井下鉆具組合受力對井眼軌跡的影響技術研究

YANGTZEUNIVERSITY

畢業(yè)設計（論文）

題目名稱：竝15.9mm井眼的井下鉆具組合受力對井眼軌跡

的影響技術研究

院（系）： 石油工程學院

專業(yè)班級： 油工10808班

學生姓名：

指導教師：

輔導教師：

開題報告日期： 2012年4月2日

目錄

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畢業(yè)論文任務書 I

開題報告 II

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指導老師審查意見 III

評閱老師評語 IV

答辯會議記錄 V

摘要 VI

Abstract VII

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1 前言 I

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2緒論 2

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1國內(nèi)外研究簡況 2

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2.2鉆柱力學研究概述 2

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2.3鉆頭與地層互相作用研究概述 3

4本文主要研究內(nèi)容及方法 4

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3下部鉆具力學分析 5

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3.1下部鉆具力學分析模型 5

3.1.1下部鉆具結(jié)構(gòu) 5

3」.2下部鉆具力學分析模型基本假設 5

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2設置坐標系 5

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3.3下部鉆具組合力三維靜力分析的微分法 5

3.3.1微分方程 6

3.3.2邊界條件和連續(xù)條件 6

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4鉆頭與地層互相作用分析 8

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4.1鉆頭與地層的各向異性 8

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4.2鉆頭的等效化處理 8

4.3鉆頭與地層互相作用模型 9

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5下部鉆具造斜率簡便計算方法 12

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6下部鉆具井斜性能及影響因素分析 14

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6.1常用下部鉆具組合 14

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6.2穩(wěn)定器與井斜控制 15

6.2.1單穩(wěn)定器鉆具組合與井斜控制 15

6.2.2雙穩(wěn)定器鉆具組合與井斜控制 15

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6.3結(jié)果分析 17

6.4結(jié)論 19

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7總結(jié)與認識 20

參考文獻 22

致謝 23

長江大學畢業(yè)設計（論文）任務書

學院（系）石油工程專業(yè)石油工程班級油工10808

學生姓名 指導教師/職稱

畢業(yè)設計（論文）題目：

0215.9mm井眼的井下鉆具組合受力對井眼軌跡的影響技術研究

畢業(yè)設計（論文）起止時間：

2009年3月2日?2009年6月18日

畢業(yè)設計（論文）所需資料及原始數(shù)據(jù)（指導教師選定部分）

畢業(yè)設計（論文）應完成的主要內(nèi)容

畢業(yè)設計（論文）的目標及具體要求目標及具體要求：

6、完成畢業(yè)設計（論文）所需的條件及上機時數(shù)要求所需條件：石油犬字典、圖書館資料、學校機房（可上網(wǎng)）;上機時數(shù)：不少于50小時。

任務書批準日期

年

月

日

教研室（系）主任（簽字）

任務書下達日期

年

月

日

指導教師（簽字）

完成任務日期

年

月

日

學生《簽名〉

1-1

①315.9mni井下鉆具組合的受力對井眼軌跡的影響研究

指導老師：謝學明，江漢鉆井研究院

學生：徐陽，石油工程學院

一題目來源

畢業(yè)設計

二研究目的和意義

井眼軌跡是一口井實際的井眼軸線，其基本參數(shù)為井深、井斜角以及井斜方位角。一口井的井眼軌跡都是在初期鉆井工程設計屮確定好的。但在實地鉆井過程屮，往往有很多因素影響到實際井眼軌跡的形成。大致可分成三個方面：底部鉆柱的力學性能、地層巖石的狀態(tài)或應力和鉆頭與巖石的相互作用。在旋轉(zhuǎn)鉆井中，井眼的形成是鉆頭與地層相互作用的結(jié)果。在相互作用屮，鉆頭的力學特性(既鉆頭的機械作用力和轉(zhuǎn)角)是直接影響井眼軌跡的重要因素，它基本上取決于鉆具下部組合(簡稱BHA)的受力和變形。而一口井是否鉆成功的標準就是井眼軌跡是否是按照之前設定的軌道行進的，是否打到的油層，所以研究鉆具組合受力對井眼軌跡的影響也就顯得十分必要了°現(xiàn)在石油也是各國的戰(zhàn)略儲備和各種生產(chǎn)生活屮最重要的組成部分，一口井的鉆井成本也一直在幾百萬的水平，所以研究鉆具組合受力對井眼軌跡的影響無論從國家利益還是經(jīng)濟效益來看都有很重大的意義。

三閱讀的主要參考文獻及資料名稱

狄勤豐.滑動式導向鉆具組合復合鉆井時導向力計算分析[J].石油鉆采工藝,2000,22(1):14-16.

夏敘，管志川，史玉才等.底部鉆具組合參數(shù)設計的評價方法[J].石油大學學報(自然科學版),2005,29(4):48-51,63.

王洪光，肖利民，趙海艷等.連通水平井工程設計與井眼軌跡控制技術[J].石油鉆探技術，2007,35(2):76-78.

劉亞,狄勤豐.江蘇油田三種典型鉆具組合復合鉆井導向力計算分析[J].石油鉆探技

11

術,2001,29(2):19-21.

狄勤豐，岳硯華，彭國榮等.滑動式導向鉆具組合攵合鉆井導向力計算及影響參數(shù)[J].石油鉆探技術，2001,29(3):56-57.

李彥民.定向鉆井BIIA受力分析、井斜控制技術研究及應用[D].中國石油大學(北京),2007.

王彥祺.井底鉆具組合受力分析方法研究與應用[J].石油天然氣學報,2011,33(12):102-105.

王敏生.氣體鉆井條件下的鉆柱動力學特性及防斜技術研允[D].中國石油大學(華東),2009.

⑼馮長青，彭勇.旋轉(zhuǎn)導向鉆井工具B1IA側(cè)向力的有限元仿真[J].石油機械,2006,34(9):14-16.

于文平.滑動導向鉆井在復合鉆進時井底鉆具組合的受力分析及應用[D].中國礦業(yè)大學，2003.

F.Akgun.AfiniteelementmodleforanalyzinghorizontalwellBHAbehavior[J].JournalofPetroleumScience&Engineering,2004,42(2/4):121-132.DO上10.1016/j.petrol.2003.12.005.

KengH.Kok,JohnPruimboom,FrankM.Davidetal.GeostoppingWithResistivity-ForwardModelingToPreventDrillingIntoTheLost-CirculationZoneofaProlificCarbonateReservoir[J].SPEDrilling&Completion,2005,20(4):276-280.

SandeepJanwadkar,OlofHummes,CarstenFreyeretal.InnovativeDesignRotarySteerableTechnologiesOvercomeChallengesofComplexWellProfilesinaFastGrowingUnconventionalResource-WoodfordShalefC].//SPE/IADCDrillingConference&Exhibition.2009:SPE/IADC1-.

[14JA丄ESEULTRE,E.LAMINE,SecurityDBSetal.AnInstrumentedBit:AnecessarysteptotheintelligentBHA[C].//IADC/SPEDrillingConference.1998:457-463.

范森，范存，刑淑芳等.下部鉆具組合三維大撓度微分方程的詳細推導[J].大慶石油學院學報，2005,29(2):34-39.

孫海芳，賀兆順，楊成新等.超薄油藏水平井鉆井技術[JL石油鉆探技術，2002,30(4):15-17.

王愛國，王敏生，唐志軍等.深部薄油層雙階梯水平井鉆井技術[J]?石油鉆探技術,2003,31(3):13-15.

史玉才，艾中華，管志川等.弱降斜鉆具組合在大斜度井眼中的應用效果分析[J].石油鉆探技術,2008,36(1):13-15.

管志川，夏離，王國勝等.底部鉆具組合的參數(shù)設計及優(yōu)化方法[J]?石油鉆采工藝,2006,28(4):10-13.

彭國榮，狄勤豐.滑動導向鉆具組合復合鉆井導向能力預測方法研究[J].石油鉆探技術，2000,28(6):4-5.

狄勤豐.下部鉆具組合造斜能力的影響因素分析[J].石油鉆探技術,2000,28(1):39-41.

杜旭東，張慧，曾玉斌等.定向井常用鉆具組合[J]?石油礦場機械,2009,38(5):44-47.

余志清.用井下閉環(huán)可變徑穩(wěn)定器控制大位移井的井眼軌跡方法研究[J].石油鉆探技術，2001,29(2):49-51.

狄勤豐，彭國榮.井眼軌跡參數(shù)對鉆頭側(cè)向力的影響規(guī)律研究[J]?西安石油學院學報，2000,15(6):20-23.

帥健，劉春.狡接式鉆具組合的動力學分析[J].石油礦場機械,2001,30(5):15-18.

四國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢與研究的主攻方向

所謂井眼軌跡預測就是通過對井眼軌道內(nèi)鉆具力學建?；?qū)嶃@井眼軌跡資料進行統(tǒng)計分析等手段來建立井眼軌跡預測目標函數(shù)，從而指導軌跡設計、優(yōu)化下部鉆具組合、預測實鉆井眼軌跡參數(shù)、提高軌跡控制精度的一種科學方法。科學的井眼軌跡設計方法和精確的井眼軌跡預測與控制技術是確保定向井、叢式井、水平井、大位移井、老井重鉆、復雜結(jié)構(gòu)井(如多底井)等一系列特殊工藝井鉆井成功、降低鉆井成本的關鍵技術。對于復雜鉆井問題，國內(nèi)目前的研究還處于探索階段，20世紀90年代國外在水平井技術，深井、超深井鉆井技術，大位移鉆井技術，連續(xù)導管鉆井技術，小井眼鉆井技術，欠平衡鉆井技術等方面走向成熟；我國目前己經(jīng)掌握了常規(guī)的水平井、老井側(cè)鉆及深井鉆井技術等，但在上述其它鉆井技術領域與國際先進水平相比仍有較大差距。為了縮短我國與先進國家在鉆井技術方血的差距，特別是為了發(fā)展我國在復雜結(jié)構(gòu)井、大位移井及連續(xù)導管鉆井等方面的鉆井技術，不僅應該開展井眼軌跡控制理論及工具的研究，更應

該開展科學的井眼軌跡預測理論及方法研究。

科學的井眼軌跡預測方法是鉆井工程屮的關鍵技術它是進行精確、高效井眼軌跡控制的前提。在國內(nèi)外鉆井工程歷次技術革新中井眼軌跡的預測方法與控制技術都是研究的熱點和難點，井眼軌跡預測與控制關系到井身質(zhì)量、鉆井速度和鉆井成本。

目前，井眼軌跡預測理論及方法基本上可以分為以下幾類：①根據(jù)已鉆井眼軌跡參數(shù)用幾何作圖法或分析法預測井眼軌跡；②綜合考慮下部鉆具組合的力學與結(jié)構(gòu)特性和鉆頭與巖石互作用，建立相應的預測模式預測井眼軌跡；③分析影響井眼軌跡的若干主要因素，建立相應的理論模式，模式中的部分參數(shù)需要通過統(tǒng)計分析確定」。

笫一類方法根據(jù)實際使用鉆具類型和原井眼軌跡參數(shù)，利用實際的井眼軌跡計算方法預測井眼，它沒有考慮鉆具的結(jié)構(gòu)和力學特性以及鉆頭與巖石互作用對井眼軌跡的彫響。第二類方法認為井眼軌跡的形成不僅與下部鉆具組合的受力狀態(tài)和變形特征有關，而且與鉆頭及鉆頭與地層互作用有關。對下部鉆具組合的分析給出了鉆頭上的機械作用力，而對鉆頭與地層互作用的分析則提供了作用在鉆頭上的地層力。綜合考慮上述兩種因素，然后通過鉆頭與巖石互作用模型的具體體現(xiàn)形式一一三維鉆速方程可以計算出井眼軌道上任一點在平動坐標系中的鉆速分量，再結(jié)合原井斜角和方位角即可計算出新井斜角和方位角，從而實現(xiàn)井眼軌跡的預測，這類方法建立的理論模型比較合理，且模型中需要實驗或統(tǒng)計分析來確定的參數(shù)相對較少、易于編程實現(xiàn)，所以該類方法應用較廣泛。第三類方法認為井眼軌跡的形成受眾多確定因素和隨機因素的綜合影響，影響井眼軌跡的諸多參數(shù)如鉆具組合、鉆井參數(shù)、井眼幾何形狀及地層參數(shù)對鉆進方向的影響比較復雜，有些參數(shù)無法取全取準或者無法準確分析各影響因素的貢獻權重，因此有必要將理論計算和實鉆數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)合起來，才能使得建立的預測模式更符合實際。這類方法在分析影響井眼軌跡的主要參數(shù)的基礎上建立相應的理論模式，然后通過實鉆數(shù)據(jù)統(tǒng)訃分析確泄理論模式中的待定系數(shù)，從而形成理論計算與統(tǒng)計分析相結(jié)合的預測模式。

五主要研究內(nèi)容、需重點研究的關鍵問題及解決思路

井眼軌道控制理論和技術是石油鉆井工程的基礎和關鍵。隨著定向井、叢式井和水平井的發(fā)展，井眼軌道控制難度不斷增加。當前面臨的一個重要問題是如何開展進一步的理論研究,如何把現(xiàn)有的理論成果轉(zhuǎn)化為實際控制手段，以提高控制精度和降低鉆井成本。

下部鉆柱力學性能是影響井眼軌跡的主要因素之一。在常規(guī)定向井軌跡控制技術中.井斜角控制問題已基本解決，困難的是方位角控制。采用有限元法求解的有米爾赫蒙(MTlheim,1978年)

11-3

等，他們系統(tǒng)研究了靜態(tài)和動態(tài)三維下部鉆柱力學特性，對定向并下部鉆柱力學汁算和軌跡控制技術作出了杰出貢獻。這里將采用有限單元法對下部鉆柱進行了靜態(tài)力學性能分析。

六完成畢業(yè)設計（論文）所必須具備的工作條件（如工具書、計算機輔助設計、某類市場調(diào)研、實驗設備和實驗環(huán)境條件等）及解決的辦法。

通過學校的網(wǎng)上圖書館中文數(shù)據(jù)庫查閱與本課題相關的參考資料，發(fā)展趨勢，研究主攻方向。

利用教育網(wǎng)的石油字典來查詢陌生晦澀的專業(yè)詞匯，以求對外國文獻的確切了解。

計算機輔助建立鉆具組合力學模型

設計必備工具書：

《井眼軌跡控制》 石油人學出版社

《鉆井力學基礎》 石油工業(yè)出版社

七工作的主要階段.進度與時間安排

序號

畢業(yè)設計（論文）各階段內(nèi)容

時間安排

備注

1

查閱資料

1周

2

完成開題報告

1?2周

3

翻譯

3-4周

4

完成理論準備與實驗，畢業(yè)設計方案與實驗數(shù)

據(jù)計算處理

4?8周

5

完成論文撰寫

9-11周

6

論文修改、裝訂，多媒體PPT制作，準備答辨

12-13周

7

8

八指導教師審查意見

指導教師意見：

該論文選題務實，緊跟鉆井一線施工現(xiàn)狀，具有很強的科研性和使用性。針對215.9mm小井眼，從井下鉆具組合入手，結(jié)合經(jīng)典力學模型，分析其在小井眼中的受力情況，并根據(jù)井眼軌跡的各影響因素，綜合分析小井眼的軌跡控制問題。研究內(nèi)容適中，要求具有一定的基礎理論知識和查閱專業(yè)相關文獻的能力。該牛提出的研究計劃和時間安排有很好的可行性，符合論文要求。

同意開題。

填寫說明：查閱資料是否全面，提出的研究方案和計劃進度是否可行，還有什么需要注意和改進的方面，是否同意按學生提出的計劃進行等。

指導教師簽名： 審核日期： 年—月—H

學生姓名

徐陽 專業(yè)班級

油工10808

畢業(yè)論文（設計）題目

血15.9mm井眼的井下鉆具組合受力對井眼軌跡的影響技術研究

指導教師

謝學明 職稱 高工

評審日期

評審參考內(nèi)容：畢業(yè)論文（設計）的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學生的學習態(tài)度和組織紀律，學生掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文（設計）是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。

評審意見：

井眼軌跡是一口井實際的井眼軸線，但在實地鉆井過程中，往往有很多因素影響到實際井眼軌跡的形成。大致可分成三個方面：底部鉆柱的力學性能、地層巖石的狀態(tài)或應力和鉆頭與巖石的相互作用。在旋轉(zhuǎn)鉆井中，井眼的形成是鉆頭與地層相互作用的結(jié)果。在相互作用中，鉆頭的力學特性（既鉆頭的機械作用力和轉(zhuǎn)角）是直接影響井眼軌跡的重要因素，它基本上取決于鉆具下部組合（簡稱BHA）的受力和變形。

該論文針對215.9mm小井眼，從井下鉆具組合入手，結(jié)合經(jīng)典力學模型，分析其在小井眼中的受力情況，并根據(jù)井眼軌跡的各影響因素，綜合分析小井眼的軌跡控制問題。該生查閱了大量的專業(yè)相關文獻，專業(yè)基礎理論知識較強，文中采用有限單元法對下部鉆柱進行了靜態(tài)力學性能分析。模型的選擇合適，得出的結(jié)論正確。

該生在論文準備期間，學習態(tài)度積極，勤學好問，能在規(guī)定的時間內(nèi)完成各種任務，具有查閱專業(yè)知識文獻的技能，對所學專業(yè)知識的應用能力很強。論文結(jié)構(gòu)完整，思路清晰，達到了學士學位論文的要求和水平。

同意參加答辯。

指導教師簽名： 評定成績（百分制）： 分

學生姓名

專業(yè)班級

畢業(yè)論文（設計）題目

評閱教師

梁定火 職稱 高工

評閱日期

評閱參考內(nèi)容：畢業(yè)論文（設計）的研究內(nèi)容、研究方法及研究結(jié)果，難度及工作量，質(zhì)量和水平，存在的主要問題與不足。學生掌握基礎和專業(yè)知識的情況，解決實際問題的能力，畢業(yè)論文（設計）是否完成規(guī)定任務，達到了學士學位論文的水平，是否同意參加答辯。

評語：

井眼軌道控制理論和技術是石油鉆井工程的基礎和關鍵。隨著定向井、叢式井和水平井的發(fā)展，井眼軌道控制難度不斷增加。當前而臨的一個重要問題是如何開展進一步的理論研究，如何把現(xiàn)有的理論成果轉(zhuǎn)化為實際控制手段,以提高控制精度和降低鉆井成本。

該論文針對215.9mm小井眼，從井下鉆具組合入手，結(jié)合經(jīng)典力學模型，分析其在小井眼中的受力情況，并根據(jù)井眼軌跡的各影響因素，綜合分析小井眼的軌跡控制問題。該生查閱了大量的專業(yè)相關文獻，專業(yè)基礎理論知識較強，文中采用有限單元法對下部鉆柱進行了靜態(tài)力學性能分析。模型的選擇合適，得出的結(jié)論正確。下部鉆柱力學性能是影響井眼軌跡的主要因素之一。文中系統(tǒng)研究了靜態(tài)和動態(tài)三維下部鉆柱力學特性，對定向并下部鉆柱力學計算和軌跡控制技術作出了研究。作者采用有限單元法對下部鉆柱進行了靜態(tài)力學性能分析，針對小井眼的井眼軌跡問題，深入分析了各影響因素。

該生熟悉和掌握了查閱專業(yè)知識文獻的技能，對所學專業(yè)知識的應用能力很強。論文結(jié)構(gòu)完整，思路清晰，結(jié)論合理，有較強的應用性。達到了學士學位論文的要求和水平。

同意參加答辯。

評閱教師簽名： 評定成績（百分制）： 分

學生姓名

專業(yè)班級

畢業(yè)論文（設計）題目

答辯時間

年 月 日? 時答辯地點

一、答辯小組組成

答辯小組組長：

成員：

二、答辯記錄摘要

答辯小組提問（分條摘要列舉）

學生回答情況評判

三、答辯小組對學生答辯成績的評定（百分制）： 分

畢業(yè)論文（設計）最終成績評定（依據(jù)指導教師評分、評閱教師評分、答辯小組評分和學校關于畢業(yè)論文（設計）評分的相關規(guī)定）

等級（五級制）：

答辯小組組長（簽名）： 秘書（簽名）： 年月 日

院（系）答辯委員會主任（簽名）： 院（系）（蓋章）

wy;

學生：徐陽，石油工程學院

指導教師：謝學明，江漢鉆井院

【摘要】:

1?有關鉆柱力學的研究成果已比較多，BHA分析發(fā)展到三維動態(tài)模型和幾何非線性模型，井眼中阻力分析已有“軟繩”模型發(fā)展到“硬繩”模型。然而，鉆柱力學的研究仍不完善，所假設的力學模型尚有改進的必要，所采用的多樣化分析方法和計算方法尚待優(yōu)選，還有許多細節(jié)問題需要進一步推敲。

在鉆頭與地層互相作用研究方而，雖然已建立了若干定性理論和定量理論，但是遠未達到理想的程度，還存在不少問題：鉆頭與橫觀各向同性地層互相作用模型仍不完善；鉆頭與正交各向異性地層互相作用模型尚未建立完全；對于地層及鉆頭的各向異性鉆井特性，還缺少全面的認識和深入的理解。

在井眼軌跡控制技術方面，研究的主要內(nèi)容包括硬件（井下專用工具）的研制和軟件（計算機模擬程序）的開發(fā)。單就軟件的研究情況而言，目前的水平已初步達到對井眼軌跡進行定量預測和控制計算，但是實際效果仍不理想，控制技術的水平還不穩(wěn)定，特別是井斜方位控制技術方面，還沒有從根本上得到解決。

【關鍵詞】:鉆具組合鉆柱力學模型井眼軌跡穩(wěn)定器

215.9mmwellwellunderBHAforceofinfluenceonthe

trajectoryoftechnologyresearch

Student:yangxu5Yangtzeuniversity

adviser:xuemingxie

[Abstract]Onthebasisofcarefulresearch,welltrajectorycontroltheoryandtechnologycanmakethefollowingconclusions:

ResearchresultsonthedrillstringmechanicsofBHAanalysistothethree-dimensionaldynamicmodelandthegeometricnonlinearmodel,theboreholeresistancehasbeenthedevelopmentof"softropemodeltothemodelof1hardrope.Thedrillstringmechanics,however,isstillnotperfect,themechanicalmodelassumptionsstillneedforimprovement,thediversityofanalyticalmethodsusedandmethodofcalculationhasyettobepreferred,therearemanydetailsthatneedfurtherscrutiny.

Drillandformationinteractionhasbeenestablishedanumberofqualitativetheoryandquantitativetheory,butfarfromtheideallevel,manyproblemsstillexist:theinteractionmodelofthedrillandtransverselyisotropicformationisstillnotperfect;drillandorthotropicstratuminteractionmodelhasnotbeenestablished;fortheanisotropicdrillingcharacteristicsofthestrataandthedrillbit,thelackofcomprehensiveunderstandingandin-depthunderstanding.

Inthewelltrajectorycontroltechnology,thedevelopmentofthemaincontentofthestudyincludethedevelopmentofhardware(Undergroundspecialtools)andsoftware(computersimulationprogram).Software,thecurrentlevelhasreachedapreliminaryquantitativepredictionandcontrolofcomputingthewelltrajectory,buttheactualeffectisnotsatisfactory,thelevelofcontroltechnologyisnotstable,especiallytheinclinationorientationcontroltechnologyhasnotbeenfundamentallyresolved.

[keywords]:BHADrillstringMechanicalmodelWelltrajectory

Stabilizer

vn

4）215.9mm井眼的井下鉆具組合受力對井眼軌跡的影響

技術研究

1前言

所謂井眼軌跡控制就是通過對井眼軌道內(nèi)鉆具力學建?；?qū)嶃@井眼軌跡資料進行統(tǒng)計分析等手段來建立井眼軌跡預測目標函數(shù)，從而指導軌跡設計、優(yōu)化下部鉆具組合、預測實鉆井眼軌跡參數(shù)、提高軌跡控制精度的一種科學方法。

在旋轉(zhuǎn)鉆井屮，井眼的形成是鉆頭與地層相互作用的結(jié)果。在相互作用中，鉆頭的力學特性（即鉆頭的機械作用力和轉(zhuǎn)角）是直接影響井眼軌跡的重要因素，它基本上取決于鉆具下部組合（簡稱BHA）的受力和變形。因此，影響井眼軌跡的主要因素一般應包括BIIA結(jié)構(gòu)（包括鉆頭）、鉆并操作參數(shù)、已鉆井眼幾何及待鉆地層特性等。其中,BIIA結(jié)構(gòu)和鉆井操作參數(shù)，是可以人為控制的主觀因素，而地層特性則是不可人為改變的客觀因素；井眼幾何在鉆前是預測和控制的對象，在鉆后則可通過測斜而獲知。井眼幾何的形成，既與主觀因素有關，也受客觀因素的影響。同時，已鉆成的井眼幾何又會產(chǎn)生反作用。它不僅對BIIA結(jié)構(gòu)的受力變形具有較大影響，而且對地層的各向異性鉆井效應也有不可忽視的作用。

井眼軌跡控制問題，是鉆井工程學中的重大研究課題Z-,國內(nèi)外都十分重視它的研究。長期以來，國內(nèi)外有關學者和技術專家，為解決井眼控制軌跡理論和技術問題作出了堅持不懈的艱苦努力，已取得了許多科研成果和施工經(jīng)驗。然而，由于問題的復雜性和不斷出現(xiàn)的新難題，關于井眼軌跡控制理論和技術的研究仍舊很不完善，還存在不少問題需要進一步深入研究。

本文在認真調(diào)研國內(nèi)外研究情況的基礎上，著重從三個方面開展進一步研究。本文第一部分與第二部分的研究內(nèi)容，主要是關于井眼軌跡控制的研究，試圖進一步發(fā)展鉆柱力學理論和展現(xiàn)鉆頭和地層的互相作用實質(zhì)。本文的第三部分，則注重技術開發(fā)研究，試圖在理論研究的基礎上探索解決實際技術問題的有效方法。

2緒論

2.1國內(nèi)外研究簡況

井眼軌跡控制問題，是鉆井工程的基本問題之一，在國內(nèi)外受到普遍重視。關于井眼軌道控制問題的研究，迄今己有四十多年的發(fā)展歷史。在這個歷史過程中，國內(nèi)外有關專家和學者從鉆柱力學（特別是下部鉆具組合的受力和變形分析）、鉆頭與地層相互作用及井眼軌跡預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不斷得到發(fā)展和完善。在50年代和60年代，人們的研究是以井斜控制理論和技術為主題，以解決“防斜打直”問題為研究目標。進入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，既要求對井斜角進行控制，又要求對井斜方位進行嚴格控制。

2鉆柱力學研究概述

鉆柱力學是指應用數(shù)學、力學等基礎理論和方法，結(jié)合實驗以及井場資料等數(shù)據(jù)綜合研究受井眼約束的鉆柱的力學行為的工程科學。開展鉆柱力學研究，對鉆柱進行系統(tǒng)、全面、準確的力學分析，在井眼軌道設計與控制、鉆柱強度校核、鉆柱結(jié)構(gòu)和鉆井參數(shù)優(yōu)化等方面都具有重要意義。鉆柱力學研究己經(jīng)有五十多年的發(fā)展歷史，許多研究成果已經(jīng)應用到生產(chǎn)實踐并產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益，但由于鉆柱在充滿流體的狹長井筒內(nèi)處于十分復雜的受力、變形和運動狀態(tài)，直到今天仍然無法做到對鉆柱力學特性的準確描述和和精確的定量計算。近年來，隨著欠平衡井、深井、超深井、水平井、大斜度井和大位移井在油氣勘探開發(fā)中所占的比重越來越大，井眼軌道控制、鉆具疲勞失效、鉆井成本等問題逐年突出，對鉆柱力學研究提出了更高的要求。與現(xiàn)代鉆井技術發(fā)展相適應，鉆柱力學必然朝著更貼近井眼實際工況、控制和計算精度更高的方向快速發(fā)展。

在鉆柱力學長期發(fā)展中，經(jīng)過不斷的優(yōu)化和比較，形成了兒種比較典型的研究方法，即經(jīng)典微分方程法、能量法、有限差分法、縱橫彎曲連續(xù)梁法、有限元法和加權余量法。

經(jīng)典微分方程法是鉆柱力學中應用最早的研究方法。該方法要求在滿足經(jīng)典材料力學的基本假設的前提下，建立鉆柱線彈性的經(jīng)典微分方程并求解。這種方法在考慮

緒論

因素較多時，建立的微分方程很復雜，用經(jīng)典微分方程法求解比較困難。能量法是一種求解簡單的彈性力學問題的方法。它要求勢能函數(shù)不僅要滿足彈性力學的控制方程，而口要滿足邊界條件，通過解的形式的假設及有關參數(shù)的確定，可得到問題的解答。由于滿足以上2個條件是一件非常困難的事情。因此，這一方法的應用受到了限制。

有限差分法是一種近似方法。是通過對鉆柱進行力學分析得到鉆柱微分方程式，再通過適當?shù)牟罘洲D(zhuǎn)換將位移控制方程轉(zhuǎn)化為差分的形式求解。由于差分方程的系數(shù)是可變的，因此可以很容易考慮非線性的影響；同吋，由于差分區(qū)間可以減小，可以比較容易考慮井眼的約束。但是要得到精確的解答，差分區(qū)間必須取得很小，這樣就使矩陣的維數(shù)增加，降低了計算速度。對于鉆柱力學來說，有限差分法是一種有效的近似計算方法。

縱橫彎曲連續(xù)梁法是一種精確解法，這種方法是將鉆柱視為相互聯(lián)系的縱橫彎曲的連續(xù)梁，應用材料力學中的三彎矩方程建立一組非線性代數(shù)方程，該方程物理概念清楚，計算簡單，U速度較快。由于這種方法是將三維空間問題分解成2個獨立的二維問題求解，力學模型簡化得太多，忽略了扭矩及可能的力和變形的耦合問題。這種方法在國內(nèi)得到了推廣和應用。

有限元法也是一種近似數(shù)值計算方法，這種方法是通過將鉆柱分解為有限的離散梁單元，再通過適當?shù)暮铣煞椒▽⑦@些單元組合成一個整體，用以代表原來的鉆柱狀態(tài)，并最終得到一組以節(jié)點位移為未知量的代數(shù)方程組。有限元法的物理概念清楚、簡單，實用性強。不限制鉆柱的材料和幾何形狀，且對單元尺寸也無嚴格的要求；又可以較容易地考慮非線性的影響。目前發(fā)展的接觸有限元法，考慮了鉆柱、穩(wěn)定器與井壁之間的初始接觸摩擦力，力學模型比較準確，考慮因素較多，解題的速度雖然是這幾種方法中最慢的，但也可滿足需要。

加權余量法是一個求解微分方程定解問題的強有力的數(shù)值方法，具有簡便、準確、工作量小、殘差可知等優(yōu)點，已成功地用于下部鉆具組合的大小撓度力學分析中；當然，要進一步提高精度就得增加試函數(shù)項數(shù)，也會增加一些運算量。

未來的鉆井技術必然走向自動化、智能化，鉆柱力學研究是前提和基礎。與現(xiàn)代鉆井技術的發(fā)展相適應，基礎理論研究、系統(tǒng)控制論理論與方法、動態(tài)特性測試技術及系統(tǒng)虛擬仿真技術將成為鉆柱力學未來發(fā)展的主要方向。

2.3鉆頭和地層互相作用研究概述

在鉆井過程中，鉆頭與地層的相互作用是影響井斜的重要因素。前人已建立了多種分析和計算井斜及井眼軌跡的數(shù)學模型。80年代，人們又提岀了鉆頭各向異性理論和正交各向異性地層理論，從而使描述井眼軌跡的數(shù)學模型更接近鉆井實際。然而，這些模型不能直接應用于鉆井實際。其原因是模型中所涉及的地層和鉆頭各向異性參數(shù)還難以準確確定，模型也沒有得到充分檢驗。同時這些模型比較復雜，既不便于對井眼軌跡做定性計算，也不便于對井眼軌跡做定量計算。木文在對鉆頭做等效化處理的基礎上，引入各向異性地層的概念，建立一個簡便、實用的鉆頭與地層相互作用模型。通過對實鉆井斜資料的統(tǒng)計分析，尋找井斜的規(guī)律性，從而驗證模型的正確性。

鉆頭與地層相互作用模型是一種較為準確的模型，它能夠綜合考慮鉆頭與地層的各向異性，是一種通過鉆井實踐和室內(nèi)實驗不斷發(fā)展起來的理論。主要有各向異性層理論、地層造斜力理論、三維鉆速方程、觀各向同性地層有限元模式。這幾種鉆頭與地層相互作用模型都綜合考慮了鉆頭與地的各向異性，從理論上講都能夠較準確計算鉆具造斜率。但是這些模型都需要較多的地層參數(shù)和鉆頭參數(shù)，如地層和鉆頭的各向異性指數(shù)、地層彈性模量、巖石破碎指數(shù)等，這些參數(shù)都隨不同油田、不同區(qū)塊、不同井深發(fā)牛變化，在實際應用中很難選取，從而限制了這些方法在鉆井工程中的應用。

2.4研究的主要內(nèi)容及方法

在我認真調(diào)研的基礎上，對井眼軌跡控制理論和技術可作出如下結(jié)論：

1.有關鉆柱力學的研究成果已比較多，BHA分析發(fā)展到三維動態(tài)模型和兒何非線性模型，井眼中阻力分析已有“軟繩”模型發(fā)展到“硬繩”模型。然而，鉆柱力學的研究仍不完善，所假設的力學模型尚有改進的必要，所采用的多樣化分析方法和計算方法尚待優(yōu)選，還有許多細節(jié)問題需要進一步推敲。

2?在鉆頭與地層互相作用研究方面，雖然己建立了若干定性理論和定量理論，但是遠未達到理想的程度，還存在不少問題：鉆頭與橫觀各向同性地層互相作用模型仍不完善；鉆頭與止交各向界性地層互相作用模型尚未建立完全；對于地層及鉆頭的各向異性鉆井特性，述缺少全面的認識和深入的理解。

3?在井眼軌跡控制技術方面，研究的主要內(nèi)容包括碩件（井下專用工具）的研制

下部鉆具力學分析

和軟件（計算機模擬程序）的開發(fā)。單就軟件的研究情況而言，目前的水平已初步達到對井眼軌跡進行定量預測和控制計算，但是實際效果仍不理想，控制技術的水平還不穩(wěn)定，特別是井斜方位控制技術方面，還沒有從根本上得到解決。

本文將在前人研究的基礎上，采用巖石可鉆性方法建立一個鉆頭與正交各向異性地層的相互作用模型，并給出比較合理實用的BHA力學模型，最后闡明了井眼軌跡控制技術原理。

卜?部鉆具力學分析

3下部鉆具力學分析

下部鉆具靜力學分析能夠方便、快速地得到鉆頭處的受力變形值，為鉆具造斜率計算提供可靠的力學參數(shù)，其理論方法和應用效果一直受到鉆井界的關注，已在生產(chǎn)中得到廣泛應用。為此，木論文將從下部鉆具的實際工作狀態(tài)出發(fā)，結(jié)合已有的研究成果，對下部鉆具靜力學模型、理論分析方法進行研究。

1下部鉆具力學分析模型

根據(jù)定向井鉆柱工作狀態(tài)，選取下部鉆具為研究對象，在考慮鉆具結(jié)構(gòu)、上下邊界基礎上，著重考慮了鉆具與井壁的接觸摩擦非線性、鉆具自重分力和鉆壓引起的縱向彎曲兒何非線性，建立了下部鉆具雙重非線性力學模型。其模對鉆具結(jié)構(gòu)和邊界條件的處理情況如下：

3.1.1下部鉆具結(jié)構(gòu)

下部鉆具結(jié)構(gòu)主要指下部鉆具軸線的空間結(jié)構(gòu)和鉆具截面的幾何結(jié)構(gòu)。下部鉆具的空間結(jié)構(gòu)為已鉆井眼軸線形態(tài)，一般由測斜數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)學冋歸得出，是一條不同曲率的空間螺線組合，不同井眼的下部鉆具將有不同的空間結(jié)構(gòu)。鉆具的幾何結(jié)構(gòu)主要是環(huán)狀的軸對稱結(jié)構(gòu)，其環(huán)形內(nèi)外徑可以任意給定，對鉆具組合中的鉆桿、鉆鋌、穩(wěn)定器、彎接頭等特殊鉆具的安放位置和個數(shù)不受限制。

3.1.2下部鉆具力學分析模型基本假設

（1）下部鉆具各結(jié)構(gòu)單元均處于彈性狀態(tài)；（2）下部鉆具各結(jié)構(gòu)單元為圓形截面；（3）鉆頭與地層間無彎矩存在；（4）井壁與井眼軸線平行，在接觸點處對鉆具剛性支撐;（5）在切點以上鉆柱躺在井壁下邊；（6）略去柱、鉆井液的動力效應；（7）施加于鉆具上的扭矩可以沿鉆柱有所變化.但分段為常量。

3.2設置坐標系

文中坐標系：（1）肓角笛卡爾井眼底部坐標系oxyz：原點。在鉆頭處；z軸井眼軸線，指向鉆柱上部，單位矢量為e3；x軸垂直于z軸，指向井眼低邊，單位矢量為e】；y軸由右手法則確定，單位矢量為e2。（2）直角笛卡爾鉆頭軸線坐標系oxbybzb:在該坐標系中，Zb軸沿鉆柱變形后的切線方向指向鉆柱上部，單位矢量為f3；X】軸垂直于

N軸指向井眼低邊，單位矢量為h；*軸按右手法則確定，單位矢量為『2。（3）直角卡爾地層坐標系oxryrzro在該坐標系中。Z,軸沿地層法線方向指向上方，單位矢量為g3；x「軸沿地層傾向向下，單位矢量為gi；yf與地層走向線重合，并與勻N,Xf成右手關系，單位矢量為創(chuàng)o

3.3下部鉆具組合力三維靜力分析的微分法

3.3.1微分方程

下部鉆具組合為縱橫彎曲梁柱，由n—1個穩(wěn)定器、彎角和接觸點分割成n個獨立結(jié)構(gòu)單元，處于三維彎曲井眼里，受自重、鉆壓、扭矩、井壁支撐反力及鉆井液靜水壓力等作用，產(chǎn)生空間彎曲變形。井眼軸線為R=Xei4Ye2+Zeao鉆柱軸線用r=Ue1+V&2+Wea,表示。根據(jù)平衡方程和本構(gòu)方程，推導出下部鉆具三維靜力大撓度微分方程組；

的吋-U；W）E山+TRQ（味8孟-場-色-lq』lg網(wǎng)* ⑴

（U；咱-V嚴"）昭+啊“=（氐-咖IK洞-務呼 丿

其屮（誓；cr=^-；（嚴=菩-；1為沿鉆柱軸線的曲線坐標，以i段鉆柱的底端為起點；Ei為彈性模量;,L為截面慣矩；「為所受扭矩；q：為鉆井液屮的線密度；心為井斜角；Ui,Vi,W：為位移或坐標；B：為鉆柱下部7方向的壓力，i=1時為鉆壓；Sxi為X方向的分力，i二1時為降斜力；Syi為y方向的分力，i二1時為增方位力。

當1二0是，由（1）得出

"尹一 WC

wL（（n

⑵

3.3.2邊界條件和連續(xù)條件

根據(jù)坐標系的取法，鉆頭位移為零，鉆頭與地層間無彎矩作用，為此:

在各穩(wěn)定器或接觸點處?鉆柱位于井眼中心或在某一方向上偏離井眼中心一定距離，穩(wěn)定器兩側(cè)鉆柱坐標及其一次導數(shù)連續(xù)、彎矩連續(xù)：

Hb)=咕1@)=偽+q?s5L)e1+(X+qsin^)&2+Z島

r；仰二認)

E山if(L"E出Im紅(0)

其中X“Yi，Zi為i段鉆柱下端的井眼中心坐標；&為i段鉆柱下端的偏心距；山為i段鉆柱下端的偏心方向角。

彎角兩端鉆柱坐標連續(xù)，導數(shù)有一個與彎角和裝置角有關的差值，彎矩連續(xù)、內(nèi)力連續(xù)：

r1(L1)=rH1(0)=[Uj+1(0)+sinV-coswJex+[￥^^(0)一slnWiSlnooJen

+-^*1—[Uj41(U)+sln0lco8tol]2- sla&iSlnwJ-ea卜 (5

鈿g-Bj41I|41?l41⑼

P|(M=pftiW

)

其中久為i段鉆柱上端彎角；m為i段鉆柱上端彎角的裝置角；F為鉆柱內(nèi)力。

切點處鉆柱躺在井壁下端，其坐標的一、二次導數(shù)均與該點井眼的對應值近似相

等；

臥“=皿+嚀％I

鉆具變形受到井壁的限制，必須滿足

其中IX為井徑；九為i段鉆柱的直徑。

4鉆頭和地層互相作用分析

由于地層各向異性及鉆頭各向異性的影響，結(jié)果是在鉆井過程中鉆頭的位移方向

并非與其機械合力方向一致。因此，在建立鉆頭與地層相互作用模型時，除了考慮鉆

頭的機械力學特性以外，還必須充分考慮地層和鉆頭的各向異性鉆井特性。

1鉆頭和地層的各向異性

Lubinski和Woods定義的地層各項異性指數(shù)表達式為

其中，h為地層各項異性指數(shù)，K平為平行層面的可鉆性；K言為垂直層面的可鉆性。Lahinski和Woods認為，在平行層面內(nèi)可鉆性是沒有方向性的。地層的這種各向異性也常被人們稱為橫觀備向同性。正交各向異性是指地層在沿法向、傾向和走向的可鉆性各不相同。描述地層的正交各向異性需要兩個獨立的各向異性指數(shù)。定義為:ht=7-Ka/Kt (9a)

....(9b)

其中，血利％為兩個各項異性指數(shù)；K" Ks分別代表地層沿傾角、走向和

法向的可鉆性。

通過對實鉆井斜資料的統(tǒng)計分析，可以認為為地層沿法向的可鉆性最大，沿傾向的次之，沿走向的最小。因此，這兩個各向異性指教都大干零且小于1?

鉆頭各向異性是指鉆頭沿軸向和側(cè)向的鉆進能力的差異。一般沿軸向的鉆進能力優(yōu)于沿側(cè)向的鉆井能力。鉆頭鉆進能力的這種差界可用鉆頭各向界性指數(shù)來表示：B=如/A] (10

其中，B為鉆頭各向異性指數(shù)，0＞伙1；佻和矩分別表示鉆頭軸向和倒向的鉆進能力。

4.2鉆頭的等效化處理

如圖1所示，作用在鉆頭上的合力為F,鉆頭沿軸向和側(cè)向的鉆進能力為A】和A?。將合力F向鉆頭軸向和側(cè)向分解，得分力R和F2。若鉆頭在各向同性地層中鉆進，那么沿軸向和側(cè)向的鉆速可表示為：

Vx=曲疋1

Vj=nA2Fa

(ID

其中n為比例因子。

若令F=1,

Vx=nAt

(12)

若使鉆頭側(cè)向的鉆速也達到nA,即:

(13)

(14)

在鉆頭側(cè)向應施加的力為:

P2=

根據(jù)鉆頭各向異性指數(shù)的定義可知:

(16)

式（16）說明，將側(cè)向力乘以B進行折合，即可將其化為和軸向力鉆進效率柑同的力。

將折合后的側(cè)向力用FJ,表示，與F】合成后得到有效鉆頭合力F',經(jīng)這樣處理盾，將鉆頭看成是各向同性的，即在各個方向上鉆進效率相同。

4.3互相作用模型

?。焊唬呒巴叻謩e表示鉆頭機械合力方向，鉆頭指向（即軸向）及鉆進方向的單位矢量；瓦，瓦及瓦分別表示地層的內(nèi)法向、上傾方向及走向的單位矢量；Fg表示重力方向的單位矢量（如圖2）。

圖2定向鉆井特性

在單位力N的作用下，考慮鉆頭的各向異性(用h表征)后，可得有效鉆力為

Q= 匕一％〉co-sAflf&^

(17)

其中8為屮=金?喬可分別在石，石及兀上的投影分量為

Pd =IbCOsAfy+(1-Ib)cvsAafGcrsA^ (18a)

p<=fe,e<=IfeCOsA^+(1-Ib)cosA^gosA^

(18b)

Pg：=可遲二IbCQsAfs+(1-Ih)cvsAflFcvsAas

(18c)

其中

cosAfd= jcosA^=?7■苻

cosA^=ej-jcosAau=￡■需

(19)

2^8Afo■麗耳，gsA匹■耳?兀

再考慮地層各向異性的影響，可得鉆頭與正交各向異性地層互相作用的矢量模型為

陰==P+KiPuK+IpsPX

(20)

其中釀表示沿兀方向的“正規(guī)化”鉆井效率；〔被稱為在單位力環(huán)作用下的有效；兀和

卜?部鉆具造斜率簡便計算方法

瓦可表達為:

(21a)

(22b)

取兀，屍及靈分別表示沿地理正北方向，正東方向及重力方向的單位矢量；取兀石及云分別表示沿井眼軸線的切向、增方位方向及降斜方向的單位矢量。由幾何關系,可得：

兀= 岔+msnwg

(23a)

藹=一臥+cm飩爲

(23b)

(23c)

(23d)

(24a)

(24b)

弘?寓

(24c)

；=—cr>拜crgjupQ瓦一rr>snRln^p0A^+rIucta^

rJ=—sinyslTiKpfR^+slnyms^R^+cr>sy?^

石■耳 （23e）

其中a和B分別為鉆頭處的井斜角和井斜方位角；丫和（1）分別表示地層傾角和地層走向方位角（等于地層上傾方位+90。）。

可在云，爲及云上的投影分量分別為q。（有效井斜力）,qQ（有效方位力）及么（有效鉆壓），即

5下部鉆具造斜率簡便計算方法

通過上面的模型及計算，可以得到鉆頭處的力和變形，但這些參數(shù)對于工程應用來說過于抽象，技術人員很難根據(jù)這些參數(shù)來合理選擇鉆具結(jié)構(gòu)、實施井眼軌道控制。但工程中最關心的問題是下部鉆具組合的井斜和方位性能。為此，我們必須通過鉆頭處的力和變形，考慮鉆頭與地層的各向界性，研究一種適合于下部鉆具造斜率的計算方法。為了便于討論，首先對鉆具性能的概念和定義做一簡述。

鉆具造斜率：是指鉆具的井斜變化率和方位變化率的綜合能力，即全角變化率。它可以用兩種方法表達：

用井斜變化率和方位變化率表達。這種表達方法直觀、易于實施井眼軌道控制,通常被工程采用。

用全角變化率表達。這種方式雖然只有一個參數(shù)，但不利于經(jīng)驗軌道控制，工程上一般不采用。

鉆具井斜性能：是指鉆具的井斜變化率。當鉆具的方位變化率為零時，鉆具的井斜變化率與鉆具造斜率相同。

鉆具方位性能：是指鉆具的方位變化率。

通過對現(xiàn)有鉆具造斜率評估與計算方法剖析，我們可以看到，鉆具造斜率一方面與BHA受力變形有關，另一方面與鉆頭和地層互相作用方式有關，這一觀點己被鉆井實踐所證實。為此，本文以合力法為依據(jù)通過兩個專家系數(shù)來綜合考慮鉆頭與地層的各向界性，建立一種實用的定向井鉆具造斜率評估和計算方法，即修止的鉆頭合力法。

根據(jù)BHA靜力學分析，可以得到鉆頭岀的井底鉆壓R（軸向分力）、井斜力Ra（側(cè)向力在井斜平面分力）、方位力陽（側(cè)向力在方位平面分力），若不考慮地層和鉆頭的各向界性，那么鉆頭的前進方向必然沿其合力方向，其鉆具造斜率可表示為：

(25)

井斜ft能（度/米）艱=血噸（R%）

方位性能（度/米）％=Arctg（只％）

而實際鉆井中，地層和鉆頭的各項異性是客觀存在的，也是影響鉆具造斜率的主要因素之一,在鉆具造斜率評估中必需給予考慮。由于地層和鉆頭互相作用的復雜性,

一些待定系數(shù)難于準確給定，本文將通過兩個專家系數(shù)來考慮地層和鉆頭的作用，以及其他各因素的影響，鉆具造斜率評估和計算方式由上式轉(zhuǎn)化為

米)心=tooxcsx

Arctg(%/r)

(26)

方位觀米)嚅=100XJXArctg(險人)

其中專家系數(shù)q,-可由已鉆井眼資料經(jīng)后分析得到。一-般情況下，當?shù)貙痈飨虍愋圆粐乐貢r，即鉆頭軸線與地層層理方向垂直或平行時軋=軋;反Zq芋％;這兩個參數(shù)的取值一般都在0?02~0?09Z間。另外，這兩個參數(shù)都可以根據(jù)不同區(qū)塊已鉆井史冋歸，也可以用同一井已鉆井眼資料冋歸。

6下部鉆具井斜性能及影響因素分析

在鉆井中，井眼軌道控制通常由滑移鉆井和旋轉(zhuǎn)鉆井兩種方式控制?；沏@井一般由螺旋鉆具和彎接頭組成，通過彎接頭工具面角的變化來改變鉆具的井斜和方位性能，這種控制由于鉆具不旋轉(zhuǎn)、螺桿壽命低等特點，只在一些特殊井貨特殊井段使用。旋轉(zhuǎn)鉆井一般由穩(wěn)定器組成，通過不同穩(wěn)定器的安放位置來控制鉆具的井斜性能，但它無法控制鉆具的方位性能，這種控制仍采用傳統(tǒng)式的旋轉(zhuǎn)鉆井方式，操作簡單、不需要定向作業(yè)和井下專用設備，因而在定向井的大部分井段中得到廣泛應用。為此，本文針對旋轉(zhuǎn)鉆具的井斜性能進行研究。

6.1常用下部鉆具組合

在定向井鉆進過程中，下部鉆具組合的力學性質(zhì)是影響井眼軌跡最重要的可變因素，其力學性質(zhì)主要取決于下部鉆具的構(gòu)成形式，主要決定因素有以下四個方面：

穩(wěn)定器安放位置和個數(shù)；

穩(wěn)定器外徑或穩(wěn)定器與井眼的間隙；

鉆鋌尺寸(剛度)和數(shù)量；

穩(wěn)定器類型。

其中穩(wěn)定器安放位置和個數(shù)最為重要，它是決定下部鉆具組合類型(增、穩(wěn)、降斜)的基木因素，改變上述因素不僅可獲得不同類型的鉆具組合，還可以獲得屬同一類型具有不同(增、穩(wěn)、降斜)能力的多種鉆具組合形式。此外，下部鉆具組合穩(wěn)方位的能力，隨穩(wěn)定器的增多而增強。圖3分別為定向井用于增、穩(wěn)、降斜的通用下部鉆具組合形式。中穩(wěn)定器理論安放位置的計算公式如下：

Q.2S

(27)

其中：L廠中穩(wěn)定器距鉆頭的最優(yōu)長度，m；

C-穩(wěn)定器與井眼的半間隙，＜=呼，Dh-井眼直徑，ni； *

D廠穩(wěn)定器外徑，m；

E-鉆鋌鋼材的楊氏模量，kN/mJ；鉆鋌截而的慣性矩，

q口-鉆鋌在鉆井液中的線重量，kN/m2;

a-最大井斜角，°。

15.66m

0.44m

10.44

0.44m

5.22m

圖3定向井用于增、穩(wěn)、降斜的通用下部鉆具組合形式

例如：若鉆頭直徑216mm,扶正器外徑213mm,鉆鋌鋼材的楊氏模量E二205.98GPa,鉆鋌外徑165.1mm,內(nèi)徑71.4mm,鉆井液密度1?01g/cm3,鉆鋌線重qm=135.6kg/m,允許最大井斜角考慮井徑擴大lmm,當最大井斜角為10°時，貝0：

j=K/64X(dc4-dGL4)=035X10-4(m4)

=(1一1.01/7.8)X0.1356X9A

=1.16kN/m2

C=2XW3m

典型鉆鋌尺寸中穩(wěn)定器安放位置計算見表1。

鉆鋌外徑心

鉆鋌內(nèi)徑d?

鉆井液密度

井眼直徑dh

穩(wěn)定器外徑ds

需要穩(wěn)斜的

正弦值

中穩(wěn)定器

(mm)

(mm)

(g/g‘)

(nini)

(mm)

井斜角a

位起4，

165.1

71.4

L01

217

212

8

Q139187

6479974

1651

71.4

L01

217

212

10

Q173666

6131187

1651

71.4

101

217

212

12

0207932

S861280

16S1

71.4

101

217

212

14

0241946

5643434

165I

7L4

L01

218

212

16

0275664

5717065

168

71.4

L01

218

212

18

0309047

5597011

150

71.4

101

218

212

20

0342053

5205656

150

71.4

L03

218

212

0374643

5092311

150

71.4

L01

218

212

24

Q406775

4984944

表1中穩(wěn)定器理論安放位置計算表

6.2穩(wěn)定器與井斜控制

6.2.1單穩(wěn)定器鉆具組合與井斜控制

對于單穩(wěn)定器鉆具組合，工程上一般通過兩個途徑來改變鉆具組合的井斜性能。方法一:改變穩(wěn)定器到鉆頭的距離L”通過理論分析和鉆井實踐可知，當

冷0.5?2?0m時一般為增斜鉆具組合，當L^9.Om時一般為降斜鉆具組合，當冷2?0—9.0m時一般為穩(wěn)斜鉆具組合。當然鉆具組合的井斜性能受地層和鉆頭影響較大，要根據(jù)各油田的情況來確定。

方法二：改變穩(wěn)定器螺旋棱外徑，對于（］）215.9mm鉆頭，當穩(wěn)定器外徑大于（1）210mm時一般為增斜鉆具組合，反之一般為穩(wěn)斜或降斜鉆具組合。

6.2.2雙穩(wěn)定器和三穩(wěn)定器鉆具組合與井斜控制

對于雙穩(wěn)定器和三穩(wěn)定器鉆具組合，一般通過三個途徑來改變鉆具組合的井斜性能。

方法一:改變穩(wěn)定器到鉆頭的距離1小其結(jié)論與單穩(wěn)定器鉆具組合選取相近。方法二:改變第一穩(wěn)定器到第二穩(wěn)定器距離L2,通過理論分析和鉆井實踐可知，

當L2^18.0m吋一般為增斜鉆具組合，當U<18.0m吋--般為穩(wěn)斜或降斜鉆具組合。

當然這種規(guī)律還受其它因素影響，要根據(jù)具體情況確定。

方法三:改變近鉆頭穩(wěn)定器的外徑，其結(jié)論與單穩(wěn)定器鉆具組合選取相近。以上方法只是工程上采用的方法，還有其它改變方法這里不在贅述。

6.3結(jié)果分析

計算示例采用的井眼直徑為215.9,鉆鋌尺寸為外徑177.8mm,內(nèi)徑57.2mm,線重1708N/mo

根據(jù)穩(wěn)定器數(shù)目的不同，分別討論單穩(wěn)定器和雙穩(wěn)定器條件下底部鉆具的力學特性。

6.3.1單穩(wěn)定器

鉆壓影響

從圖4可以看出，無論偏心塊在上方或是下方穩(wěn)定器到鉆頭距離的增加都可以起到增加鉆頭側(cè)向力的作用。但兩種狀態(tài)下使得鉆頭側(cè)向力大于零的穩(wěn)定器位置不同。偏心塊在上方時，隨著鉆壓的增加，使得鉆頭側(cè)向力大于零的穩(wěn)定器與鉆頭的距離增加;偏心塊在下方時，隨著鉆壓的增加，使得鉆頭側(cè)向力大于零的穩(wěn)定器與鉆頭的距離減小。但是，鉆壓引起的穩(wěn)定器位置的變化差別并不大。以鉆壓等于140kN為例，偏心塊在上時，穩(wěn)定器與鉆頭的距離大于11.4m,就可以保證鉆頭側(cè)向力大于零；而偏心塊在下時，該條件下穩(wěn)定器與鉆頭的最小距離是7.Imo因此，從防斜或者降斜的角度考慮，應該保持該條件下穩(wěn)定器與鉆頭的距離在11?4m以上。

(a)依心塊在上

20

"?山"?■■2>o)ooooC40(201204060芟2《￡?*垃

童JilICKis

a=3??<-0.1

-?一f120kN

-▲-r^iookh

F=180kN

-<-F=200kN

161820

(b)僞心塊在下

圖4不同鉆壓下側(cè)向力與穩(wěn)定器位置的關系

鉆壓分配比的影響

當偏心塊位置不同時，隨著鉆壓分配比的增加，使得鉆頭側(cè)向力大于零的穩(wěn)定器

與鉆頭的最小距離變化趨勢不同(圖5)。偏心塊在上方時，隨鉆壓分配比增加，穩(wěn)定器位置上移；而偏心塊在下方吋，則穩(wěn)定器位置下移。以kfO.1為例，偏心塊在上吋，使得鉆頭側(cè)向力人于零的穩(wěn)定器與鉆頭的最小距離是H.7m,如果k.,.>0.1,則該位置要大于11.7m；而偏心塊在下吋，該最小值為6.8m,如果k,.>0.1,則該位置要小于6.8mo因此，從防斜或降斜角度考慮，選用鉆壓分配比稍小一點的鉆頭，可以將穩(wěn)定器安放位置降低一點，即可達到防斜或降斜的目的。

600

200

-200

-600

一800-1200-H00-1800

?=3#?F-l60kM

1000

2fi/.d氏EBrK抿

123

N/d-RaBXK$

4 6 8 10 12 14 16 18 20

(a)偏心塊在上

6

oocO

6C2020C40

5不同分配比條件下側(cè)向力與穩(wěn)定器位置的關系

從鉆壓及鉆壓分配比分析結(jié)果的對比可以看出，為了保證鉆頭側(cè)向力大于零，鉆壓對穩(wěn)定器與鉆頭距離最小值的影響要遠小于鉆壓分配比的影響。以偏心在上情況為例，單穩(wěn)定器組合當鉆壓為120kN~200kN及鉆壓分配比為0?0.3時所引起的穩(wěn)定器與鉆頭距離變化分別為11.C12.4m及9.T16.Imo6.3.2雙穩(wěn)定器

鉆壓對下穩(wěn)定器位置的影響

圖6所示為雙穩(wěn)定器、不同鉆壓條件下鉆頭側(cè)向力隨第一穩(wěn)定器(下穩(wěn)定器)位置變化的關系曲線。當偏心塊位置在上時，隨鉆壓的增加，使得鉆頭側(cè)向力大于零的下穩(wěn)定器與鉆頭最小距離增加，而偏心在下時，其結(jié)果是下穩(wěn)定器與鉆頭最小距離減小。從圖中還可以看岀，相同鉆壓下，偏心塊在上時，使得鉆頭側(cè)向力大于零的下穩(wěn)定器與鉆頭最小距離要比偏心塊在下時大得多。以鉆壓等于140kN為例，偏心塊在上時，使得鉆頭側(cè)向力大于零的下穩(wěn)定器與鉆頭的最小距離為9.6m,而偏心塊在下時

400

a=3e

-400

-800

-1200

-1600

-200C

-240C

IM22N一?-f=t40kN160kN一▼-F=180kN

r—-■L?

6C040020O0200

■K/?d-R@?ZKts

(a)偏心塊在上

(b)個心塊在下

?】20kN

-?-I^UOkN

-▲->=J60kN

f?性200kN

3

二a

該值為3.9哄因此，從防斜或者降斜的角度考慮，該條件下下穩(wěn)定器的安放位置應該

距鉆頭不小于9.6mo

6不同鉆壓下側(cè)向力與穩(wěn)定器位置的關系

鉆壓分配比對下穩(wěn)定器位置的影響

當偏心塊所處的位置不同時，在不同的鉆壓分配比下，鉆頭側(cè)向力隨穩(wěn)定器位置變化與單穩(wěn)定器的結(jié)果是相似的(見圖7)。在相同鉆壓及鉆壓分配比條件下，使用雙穩(wěn)定器時，使得鉆頭側(cè)向力大于零的下穩(wěn)定器與鉆頭最小距離要比單穩(wěn)定器吋小一些。當鉆壓分配比k尸0.1、偏心塊位于上方時，使得鉆頭側(cè)向力大于零的下穩(wěn)定器與鉆頭最小距離為9.95m,而偏心塊在下方時該最小距離為3.6mo為了防斜或者降斜,在本研究的參數(shù)條件下，鉆具組合設計吋下穩(wěn)定器與鉆頭的距離不應小于9.95嘰

圖7不同鉆壓分配比條件下側(cè)向力與穩(wěn)定器位置的關系

鉆壓對上穩(wěn)定器位置的影響

雙穩(wěn)定器、不同鉆壓條件下，鉆頭側(cè)向力隨第二穩(wěn)定器位置變化的關系曲線見圖8O從曲線的變化趨勢來看，無論偏心塊所處的位置如何，在同一鉆壓下，隨著上穩(wěn)定器與下穩(wěn)定器距離的增加，鉆頭側(cè)向力都呈現(xiàn)下降的趨勢，這點與下穩(wěn)定器位置變化時有所不同。為了保證該狀態(tài)下鉆頭側(cè)向力大于零，上穩(wěn)定器與下穩(wěn)定器的距離應該不大于19.25mo同下穩(wěn)定器的影響結(jié)果相比，下穩(wěn)定器與鉆頭的距離僅增加0?4叫就使得上穩(wěn)定器可上移的距離增加了1?25叭可見，雙穩(wěn)定器鉆具組合中下穩(wěn)定器位置的變化對鉆頭側(cè)向力的影響要遠大于上穩(wěn)定器。

(a)値心塊在上

14 16 16 17 18 19 20

(b＞偏心塊在下

結(jié)論與認識

圖8不同鉆壓下側(cè)向力與穩(wěn)定器位置的關系

鉆壓分配比對上穩(wěn)定器位置的影響

圖9所示為雙穩(wěn)定器、不同鉆壓分配比下，鉆頭側(cè)向力隨上穩(wěn)定器位置變化的關系曲線。從曲線的變化趨勢來看，在同一鉆壓分配比條件下，隨著上穩(wěn)定器與鉆頭距離的增加，鉆頭側(cè)向力都呈現(xiàn)下降的趨勢，這點與下穩(wěn)定器位置變化時曲線的變化趨勢不同。為了使鉆頭側(cè)向力不小于零，上穩(wěn)定器與下穩(wěn)定器距離的最大值為18.15m,同單穩(wěn)定器的結(jié)果相比，下穩(wěn)定器的位置僅上移了0.05,m,所引起的上穩(wěn)定器相對于下穩(wěn)定器的可移動距離卻增加了0.15mo

100 ■」 1 人 1 ，

14 15 16 17 18 19 20

-SOO5一"1 1 1 1 u 1一q

14 15 16 17 18 19 20

Lt/?

(a)備心塊在上

31t《N'd弋仗駅戒建

500 ?厶叫0?■r=160kW 1100 .L=10atP>160kH

(b)fll心塊在下

圖9不同鉆壓分配比條件下側(cè)向力與穩(wěn)定器位置的關系

6.4結(jié)論

無論從鉆壓還是鉆壓分配比的角度分析，都可以看出，對于雙穩(wěn)定器鉆具組合,下穩(wěn)定器位置的微小改變可以引起鉆頭側(cè)向力的很大變化，而上穩(wěn)定器位置的改變則影響較小，因此，在鉆具組合的設計過程屮對下穩(wěn)定器的安放位置的要求應該比上穩(wěn)定器更為嚴格。

7結(jié)論與認識

通過本課題的研究，得到以下基本的結(jié)論

1建立的定向井下部鉆具非線性力學分析模型，除考慮鉆具結(jié)構(gòu)、井眼形態(tài)、各種外載荷等因素外，還考慮了鉆具（包括穩(wěn)定器）與井壁的初始間隙和隨機多向接觸摩擦狀態(tài)、鉆具在自重分力和鉆壓作用下的縱向彎曲，是一種雙重非線性力學分析模型，能夠較真實地反映出定向