鉆頭側(cè)向力是否有影響呢？影響有多大。 這個(gè)問(wèn)題對(duì)于螺桿結(jié)構(gòu)的改造，有很重要的作用。從圖 4-6 可以看出肘點(diǎn)位置的變 化對(duì)鉆頭側(cè)向力有很大的影響，肘點(diǎn)位置的上移使得鉆頭側(cè)向力增加，螺桿的降 斜能力減小。 筧驪鴨櫨懷鏇頤嶸悅廢。 肘點(diǎn)位置 (m) 圖 4-6 鉆

60、頭側(cè)向力隨肘點(diǎn)位置的變化情況 33 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 4.2.5 轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速 從圖4-7可以看出轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速的提高，會(huì)使鉆頭側(cè)向力增加，增加的程度較小， 但是提高轉(zhuǎn)速在實(shí)際的鉆井工程中，是可以更有效的防斜，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的提高， 增加了鉆頭橫向切削的次數(shù)。 韋鋯鯖榮擬滄閡懸贖蘊(yùn)。 )N(力向側(cè)頭鉆 轉(zhuǎn)速(r/min) 0 0 4 0 5 6 圖 4-7 鉆頭側(cè)向力隨轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速變化趨勢(shì)圖 4.2.6 井斜角 圖4-8表示井斜角對(duì)鉆頭側(cè)向力的影響，從圖中的情況來(lái)看，隨著井斜角的增 加，鉆頭側(cè)向力變大。 鉆頭側(cè)向力隨井斜角幾乎是呈線性增加的。 濤貶騸錟晉鎩錈撳憲騸 )N(力向側(cè)頭鉆 井斜角 (