復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究畢業(yè)論文

1、 . . . 1 / 39 畢業(yè)設(shè)計（論文）畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目：題目： 復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究 姓姓 名：名： 文達(dá)文達(dá) . . . I / 39復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究摘摘 要要復(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，從而提高油田開發(fā)速度。木文對轉(zhuǎn)盤與螺桿鉆具聯(lián)合鉆進(jìn)時的防斜打快機(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)計提供了理論依據(jù)。對單彎螺

2、桿防斜鉆具組合分析表明：穩(wěn)定器安放位置距鉆頭越遠(yuǎn)鉆頭側(cè)向力越大；鉆壓對鉆頭側(cè)向力影響不明顯；彎角和肘點位置對鉆頭側(cè)向力有明顯的影響，這對專用防斜螺桿鉆具的設(shè)計改進(jìn)提供了理論依據(jù)；復(fù)合鉆進(jìn)在井斜角較大時顯示出大的側(cè)向力。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：復(fù)合鉆進(jìn)；穩(wěn)斜；縱橫彎曲法；鉆頭側(cè)向力SteadySteady inclinedinclined propertiesproperties ofof compositecomposite drillingdrillingAbstractAbstractThat the application of combined drilling technology in o

3、il 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,Usi

4、ng continuous beam theory,themechanical 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

5、 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 muc

6、h 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. Keywords:Keywords: complex drilling; hold angle; continuous beam theory; the lateral force目 錄摘要 I .

7、 . . II / 39ABSTRACTII目錄 III第 1 章前言 11.1 問題的提出 11.2 國外研究現(xiàn)狀 11.2.1 井眼軌跡控制理論 11.2.2 下部鉆具組合力學(xué)方法研究 31.3 井斜控制專用工具現(xiàn)狀 41.4 本文主要研究容 6第 2 章復(fù)合鉆具控制井斜的機(jī)理 82.1 影響井斜的原因 82.1.1 地層與其各向異性 82.1.2 鉆柱彎曲引起的鉆頭側(cè)向力 92.1.3 鉆頭結(jié)構(gòu)引起的各向異性 102.2 復(fù)合鉆具提高機(jī)械鉆速的機(jī)理 102.3 復(fù)合鉆具控制井斜的機(jī)理 12第 3 章復(fù)合鉆具組合控制井斜力學(xué)模型的建立 153.1 基本假設(shè)和力學(xué)模型2，10，13-1815

8、3.1.1 均布載荷和彎矩同時作用下的力學(xué)模型 163.1.2 集中載荷作用下的力學(xué)模型 193.2 縱橫彎曲連續(xù)梁理論中的迭加原理和連續(xù)條件 223.3 初始結(jié)構(gòu)彎角的等效處理 233.4 單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合受力與變形分析 243.4.1 一維分析 243.4.2 二維分析 27第 4 章影響單彎螺桿控制井斜因素與油田實例 304.1 單彎螺桿力學(xué)性能分析 304.2 影響因素分析 31 . . . III / 394.2.1 穩(wěn)定器安放位置 314.2.2 鉆壓 324.2.3 彎角 324.2.4 肘點位置 334.2.5 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速 334.2.6 井斜角 344.3 油田實例 35結(jié)

9、論 36參考文獻(xiàn) 37致 39 . . . 1 / 39第第 1 1 章章 前前 言言1.11.1 問題的提出問題的提出隨著鉆進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，自 20 世紀(jì) 80 年代以來，導(dǎo)向技術(shù)得到迅速發(fā)展。導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展帶動了大位移井，水平井和分支井鉆井技術(shù)的實施，保證了以較低的鉆井成本實現(xiàn)地質(zhì)目的。導(dǎo)向鉆井技術(shù)分為滑動導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向兩種方式?；瑒訉?dǎo)向技術(shù)存在許多弊端，長時間滑動鉆井會增加發(fā)生井下卡鉆等事故的風(fēng)險。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，國出現(xiàn)了復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)使用滑動導(dǎo)向鉆具，根據(jù)鉆探要求，把滑動導(dǎo)向與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向合理結(jié)合，達(dá)到導(dǎo)向目的。在常規(guī)定向井、水平井鉆井鉆進(jìn)過

10、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)時效和其他先進(jìn)工藝的實施。復(fù)合鉆井技術(shù)在提高鉆頭機(jī)械鉆速的同時，可以減少鉆井過程中的起下鉆次數(shù)，提高鉆井時效。配合高效 PDC鉆頭等先進(jìn)工具可實現(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)已在國外廣泛使用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。本文的重點研究目標(biāo)是如何使用單彎螺桿鉆具配合 PDC 鉆頭在實現(xiàn)更有效的穩(wěn)斜控制情況下提高鉆井速度。1.21.2 國外研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀1.2.11.2.1 井眼軌跡控制理論井眼軌跡控制理論井眼軌跡控制問題，是鉆井工程的基本問題之一，在國外受到普遍重視。關(guān)于井眼軌道控制

11、問題的研究，迄今已有四十多年的發(fā)展歷史。在這個歷史過程中，國外有關(guān)專家和學(xué)者從鉆柱力學(xué)、鉆頭與地層相互作用與井眼軌跡預(yù)測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，研究的重心開始移向定向井井眼軌跡控制問題。在定向井井眼軌跡控制中，既要求對井斜角進(jìn)行控制，又要求對井斜方位進(jìn)行嚴(yán)格控制。因此，定向井軌跡控制問題，是一個更為復(fù)雜的研究課題1-3。美國專家 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題入手（1950 年） ，開創(chuàng)了鉆柱力學(xué)研

12、究的新局面。接著他與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，他們按 . . . 2 / 39地層的各向異性程度把地層造斜性分為 21 級)，并結(jié)合鉆柱力學(xué)分析實現(xiàn)了對“平衡井斜角”的定量計算：他們還制定了解決井斜問題的實用圖版，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井斜角的嚴(yán)格限制是不合算的，Lubinski 也主鉆井設(shè)計師應(yīng)充分利用地層的造斜特性，放寬對井斜叫的限制，以利解放鉆壓、提高鉆速和降低鉆井成本，同時要求對井眼曲率（俗稱“狗腿嚴(yán)重度” ）作出嚴(yán)格限制，以防鉆柱的疲勞破壞，并給出了最大井眼曲率的計算

13、模式和實用圖表。Hoch 定量分析了一種“滿眼”鉆具組合（含有三個穩(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題，同時他還對使用的鉆挺橫向尺寸（外徑）提出了定量限制。實踐證明，盡管 Hoch 的理論分析有誤，但是他對控制狗腿嚴(yán)重度的認(rèn)識和對策是正確的。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。Lubinski 等人對井斜控制理論和技術(shù)的發(fā)展作出了重要貢獻(xiàn)，他們的科研成果對我國鉆井界的影響頗大。 Shell 公司的研究員，在 Lubinski 研究的基礎(chǔ)上，也對井斜控制問題進(jìn)行過許多研究。Murphy

14、分析了光鉆挺鉆具組合的兩維受力和變形，導(dǎo)出了預(yù)測這種簡單鉆具組合造斜率的計算模式。Mclamore 和 Bradley 先后進(jìn)行了單楔齒破巖(層狀)實驗，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，建立了一個偏斜力公式，試圖對井斜現(xiàn)象作出定量解釋。Fisher 采用有限差分法對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)的計算機(jī)分析程序。Bradley 從鉆柱力學(xué)、鉆頭結(jié)構(gòu)特性與地層特性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)論述，試圖幫助鉆井工作者較全面的認(rèn)識影響井斜的重要因素。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。Brad

15、ley 等人的研究也僅限于兩維分析。 Walker 首先應(yīng)用最小勢能原理對常規(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)用變分法在計算機(jī)上對控制方程進(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，從而提高了鉆速，降低了鉆井成本。他還對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。 在井眼軌跡控制理論和技術(shù)研究方面，英國專家 Brown 等人、法國專家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)國外其他一些研究人員所做的工作，如 Birades 等人

16、的研究結(jié)果。 . . . 3 / 39 在國，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 的地層各向異性鉆井理論的基礎(chǔ)上，提出了一個地層力公式；勛堯以主要解決井斜控制技術(shù)問題為目標(biāo)，通過求解簡單的力學(xué)模型，提出了設(shè)計下部鉆具組合的實用方法，他為了表達(dá)地層各向異性對井斜的影響，也提出了一個地層造斜力

17、公式；國其他專家和學(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。1.2.21.2.2 下部鉆具組合力學(xué)方法研究下部鉆具組合力學(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題以來，這一問題的研究一直受到國外的重視，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

18、. H. Walker 的能量法，白家祉的縱橫彎曲法1，4。（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)基本上為后來研究者長期采用；他對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，使人們對穩(wěn)定器效能的全面認(rèn)識和對后來多穩(wěn)定器滿眼鉆具的出現(xiàn)

19、起到了引導(dǎo)作用。（2）能量法1973 年，B. H. Walker，應(yīng)用彈性力學(xué)的勢能原理求解鉆具組合受力合變形問題他把距鉆頭一定長度的位置 C Walker 取 120ft 作為 BHA 的上邊界，建立 BHA . . . 4 / 39彈性系統(tǒng)的勢能方程和約束條件，根據(jù)逆解法構(gòu)造解的形式（含有廣義系數(shù)的三角級數(shù)） ，由拉格朗日乘子法和最小勢能原理列方程，以確定廣義系數(shù)，并進(jìn)而確定 BHA 的受力和變形結(jié)果。（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。他把距鉆頭一定長度的鉆柱（一般 150-400ft）視為下部鉆具組合，劃分為若千個計算單

20、元，并取間隙單元來描述鉆柱與井壁的接觸狀況。通過建立單元剛度矩陣并組裝成總體剛度矩陣，借助聯(lián)系廣義節(jié)點力、節(jié)點位移和系統(tǒng)剛度的矩陣方程，得到一組非線性方程組，用計算機(jī)多次迭代求解，可得出 BHA 的受力與變形結(jié)果。計算結(jié)果表明，由于沒有精確考慮鉆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，因此計算結(jié)果有時與實際情況存在較大誤差。在我國“七五”期間，呂英明教授等人，也對此方法在鉆柱力學(xué)中的應(yīng)用作了較為系統(tǒng)的研究。（4）縱橫彎曲連續(xù)梁法縱橫彎曲連續(xù)梁法是由我國的白家祉教授在 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

21、條件導(dǎo)出三彎矩方程，以求解各穩(wěn)定器處的彎矩。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因素。1.31.3 井斜控制專用工具現(xiàn)狀井斜控制專用工具現(xiàn)狀井下專用工具研制是井眼軌道控制的核心部分，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。但井下工具研制比較困難，這主要是因為井下工作狀態(tài)十分復(fù)雜（動載荷大、溫度高、鉆井液介質(zhì)惡劣等） 、細(xì)長井眼空間小、井下動力來源較少（只有鉆井液壓力和鉆壓） ，另外，產(chǎn)品在井下試

22、驗時風(fēng)險性較大。因此，井下專用工具的研制是一項十分耗時、耗財?shù)纳献?，只有通過不懈的努力和反復(fù)試驗，才能獲得成果。迄今，在井眼軌道控制中，據(jù)文獻(xiàn)報導(dǎo)主要的井下專用工具為動力鉆具（渦輪和螺桿鉆具） 、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)鉆井閉環(huán)控制系統(tǒng)）等。據(jù)國油田定向井鉆具使用情況的不完全統(tǒng)計，由于種種原因，這些井下專用工具的絕大部分沒有在鉆井中得到推廣應(yīng)用，仍需進(jìn)一步研究 . . . 5 / 39完善。（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外徑與鉆頭直徑相近的穩(wěn)定器與一些外徑較大的鉆挺構(gòu)成。其原理有二：一是由于滿眼

23、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，同時能在鉆頭處產(chǎn)生一個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穩(wěn)定器，除靠近鉆頭有一個穩(wěn)定器外，其上還應(yīng)再安放兩個穩(wěn)定器，保持有二點接觸井壁，通過二點直線性來保持井眼的直線性和限制鉆頭的橫向移動5。（2）動力鉆具 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，并能與其它配套工具組成導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。國外從70 年代后期研制出可調(diào)方向

24、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，使鉆井時間和費(fèi)用得到大幅度降低。 迄今，國外油田使用的動力鉆具主要是螺桿鉆具，經(jīng)過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。（3）穩(wěn)定器、可變徑穩(wěn)定器、伸縮鉆鋌國外從 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，該工具通過扶正器上可伸縮扶條的

25、不對稱伸縮，使鉆具偏向一邊，起降斜、增斜與扭方位的作用。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)本體與密封件組成，其特點是滾輪安裝在扶正套的部，鉆進(jìn)時支承座、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。變徑穩(wěn)定器和伸縮鉆挺是定向井旋轉(zhuǎn)鉆井時，實施井眼軌道連續(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，使得這些工具在國油田還沒有得到推廣應(yīng)用，仍需進(jìn)一 . . . 6 / 39步研究和完善。（4）可調(diào)彎接頭、特殊接頭可調(diào)彎接頭：在 70 年代后期，為了提高軌跡控制的精度和節(jié)

26、省鉆進(jìn)時間，對可調(diào)彎接頭進(jìn)行了大量的研制和試驗。研制的電動式、機(jī)械式和液壓式可調(diào)角度彎接頭，都具有與時控制井眼軌跡功能，但液壓式能與所有測斜工具配合使用，調(diào)節(jié)角度簡單迅速等優(yōu)點。SIB 公司與法國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)用圍和實例，該遙控彎接頭與井下液壓馬達(dá)配合，通過地面遙控彎接頭的角度，就能實時控制井眼軌道。特殊接頭：有一種多功能井下接頭，該接頭在起下鉆時能夠防溢泥漿，又具有防斜、糾斜、防偏磨功能，它不僅能提高鉆井速度，又可滿足鉆井過程中的造斜和防斜要求。（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)在油田的成功試驗，由聚晶人造金剛石鉆頭（PDC 鉆

27、頭） 、井下動力鉆具（渦輪鉆具和螺桿鉆具） 、隨鉆測量系統(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。 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 測量值的反饋信息，自動定位并施加給鉆頭一個側(cè)向力，實施井眼軌道的連續(xù)控制，其核心工具就是一個外殼不旋轉(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)鉆井能夠克服滑移鉆井的許多缺點，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，國外有研究成果和應(yīng)用報導(dǎo)，國只有研究報告，還沒有應(yīng)用報導(dǎo)。（6）復(fù)合鉆具國

28、外目前采用這種技術(shù)比較普遍8。國也有所應(yīng)用，自 20 世紀(jì) 80 年代末期以來，中國石油天然氣集團(tuán)公司石油勘探開發(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驗研究與技術(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。將這一技術(shù)應(yīng)用于直井，可以作到開轉(zhuǎn)盤鉆直井（穩(wěn)斜）和定向糾斜，而不用起鉆更換鉆具組合1。 . . . 7 / 391.41.4 本文主要研究容本文主要研究容本文的研究思路是借鑒國外穩(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)，從理論到實踐中加以完善。主要的研究容有：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)

29、合鉆具控制井斜較傳統(tǒng)的控制井斜方法更有優(yōu)勢。2用縱橫彎梁法分析復(fù)合鉆具在井下的力學(xué)性能。計算其控制井斜時，鉆頭側(cè)向力的大小，確定其控制井斜的能力。3分析復(fù)合鉆具控制井斜時的控制因素，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)場進(jìn)行試驗應(yīng)用，從實踐上來驗證用復(fù)合鉆具控制井斜的可行性。第第 2 2 章章 復(fù)合鉆具控制井斜的機(jī)理復(fù)合鉆具控制井斜的機(jī)理2.12.1 影響井斜的原因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。2.1.12.1.1 地層與其各向異性地層與其各向異性造

30、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。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。地層的各項異性主要表現(xiàn)在巖石的各向異性和巖石軟硬交錯兩個方面。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。硬地層軟地層MBAbFaFPP硬地層軟地層BAbFaFa) b)圖 2-1 巖性變化對井斜的影響 . . . 8 / 39當(dāng)鉆頭從軟地層進(jìn)入硬地層時，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

31、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)生一個彎矩 M，扭轉(zhuǎn)鉆頭，使其沿著地層仁傾方向發(fā)生傾斜。當(dāng)鉆頭由硬地層進(jìn)入軟地層時，如圖 2-1(b)所示，開始時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。但當(dāng)鉆頭快鉆出硬地層時，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)留下一個臺肩，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)生傾斜。2.1

32、.22.1.2 鉆柱彎曲引起的鉆頭側(cè)向力鉆柱彎曲引起的鉆頭側(cè)向力鉆進(jìn)時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，下部鉆柱發(fā)生失穩(wěn)彎曲并與井壁產(chǎn)生切點（見圖 2-2） ，鉆頭與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)一個角度發(fā)生傾斜。鉆頭傾斜后對井底產(chǎn)生不對稱切削，這是產(chǎn)生井斜的重要因素。隨著鉆壓的進(jìn)一步增大，切點下移、鉆頭偏轉(zhuǎn)角度增大，對井斜影響更大。在鉆斜并時，鉆挺與井眼下邊在切點處開始接觸，切點至鉆頭距離為切線長度 L。切點以下鉆柱由于自重的作用將產(chǎn)生一個鉆頭處的側(cè)向力 F。 (2-1)csin2LF 式中 F鉆頭側(cè)向

33、力，N； L 一切線長度，m；c鉆鋌單位長度重，N/m； 井斜角， 。 . . . 9 / 39yMMMMx2W2FFNNF1W1穩(wěn)定器圖 2-2 直井中鉆柱的彎曲 圖 2-3 斜井中的下部鉆柱受力因為該力使井眼降斜，為負(fù)側(cè)向力。當(dāng)鉆頭受壓后，切點下移，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)定器直接安放在鉆頭上方將產(chǎn)生一個支點，穩(wěn)定器上方鉆挺的重量使鉆頭

34、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，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，穩(wěn)定器以下鉆柱產(chǎn)生的鐘擺力將使鉆頭有降斜的趨勢。2.1.32.1.3 鉆頭結(jié)構(gòu)引起的各向異性鉆頭結(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)計者很少考慮鉆頭的側(cè)向切削問題。不過，在實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，從而造成鉆出來的井底與圓柱形井筒之間有一段曲面狀的過渡區(qū)，結(jié)果牙輪的外圈齒以近似于銑削的方式切削這個過渡區(qū)，

35、這便是牙輪鉆頭對井壁的側(cè)向切削，簡稱側(cè)切。如果鉆頭僅僅承受軸向載荷，井筒過渡區(qū)將同鉆頭旋轉(zhuǎn)體的外廓形狀一致。這個形狀取決于鉆頭的兒何結(jié)構(gòu)。當(dāng)牙輪鉆頭鉆進(jìn)時一，若還承受一定方向的橫間力，則三個牙輪的外圈齒將輪番銑削井筒過渡區(qū)的某一側(cè)面，使鉆頭向下鉆進(jìn)的同時朝著橫向力的方向偏移。在實際鉆井中，鉆頭的軸向鉆進(jìn) . . . 10 / 39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。在這種情況下，鉆頭轉(zhuǎn)角也對鉆進(jìn)方向產(chǎn)生影響。2.22.2 復(fù)合鉆具提高機(jī)械鉆速的機(jī)理復(fù)合鉆具提高機(jī)

36、械鉆速的機(jī)理在鉆井工作中，轉(zhuǎn)盤與螺桿鉆具進(jìn)行聯(lián)合鉆進(jìn)。即在螺桿轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)鉆柱以帶動螺桿定子旋轉(zhuǎn)。此時鉆頭既由螺桿傳子帶動旋轉(zhuǎn)，同時又由螺桿定子帶動旋轉(zhuǎn)，形成復(fù)合運(yùn)動模式9，10。2O1RM圖 2-4 轉(zhuǎn)盤和螺桿聯(lián)合鉆進(jìn)示意圖在兩種轉(zhuǎn)速的聯(lián)合作用下，鉆頭的絕對轉(zhuǎn)速可以明顯的提高。下面具體介紹聯(lián)合鉆進(jìn)時鉆頭的絕對轉(zhuǎn)動速度。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)子帶動鉆頭的轉(zhuǎn)速為 n1，鉆柱帶動螺桿鉆具外殼的鉆速為 n2, n1 和 n2 都是按順時針轉(zhuǎn)動。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，鉆頭則由螺桿轉(zhuǎn)子以均勻角速度 1 相對于外殼旋轉(zhuǎn)，如圖

37、2-4 所示。則 1=n1/30，2=n2/30。在鉆頭邊緣上取一距中心為 r 的 M 點。在任意一瞬間，M 點的牽引速度為 v2=2r, M 點的相 1.08e10-4 對速度為 v1=1r，其方向與鉆柱旋轉(zhuǎn)方向一樣。由運(yùn)動學(xué)得知，在任意一瞬間，動點的絕對速度等于牽引速度與相對速度的矢量和。于是有，M 點的絕對速度 v 為：(2-2)er21()vvvr ww因此，鉆頭上 M 點的絕對速度為： (2-3)12v r從而得到： (2-4)12nnn現(xiàn)在來考察轉(zhuǎn)盤和單彎螺桿鉆具聯(lián)合鉆進(jìn)時的情況。由于單彎螺桿鉆具的鉆 . . . 11 / 39頭中心和鉆柱中心不重合，從而存在鉆頭偏移量，使得速度的

38、合成與直螺桿有一定的區(qū)別。如圖 2-5 所示。11n2n121圖 2-5 單彎螺桿和轉(zhuǎn)盤鉆聯(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，則， (3-33)aaPkEIbbPkEI0P ， (3-34)22PLPiLuiuEIEI2PLuEI， (3-35)sinshuiiucoschuiutgtguiiu，(3-36) 33thXuuuu 3112th22Yuuuu 3112sh2Zuuuu這里Ma，Mb分別為A端和B端彎矩，Nm；La，Lb，L分別為A跨、B跨和總長度，m；ka，kb分別為A跨和B跨曲率，rad/m；

39、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各計算式。3.1.23.1.2 集中載荷作用下的力學(xué)模型集中載荷作用下的力學(xué)模型對于螺桿鉆具組合，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，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，便成為為一個變剛度問題。同時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效集中載荷作用在結(jié)構(gòu)彎角處來進(jìn)行處理。其力學(xué)模型為：ycLQQR

40、LRLyRRRLLbLaPPbqxbIIbaqaIIax . . . 19 / 39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： (3-37)cLQ LLRL (3-38)cRQLRL可求得任一點處的彎矩如下：X， (3-39) cLQ LLMxxPyLc0 xL， (3-40) cRQLLxMxxPyLcLxL梁柱變形的撓曲線微分方程為：， (3-41) a1LEI yMx c0 xL， (3-42) a2REI yMx caLxL， (3-43) b3REI yMx aLxL邊界條件： (3-44) 100y 30yL 連續(xù)條件： (3-45) 1

41、c2cyLyL 21ccyLyL (3-46) 2a3ayLyL 32aayLyL (3-47)c1aacossinQ LLyAk xBk xxPLc0 xL (3-48)c2aacossinQLLxyCk xDk xPLcaLxL (3-49)c3abcossinQLLxyEk xFk xPLaLxL式中：， (3-50)aaPkEIbbPkEI0P . . . 20 / 39根據(jù)式(2-47)(2-49 )可求得： (3-51)1caaaasincosQ LLyAkk xBkk xPL (3-52)c2aaaasincosQLyCkk xDkk xPL (3-53)c3bbbbsincos

42、QLyEkk xFkk xPL 由式(2-47) (2-53)與邊界條件和連續(xù)條件有： (3-54)bacacaacbabaaaaabbabaaaaaa0tgtgtgcoscossintg0cossincosctg0sinAEFk LCBDk LQBDCk LPkk LEk LFk LCDk Lk LkEk LFk LCDk Lkk L 由方程組(2-54 )可解得： (3-55)0A (3-56)acaabacac2aaaaabbbaaasintgsincoscostgtgk Lk Lkk Lk LQBPkkk Lkk Lkk Lk (3-57)aaasinQk LCPk (3-58)aca

43、abac2aaaaabbbaasintgsincostgtgk Lk Lkk LQDPkkk Lkk Lkk L (3-59) acaababbaabbbaasincoscosctgtgtgtgQk LEPk Lk Lk Lk Lkk Lkk L (3-60) acaababbaabbbaasincoscos1tgtgtgtgQk LFPk Lk Lk Lk Lkk Lkk L 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)角的計算公式如下： . . . 21 / 39 (3-61)c1 x 0abaccacaaac2aaabbbaasinsintgcos1costgtgLQ

44、 LLyBkPLkk LLQk Lk Lk LPk Lkk Lkk LL (3-62)Rcbc3x=Lbbbbbbaccaababbbaabbbaasincoscossincoscoscos1tgtgtgtgQLFkQLyEkk LFkk LPLk LPLkk LLQPk Lk Lk Lk Lk Lkk Lkk LL 若軸向力 P0，即為拉力時，則， (3-63)aaPkEIbbPkEIP0，則為造斜力；若 P0，則為降斜力。3.4.23.4.2 二維分析二維分析（1）二維問題裝置角 =0，井眼曲率 K0上邊界條件為：， (3-91)R212K LL2TbMMEI K連續(xù)條件為： (3-92)

45、RL12 根據(jù)初彎曲縱橫彎曲梁的等效載荷法公式，對井眼曲率為梁柱的處理：K， (3-93)1d11PqPKR2d22PqP KR（2）三彎矩方程組一跨右端轉(zhuǎn)角為： (3-94)3R0110111111111( )( )( )2436M Leeq LM LX uY uZ uEIEIEIL (3-95)LLLLLL212aabbc22eeA MA MAL (3-96)RRRRR212aabbc22eeA MA MAL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(3-91)得三彎矩方程組： (3-97)3LLL01111a1b2c111L1021212( )( )

46、( )()3624M kM Lq LY uZ uX uA MA MAEIEIEIeeeeLL (3-98)RRRR21a1b2c2122()eeA MA MAK LLL三彎矩方程組中共有 2 個方程，其中未知數(shù)為 M1 和 L2，共 2 個，因而是定解的。（3）鉆頭側(cè)向力和鉆頭傾角的計算 (3-99)211a0 101112q LPPeMML . . . 27 / 39 (3-100)301101111t1111( )( )( )2436M Leeq LM LAX uY uZ uEIEIEIL在以上各式中： (3-101) 1111mm11coscos22iiiiiiiiPPw LwL， (3

47、-102)1011 ()2seDD20c21()2eDD00e e1，e1 表示穩(wěn)定器直徑 Ds1，和上切點鉆具直徑 Dc1 與井徑 D0 的差值之半，即支座處的徑向間隙。，為彎角在梁柱端部產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)角，的求法同(3-84)和(3-85)的L2R2L2R2計算。， (3.103)1112LPuEI33( )tgX uuuu， (3-104)311( )22tg2Y uuuu311( )sin22Z uuuu， (3-105) 11d1sinimqwq2aabb2ww Lw LL， (3-106)aad2qqqbbd2qqq2aaPkEI2bbPkEI式中 (i)m，表示第 i 跨梁柱中點的井

48、斜角： (3-107) 10m12iiiiiKLaKLwi每跨梁單位長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 M0=0 2。第第 4 4 章章 影響單彎螺桿控制井斜因素與油田實例影響單彎螺桿控制井斜因素與油田實例4.14.1 單彎螺桿力學(xué)性能分析單彎螺桿力學(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。其它參數(shù)：泥漿密度：1.15mg/cm3；轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速：60r/min；鉆

49、壓：25kN；螺桿長度：6.5m；螺桿重量：830kg；井斜角：3。導(dǎo)向鉆具在復(fù)合鉆進(jìn)時，相當(dāng)于鉆具組合在轉(zhuǎn)動一周中工具面角處于 0360 . . . 28 / 39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，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，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 0360的變化圍，鉆頭側(cè)向力的分布將呈現(xiàn)出等值均布狀態(tài)。基于此，鉆頭將沿各個方向均勻切削，導(dǎo)向鉆具應(yīng)表現(xiàn)出穩(wěn)斜的特性20。圖 4-1 一周鉆頭變井斜力的變化情況但實際上重力將對鉆具組合的性能產(chǎn)生一定的影響，因為重力的方向始終向下，所以在0

50、360圍（下半周） ，鉆頭側(cè)向力將大于上半周的對應(yīng)值，呈現(xiàn)非等值分布狀態(tài)。因此實際上鉆出的井段有時會呈現(xiàn)降斜的趨勢。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。由圖4-2可以看出，盡管彎角的大小對鉆頭側(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)動一周的變化情況，每隔30取一個點。從圖4-2可以清楚地看到單彎螺桿在轉(zhuǎn)動一周時鉆頭側(cè)向力都為負(fù)值，即都是降斜力。大致是按照簡諧形狀變化的，當(dāng)肘點方位為0、360時，單彎螺桿鉆具組合處于側(cè)向力最小的位置；當(dāng)肘點方位為180時，單彎螺桿鉆具組合處于側(cè)向力最

51、大的位置。-90-60-300306090060120180240300360工具面角()變井斜力(N)-550-500-450-400-350-300050100150200250300350400肘點方位()鉆頭側(cè)向力(N) . . . 29 / 39圖 4-2 一周鉆頭側(cè)向力的變化情況4.24.2 影響因素分析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，對改進(jìn)單彎螺桿結(jié)構(gòu)和組合形式，指導(dǎo)現(xiàn)場施工參數(shù)的指定，達(dá)到最佳的井斜控制效果具有重要的實踐意義。概括起來，影響單彎螺桿鉆具組合控制井斜的因素主要有：穩(wěn)定器安放位置、鉆壓、彎角、肘點位置以與井斜角等。下面就對這些影響因素進(jìn)行分析20

52、-25。在考慮螺桿鉆具降斜能力的影響因素時變化其中的一個參數(shù)，固定其它的參數(shù)。從得到的分析結(jié)果來看，由于單彎螺桿在轉(zhuǎn)動的時候，各種力學(xué)參數(shù)會隨之而變化，為了分析方便，取肘點方位為180時得到的計算結(jié)果進(jìn)行討論。4.2.14.2.1 穩(wěn)定器安放位置穩(wěn)定器安放位置穩(wěn)定器安放位置對單彎螺桿鉆具防斜、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)場工程師們最關(guān)心的問題。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。-900-800-700-600-500-400-3009.69.910.210.510.811.1穩(wěn)定器距鉆頭距離(m)鉆頭側(cè)向力(N) . . . 30 / 39

53、圖 4-3 穩(wěn)定器位置對鉆頭側(cè)向力的影響4.2.24.2.2 鉆壓鉆壓從圖4-4中可以看出，隨著鉆壓的增加，鉆頭側(cè)向力幾乎是沒有變化。圖 4-4 鉆頭側(cè)向力隨鉆壓的變化情況4.2.34.2.3 彎角彎角從圖4-5中可以看出，隨螺桿彎角的增加，上切點的位置向下移動，鉆頭側(cè)向力變大，穩(wěn)定處的彎矩也增大。圖4-5表示彎角對鉆頭側(cè)向力的影響，從圖中的情況來看，鉆頭側(cè)向力隨彎角幾乎是線性增加的。而且，彎角的增加可以使鉆頭側(cè)向力明顯的增加，這一點和鉆壓的影響是有區(qū)別的。所以，在實際的鉆井過程中，要更加有效的控制井斜，可以考慮增大彎角。-570-560-550-540-530-520020406080100

54、120140160鉆壓(kN)鉆頭側(cè)向力(N) -600-580-560-540-520-500-4800.40.60.811.21.4彎角()鉆頭側(cè)向力(N) . . . 31 / 39圖 4-5 鉆頭側(cè)向力隨彎角的變化情況4.2.44.2.4 肘點位置肘點位置單彎螺桿肘點（彎角處）的位置對鉆頭側(cè)向力是否有影響呢？影響有多大。這個問題對于螺桿結(jié)構(gòu)的改造，有很重要的作用。從圖4-6可以看出肘點位置的變化對鉆頭側(cè)向力有很大的影響，肘點位置的上移使得鉆頭側(cè)向力增加，螺桿的降斜能力減小。圖 4-6 鉆頭側(cè)向力隨肘點位置的變化情況4.2.54.2.5 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速從圖4-7可以看出轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的提高，

55、會使鉆頭側(cè)向力增加，增加的程度較小，但是提高轉(zhuǎn)速在實際的鉆井工程中，是可以更有效的防斜，這是因為轉(zhuǎn)速的提高，增加了鉆頭橫向切削的次數(shù)。-700-650-600-550-500-450-400405060708090100110轉(zhuǎn)速(r/min)鉆頭側(cè)向力(N)-800-700-600-500-400-30000.511.522.533.5肘點位置(m)鉆頭側(cè)向力(N) . . . 32 / 39圖 4-7 鉆頭側(cè)向力隨轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速變化趨勢圖4.2.64.2.6 井斜角井斜角圖4-8表示井斜角對鉆頭側(cè)向力的影響，從圖中的情況來看，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

56、。圖 4-8 鉆頭側(cè)向力隨井斜角的變化鉆頭側(cè)向力隨井斜角的增大而增大，這看上去是很矛盾的，因為要增大鉆頭側(cè)向力就必須增大井斜角。而現(xiàn)在研究的目的是控制井斜減小井斜角。實際上，研究這個問題目是想說明，單彎螺桿鉆具有很強(qiáng)的糾斜能力，井斜角越大，它控制井斜的能力就越強(qiáng)。單彎螺桿在直井中不僅有防止井斜的能力，同樣有糾斜的能力，這一點是比滿眼鉆具僅有控制井斜的能力要強(qiáng)?？梢钥闯觯悍€(wěn)定器安放位置距鉆頭越遠(yuǎn)鉆頭側(cè)向力越大；鉆壓對鉆頭側(cè)向力影響不明顯，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對鉆壓的影響也較??；彎角和肘點位置對鉆頭側(cè)向力有明顯的影響，適當(dāng)?shù)脑龃髲澖呛吞岣咧恻c位置可以增加鉆頭側(cè)向力；單彎螺桿鉆具組合在井斜角較大時顯示出較強(qiáng)的糾

57、斜能力。4.34.3 油田實例油田實例由現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析。鉆具組合1：215.9PDC+165螺桿（0.75）+LWD儀器+159無磁+159鉆鋌+127加重鉆桿+127斜坡鉆桿+127普通鉆桿鉆具組合2：215.9PDC +165螺桿（1.25）+159無磁+MWD+159無磁+159螺旋鉆鋌3根+127加重鉆桿+127鉆桿-1000-800-600-400-2000123456井斜角()鉆頭側(cè)向力(N) . . . 33 / 39鉆具組合3：215鉆頭+165螺桿（1.25）+LWD+411/4A10接頭+159無磁鉆鋌+4A11/410接頭+127加重鉆桿+127鉆桿鉆進(jìn)參數(shù)（鉆具組合1）：

58、鉆壓30-50KN、轉(zhuǎn)速30-40r/min、排量32L/s。鉆進(jìn)參數(shù)（鉆具組合2、3）：鉆壓30-80KN、轉(zhuǎn)速50-80r/min、排量30-32 L /s。表 4-1 主要測斜數(shù)據(jù)井號鉆具結(jié)構(gòu)穩(wěn)斜井段m井斜變化()井斜變化率()/(100m)-1Z70-P62組合 11728-180588.52-89.010.64G104-5P39組合 21670-177241.10-41.430.32G104-5P39組合 22130-218883.67-84.992.27G104-5P47組合 21543-187240.14-40.70.17M125-P1組合 31670-181640.87-41.830.65M125-P2組合 31696-179039.5-40.180.72應(yīng)用表明采用復(fù)合鉆具組合，整體穩(wěn)斜效果好。G104-5P39井斜變化率由0.32變化到2.27，這是因為隨著井斜角的增加，鉆頭側(cè)向力增加，導(dǎo)致井斜角增加。所以在進(jìn)行水平段鉆進(jìn)過程中要改用小彎角的螺桿鉆具組合（如Z70-P62井在進(jìn)行水平段時改用0.75的螺桿鉆具） ，可使鉆頭側(cè)向力減小。在改用小角度螺稈的