井下钻具组合受力对井眼轨迹的影响技术研究

YANGTZEUNIVERSITY

毕业设计（论文）

题目名称：竝15.9mm井眼的井下钻具组合受力对井眼轨迹

的影响技术研究

院（系）： 石油工程学院

专业班级： 油工10808班

学生姓名：

指导教师：

辅导教师：

开题报告日期： 2012年4月2日

目录

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毕业论文任务书 I

开题报告 II

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指导老师审查意见 III

评阅老师评语 IV

答辩会议记录 V

摘要 VI

Abstract VII

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1 前言 I

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2绪论 2

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1国内外研究简况 2

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2.2钻柱力学研究概述 2

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2.3钻头与地层互相作用研究概述 3

4本文主要研究内容及方法 4

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3下部钻具力学分析 5

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3.1下部钻具力学分析模型 5

3.1.1下部钻具结构 5

3」.2下部钻具力学分析模型基本假设 5

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2设置坐标系 5

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3.3下部钻具组合力三维静力分析的微分法 5

3.3.1微分方程 6

3.3.2边界条件和连续条件 6

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4钻头与地层互相作用分析 8

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4.1钻头与地层的各向异性 8

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4.2钻头的等效化处理 8

4.3钻头与地层互相作用模型 9

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5下部钻具造斜率简便计算方法 12

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6下部钻具井斜性能及影响因素分析 14

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6.1常用下部钻具组合 14

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6.2稳定器与井斜控制 15

6.2.1单稳定器钻具组合与井斜控制 15

6.2.2双稳定器钻具组合与井斜控制 15

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6.3结果分析 17

6.4结论 19

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7总结与认识 20

参考文献 22

致谢 23

长江大学毕业设计（论文）任务书

学院（系）石油工程专业石油工程班级油工10808

学生姓名 指导教师/职称

毕业设计（论文）题目：

0215.9mm井眼的井下钻具组合受力对井眼轨迹的影响技术研究

毕业设计（论文）起止时间：

2009年3月2日〜2009年6月18日

毕业设计（论文）所需资料及原始数据（指导教师选定部分）

毕业设计（论文）应完成的主要内容

毕业设计（论文）的目标及具体要求目标及具体要求：

6、完成毕业设计（论文）所需的条件及上机时数要求所需条件：石油犬字典、图书馆资料、学校机房（可上网）;上机时数：不少于50小时。

任务书批准日期

年

月

日

教研室（系）主任（签字）

任务书下达日期

年

月

日

指导教师（签字）

完成任务日期

年

月

日

学生《签名〉

1-1

①315.9mni井下钻具组合的受力对井眼轨迹的影响研究

指导老师：谢学明，江汉钻井研究院

学生：徐阳，石油工程学院

一题目来源

毕业设计

二研究目的和意义

井眼轨迹是一口井实际的井眼轴线，其基本参数为井深、井斜角以及井斜方位角。一口井的井眼轨迹都是在初期钻井工程设计屮确定好的。但在实地钻井过程屮，往往有很多因素影响到实际井眼轨迹的形成。大致可分成三个方面：底部钻柱的力学性能、地层岩石的状态或应力和钻头与岩石的相互作用。在旋转钻井中，井眼的形成是钻头与地层相互作用的结果。在相互作用屮，钻头的力学特性(既钻头的机械作用力和转角)是直接影响井眼轨迹的重要因素，它基本上取决于钻具下部组合(简称BHA)的受力和变形。而一口井是否钻成功的标准就是井眼轨迹是否是按照之前设定的轨道行进的，是否打到的油层，所以研究钻具组合受力对井眼轨迹的影响也就显得十分必要了°现在石油也是各国的战略储备和各种生产生活屮最重要的组成部分，一口井的钻井成本也一直在几百万的水平，所以研究钻具组合受力对井眼轨迹的影响无论从国家利益还是经济效益来看都有很重大的意义。

三阅读的主要参考文献及资料名称

狄勤丰.滑动式导向钻具组合复合钻井时导向力计算分析[J].石油钻采工艺,2000,22(1):14-16.

夏叙，管志川，史玉才等.底部钻具组合参数设计的评价方法[J].石油大学学报(自然科学版),2005,29(4):48-51,63.

王洪光，肖利民，赵海艳等.连通水平井工程设计与井眼轨迹控制技术[J].石油钻探技术，2007,35(2):76-78.

刘亚,狄勤丰.江苏油田三种典型钻具组合复合钻井导向力计算分析[J].石油钻探技

11

术,2001,29(2):19-21.

狄勤丰，岳砚华，彭国荣等.滑动式导向钻具组合攵合钻井导向力计算及影响参数[J].石油钻探技术，2001,29(3):56-57.

李彦民.定向钻井BIIA受力分析、井斜控制技术研究及应用[D].中国石油大学(北京),2007.

王彦祺.井底钻具组合受力分析方法研究与应用[J].石油天然气学报,2011,33(12):102-105.

王敏生.气体钻井条件下的钻柱动力学特性及防斜技术研允[D].中国石油大学(华东),2009.

⑼冯长青，彭勇.旋转导向钻井工具B1IA侧向力的有限元仿真[J].石油机械,2006,34(9):14-16.

于文平.滑动导向钻井在复合钻进时井底钻具组合的受力分析及应用[D].中国矿业大学，2003.

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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-.

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范森，范存，刑淑芳等.下部钻具组合三维大挠度微分方程的详细推导[J].大庆石油学院学报，2005,29(2):34-39.

孙海芳，贺兆顺，杨成新等.超薄油藏水平井钻井技术[JL石油钻探技术，2002,30(4):15-17.

王爱国，王敏生，唐志军等.深部薄油层双阶梯水平井钻井技术[J]・石油钻探技术,2003,31(3):13-15.

史玉才，艾中华，管志川等.弱降斜钻具组合在大斜度井眼中的应用效果分析[J].石油钻探技术,2008,36(1):13-15.

管志川，夏離，王国胜等.底部钻具组合的参数设计及优化方法[J]・石油钻采工艺,2006,28(4):10-13.

彭国荣，狄勤丰.滑动导向钻具组合复合钻井导向能力预测方法研究[J].石油钻探技术，2000,28(6):4-5.

狄勤丰.下部钻具组合造斜能力的影响因素分析[J].石油钻探技术,2000,28(1):39-41.

杜旭东，张慧，曾玉斌等.定向井常用钻具组合[J]・石油矿场机械,2009,38(5):44-47.

余志清.用井下闭环可变径稳定器控制大位移井的井眼轨迹方法研究[J].石油钻探技术，2001,29(2):49-51.

狄勤丰，彭国荣.井眼轨迹参数对钻头侧向力的影响规律研究[J]・西安石油学院学报，2000,15(6):20-23.

帅健，刘春.狡接式钻具组合的动力学分析[J].石油矿场机械,2001,30(5):15-18.

四国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向

所谓井眼轨迹预测就是通过对井眼轨道内钻具力学建模或对实钻井眼轨迹资料进行统计分析等手段来建立井眼轨迹预测目标函数，从而指导轨迹设计、优化下部钻具组合、预测实钻井眼轨迹参数、提高轨迹控制精度的一种科学方法。科学的井眼轨迹设计方法和精确的井眼轨迹预测与控制技术是确保定向井、丛式井、水平井、大位移井、老井重钻、复杂结构井(如多底井)等一系列特殊工艺井钻井成功、降低钻井成本的关键技术。对于复杂钻井问题，国内目前的研究还处于探索阶段，20世纪90年代国外在水平井技术，深井、超深井钻井技术，大位移钻井技术，连续导管钻井技术，小井眼钻井技术，欠平衡钻井技术等方面走向成熟；我国目前己经掌握了常规的水平井、老井侧钻及深井钻井技术等，但在上述其它钻井技术领域与国际先进水平相比仍有较大差距。为了缩短我国与先进国家在钻井技术方血的差距，特别是为了发展我国在复杂结构井、大位移井及连续导管钻井等方面的钻井技术，不仅应该开展井眼轨迹控制理论及工具的研究，更应

该开展科学的井眼轨迹预测理论及方法研究。

科学的井眼轨迹预测方法是钻井工程屮的关键技术它是进行精确、高效井眼轨迹控制的前提。在国内外钻井工程历次技术革新中井眼轨迹的预测方法与控制技术都是研究的热点和难点，井眼轨迹预测与控制关系到井身质量、钻井速度和钻井成本。

目前，井眼轨迹预测理论及方法基本上可以分为以下几类：①根据已钻井眼轨迹参数用几何作图法或分析法预测井眼轨迹；②综合考虑下部钻具组合的力学与结构特性和钻头与岩石互作用，建立相应的预测模式预测井眼轨迹；③分析影响井眼轨迹的若干主要因素，建立相应的理论模式，模式中的部分参数需要通过统计分析确定」。

笫一类方法根据实际使用钻具类型和原井眼轨迹参数，利用实际的井眼轨迹计算方法预测井眼，它没有考虑钻具的结构和力学特性以及钻头与岩石互作用对井眼轨迹的彫响。第二类方法认为井眼轨迹的形成不仅与下部钻具组合的受力状态和变形特征有关，而且与钻头及钻头与地层互作用有关。对下部钻具组合的分析给出了钻头上的机械作用力，而对钻头与地层互作用的分析则提供了作用在钻头上的地层力。综合考虑上述两种因素，然后通过钻头与岩石互作用模型的具体体现形式一一三维钻速方程可以计算出井眼轨道上任一点在平动坐标系中的钻速分量，再结合原井斜角和方位角即可计算出新井斜角和方位角，从而实现井眼轨迹的预测，这类方法建立的理论模型比较合理，且模型中需要实验或统计分析来确定的参数相对较少、易于编程实现，所以该类方法应用较广泛。第三类方法认为井眼轨迹的形成受众多确定因素和随机因素的综合影响，影响井眼轨迹的诸多参数如钻具组合、钻井参数、井眼几何形状及地层参数对钻进方向的影响比较复杂，有些参数无法取全取准或者无法准确分析各影响因素的贡献权重，因此有必要将理论计算和实钻数据统计分析结合起来，才能使得建立的预测模式更符合实际。这类方法在分析影响井眼轨迹的主要参数的基础上建立相应的理论模式，然后通过实钻数据统讣分析确泄理论模式中的待定系数，从而形成理论计算与统计分析相结合的预测模式。

五主要研究内容、需重点研究的关键问题及解决思路

井眼轨道控制理论和技术是石油钻井工程的基础和关键。随着定向井、丛式井和水平井的发展，井眼轨道控制难度不断增加。当前面临的一个重要问题是如何开展进一步的理论研究,如何把现有的理论成果转化为实际控制手段，以提高控制精度和降低钻井成本。

下部钻柱力学性能是影响井眼轨迹的主要因素之一。在常规定向井轨迹控制技术中.井斜角控制问题已基本解决，困难的是方位角控制。采用有限元法求解的有米尔赫蒙(MTlheim,1978年)

11-3

等，他们系统研究了静态和动态三维下部钻柱力学特性，对定向并下部钻柱力学汁算和轨迹控制技术作出了杰出贡献。这里将采用有限单元法对下部钻柱进行了静态力学性能分析。

六完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件（如工具书、计算机辅助设计、某类市场调研、实验设备和实验环境条件等）及解决的办法。

通过学校的网上图书馆中文数据库查阅与本课题相关的参考资料，发展趋势，研究主攻方向。

利用教育网的石油字典來查询陌生晦涩的专业词汇，以求对外国文献的确切了解。

计算机辅助建立钻具组合力学模型

设计必备工具书：

《井眼轨迹控制》 石油人学出版社

《钻井力学基础》 石油工业出版社

七工作的主要阶段.进度与时间安排

序号

毕业设计（论文）各阶段内容

时间安排

备注

1

查阅资料

1周

2

完成开题报告

1・2周

3

翻译

3-4周

4

完成理论准备与实验，毕业设计方案与实验数

据计算处理

4・8周

5

完成论文撰写

9-11周

6

论文修改、装订，多媒体PPT制作，准备答辨

12-13周

7

8

八指导教师审查意见

指导教师意见：

该论文选题务实，紧跟钻井一线施工现状，具有很强的科研性和使用性。针对215.9mm小井眼，从井下钻具组合入手，结合经典力学模型，分析其在小井眼中的受力情况，并根据井眼轨迹的各影响因素，综合分析小井眼的轨迹控制问题。研究内容适中，要求具有一定的基础理论知识和查阅专业相关文献的能力。该牛提出的研究计划和时间安排有很好的可行性，符合论文要求。

同意开题。

填写说明：查阅资料是否全面，提出的研究方案和计划进度是否可行，还有什么需要注意和改进的方面，是否同意按学生提出的计划进行等。

指导教师签名： 审核日期： 年—月—H

学生姓名

徐阳 专业班级

油工10808

毕业论文（设计）题目

血15.9mm井眼的井下钻具组合受力对井眼轨迹的影响技术研究

指导教师

谢学明 职称 高工

评审日期

评审参考内容：毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。

评审意见：

井眼轨迹是一口井实际的井眼轴线，但在实地钻井过程中，往往有很多因素影响到实际井眼轨迹的形成。大致可分成三个方面：底部钻柱的力学性能、地层岩石的状态或应力和钻头与岩石的相互作用。在旋转钻井中，井眼的形成是钻头与地层相互作用的结果。在相互作用中，钻头的力学特性（既钻头的机械作用力和转角）是直接影响井眼轨迹的重要因素，它基本上取决于钻具下部组合（简称BHA）的受力和变形。

该论文针对215.9mm小井眼，从井下钻具组合入手，结合经典力学模型，分析其在小井眼中的受力情况，并根据井眼轨迹的各影响因素，综合分析小井眼的轨迹控制问题。该生查阅了大量的专业相关文献，专业基础理论知识较强，文中采用有限单元法对下部钻柱进行了静态力学性能分析。模型的选择合适，得出的结论正确。

该生在论文准备期间，学习态度积极，勤学好问，能在规定的时间内完成各种任务，具有查阅专业知识文献的技能，对所学专业知识的应用能力很强。论文结构完整，思路清晰，达到了学士学位论文的要求和水平。

同意参加答辩。

指导教师签名： 评定成绩（百分制）： 分

学生姓名

专业班级

毕业论文（设计）题目

评阅教师

梁定火 职称 高工

评阅日期

评阅参考内容：毕业论文（设计）的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业论文（设计）是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。

评语：

井眼轨道控制理论和技术是石油钻井工程的基础和关键。随着定向井、丛式井和水平井的发展，井眼轨道控制难度不断增加。当前而临的一个重要问题是如何开展进一步的理论研究，如何把现有的理论成果转化为实际控制手段,以提高控制精度和降低钻井成本。

该论文针对215.9mm小井眼，从井下钻具组合入手，结合经典力学模型，分析其在小井眼中的受力情况，并根据井眼轨迹的各影响因素，综合分析小井眼的轨迹控制问题。该生查阅了大量的专业相关文献，专业基础理论知识较强，文中采用有限单元法对下部钻柱进行了静态力学性能分析。模型的选择合适，得出的结论正确。下部钻柱力学性能是影响井眼轨迹的主要因素之一。文中系统研究了静态和动态三维下部钻柱力学特性，对定向并下部钻柱力学计算和轨迹控制技术作出了研究。作者采用有限单元法对下部钻柱进行了静态力学性能分析，针对小井眼的井眼轨迹问题，深入分析了各影响因素。

该生熟悉和掌握了查阅专业知识文献的技能，对所学专业知识的应用能力很强。论文结构完整，思路清晰，结论合理，有较强的应用性。达到了学士学位论文的要求和水平。

同意参加答辩。

评阅教师签名： 评定成绩（百分制）： 分

学生姓名

专业班级

毕业论文（设计）题目

答辩时间

年 月 日〜 时答辩地点

一、答辩小组组成

答辩小组组长：

成员：

二、答辩记录摘要

答辩小组提问（分条摘要列举）

学生回答情况评判

三、答辩小组对学生答辩成绩的评定（百分制）： 分

毕业论文（设计）最终成绩评定（依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业论文（设计）评分的相关规定）

等级（五级制）：

答辩小组组长（签名）： 秘书（签名）： 年月 日

院（系）答辩委员会主任（签名）： 院（系）（盖章）

wy;

学生：徐阳，石油工程学院

指导教师：谢学明，江汉钻井院

【摘要】:

1•有关钻柱力学的研究成果已比较多，BHA分析发展到三维动态模型和几何非线性模型，井眼中阻力分析已有“软绳”模型发展到“硬绳”模型。然而，钻柱力学的研究仍不完善，所假设的力学模型尚有改进的必要，所采用的多样化分析方法和计算方法尚待优选，还有许多细节问题需要进一步推敲。

在钻头与地层互相作用研究方而，虽然已建立了若干定性理论和定量理论，但是远未达到理想的程度，还存在不少问题：钻头与横观各向同性地层互相作用模型仍不完善；钻头与正交各向异性地层互相作用模型尚未建立完全；对于地层及钻头的各向异性钻井特性，还缺少全面的认识和深入的理解。

在井眼轨迹控制技术方面，研究的主要内容包括硬件（井下专用工具）的研制和软件（计算机模拟程序）的开发。单就软件的研究情况而言，目前的水平已初步达到对井眼轨迹进行定量预测和控制计算，但是实际效果仍不理想，控制技术的水平还不稳定，特别是井斜方位控制技术方面，还没有从根本上得到解决。

【关键词】:钻具组合钻柱力学模型井眼轨迹稳定器

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井眼的井下钻具组合受力对井眼轨迹的影响

技术研究

1前言

所谓井眼轨迹控制就是通过对井眼轨道内钻具力学建模或对实钻井眼轨迹资料进行统计分析等手段来建立井眼轨迹预测目标函数，从而指导轨迹设计、优化下部钻具组合、预测实钻井眼轨迹参数、提高轨迹控制精度的一种科学方法。

在旋转钻井屮，井眼的形成是钻头与地层相互作用的结果。在相互作用中，钻头的力学特性（即钻头的机械作用力和转角）是直接影响井眼轨迹的重要因素，它基本上取决于钻具下部组合（简称BHA）的受力和变形。因此，影响井眼轨迹的主要因素一般应包括BIIA结构（包括钻头）、钻并操作参数、已钻井眼几何及待钻地层特性等。其中,BIIA结构和钻井操作参数，是可以人为控制的主观因素，而地层特性则是不可人为改变的客观因素；井眼几何在钻前是预测和控制的对象，在钻后则可通过测斜而获知。井眼几何的形成，既与主观因素有关，也受客观因素的影响。同时，已钻成的井眼几何又会产生反作用。它不仅对BIIA结构的受力变形具有较大影响，而且对地层的各向异性钻井效应也有不可忽视的作用。

井眼轨迹控制问题，是钻井工程学中的重大研究课题Z-,国内外都十分重视它的研究。长期以来，国内外有关学者和技术专家，为解决井眼控制轨迹理论和技术问题作出了坚持不懈的艰苦努力，已取得了许多科研成果和施工经验。然而，由于问题的复杂性和不断出现的新难题，关于井眼轨迹控制理论和技术的研究仍旧很不完善，还存在不少问题需要进一步深入研究。

本文在认真调研国内外研究情况的基础上，着重从三个方面开展进一步研究。本文第一部分与第二部分的研究内容，主要是关于井眼轨迹控制的研究，试图进一步发展钻柱力学理论和展现钻头和地层的互相作用实质。本文的第三部分，则注重技术开发研究，试图在理论研究的基础上探索解决实际技术问题的有效方法。

2绪论

2.1国内外研究简况

井眼轨迹控制问题，是钻井工程的基本问题之一，在国内外受到普遍重视。关于井眼轨道控制问题的研究，迄今己有四十多年的发展历史。在这个历史过程中，国内外有关专家和学者从钻柱力学（特别是下部钻具组合的受力和变形分析）、钻头与地层相互作用及井眼轨迹预测方法等方面做了大量的研究工作，取得了许多科研成果，从而使井眼轨迹控制理论和技术不断得到发展和完善。在50年代和60年代，人们的研究是以井斜控制理论和技术为主题，以解决“防斜打直”问题为研究目标。进入70年代后，随着定向井的发展，研究的重心开始移向定向井井眼轨迹控制问题。在定向井井眼轨迹控制中，既要求对井斜角进行控制，又要求对井斜方位进行严格控制。

2钻柱力学研究概述

钻柱力学是指应用数学、力学等基础理论和方法，结合实验以及井场资料等数据综合研究受井眼约束的钻柱的力学行为的工程科学。开展钻柱力学研究，对钻柱进行系统、全面、准确的力学分析，在井眼轨道设计与控制、钻柱强度校核、钻柱结构和钻井参数优化等方面都具有重要意义。钻柱力学研究己经有五十多年的发展历史，许多研究成果已经应用到生产实践并产生了巨大的经济效益，但由于钻柱在充满流体的狭长井筒内处于十分复杂的受力、变形和运动状态，直到今天仍然无法做到对钻柱力学特性的准确描述和和精确的定量计算。近年来，随着欠平衡井、深井、超深井、水平井、大斜度井和大位移井在油气勘探开发中所占的比重越来越大，井眼轨道控制、钻具疲劳失效、钻井成本等问题逐年突出，对钻柱力学研究提出了更高的要求。与现代钻井技术发展相适应，钻柱力学必然朝着更贴近井眼实际工况、控制和计算精度更高的方向快速发展。

在钻柱力学长期发展中，经过不断的优化和比较，形成了儿种比较典型的研究方法，即经典微分方程法、能量法、有限差分法、纵横弯曲连续梁法、有限元法和加权余量法。

经典微分方程法是钻柱力学中应用最早的研究方法。该方法要求在满足经典材料力学的基本假设的前提下，建立钻柱线弹性的经典微分方程并求解。这种方法在考虑

绪论

因素较多时，建立的微分方程很复杂，用经典微分方程法求解比较困难。能量法是一种求解简单的弹性力学问题的方法。它要求势能函数不仅要满足弹性力学的控制方程，而口要满足边界条件，通过解的形式的假设及有关参数的确定，可得到问题的解答。由于满足以上2个条件是一件非常困难的事情。因此，这一方法的应用受到了限制。

有限差分法是一种近似方法。是通过对钻柱进行力学分析得到钻柱微分方程式，再通过适当的差分转换将位移控制方程转化为差分的形式求解。由于差分方程的系数是可变的，因此可以很容易考虑非线性的影响；同吋，由于差分区间可以减小，可以比较容易考虑井眼的约束。但是要得到精确的解答，差分区间必须取得很小，这样就使矩阵的维数增加，降低了计算速度。对于钻柱力学来说，有限差分法是一种有效的近似计算方法。

纵横弯曲连续梁法是一种精确解法，这种方法是将钻柱视为相互联系的纵横弯曲的连续梁，应用材料力学中的三弯矩方程建立一组非线性代数方程，该方程物理概念清楚，计算简单，U速度较快。由于这种方法是将三维空间问题分解成2个独立的二维问题求解，力学模型简化得太多，忽略了扭矩及可能的力和变形的耦合问题。这种方法在国内得到了推广和应用。

有限元法也是一种近似数值计算方法，这种方法是通过将钻柱分解为有限的离散梁单元，再通过适当的合成方法将这些单元组合成一个整体，用以代表原来的钻柱状态，并最终得到一组以节点位移为未知量的代数方程组。有限元法的物理概念清楚、简单，实用性强。不限制钻柱的材料和几何形状，且对单元尺寸也无严格的要求；又可以较容易地考虑非线性的影响。目前发展的接触有限元法，考虑了钻柱、稳定器与井壁之间的初始接触摩擦力，力学模型比较准确，考虑因素较多，解题的速度虽然是这几种方法中最慢的，但也可满足需要。

加权余量法是一个求解微分方程定解问题的强有力的数值方法，具有简便、准确、工作量小、残差可知等优点，已成功地用于下部钻具组合的大小挠度力学分析中；当然，要进一步提高精度就得增加试函数项数，也会增加一些运算量。

未来的钻井技术必然走向自动化、智能化，钻柱力学研究是前提和基础。与现代钻井技术的发展相适应，基础理论研究、系统控制论理论与方法、动态特性测试技术及系统虚拟仿真技术将成为钻柱力学未来发展的主要方向。

2.3钻头和地层互相作用研究概述

在钻井过程中，钻头与地层的相互作用是影响井斜的重要因素。前人已建立了多种分析和计算井斜及井眼轨迹的数学模型。80年代，人们又提岀了钻头各向异性理论和正交各向异性地层理论，从而使描述井眼轨迹的数学模型更接近钻井实际。然而，这些模型不能直接应用于钻井实际。其原因是模型中所涉及的地层和钻头各向异性参数还难以准确确定，模型也没有得到充分检验。同时这些模型比较复杂，既不便于对井眼轨迹做定性计算，也不便于对井眼轨迹做定量计算。木文在对钻头做等效化处理的基础上，引入各向异性地层的概念，建立一个简便、实用的钻头与地层相互作用模型。通过对实钻井斜资料的统计分析，寻找井斜的规律性，从而验证模型的正确性。

钻头与地层相互作用模型是一种较为准确的模型，它能够综合考虑钻头与地层的各向异性，是一种通过钻井实践和室内实验不断发展起来的理论。主要有各向异性层理论、地层造斜力理论、三维钻速方程、观各向同性地层有限元模式。这几种钻头与地层相互作用模型都综合考虑了钻头与地的各向异性，从理论上讲都能够较准确计算钻具造斜率。但是这些模型都需要较多的地层参数和钻头参数，如地层和钻头的各向异性指数、地层弹性模量、岩石破碎指数等，这些参数都随不同油田、不同区块、不同井深发牛变化，在实际应用中很难选取，从而限制了这些方法在钻井工程中的应用。

2.4研究的主要内容及方法

在我认真调研的基础上，对井眼轨迹控制理论和技术可作出如下结论：

1.有关钻柱力学的研究成果已比较多，BHA分析发展到三维动态模型和儿何非线性模型，井眼中阻力分析已有“软绳”模型发展到“硬绳”模型。然而，钻柱力学的研究仍不完善，所假设的力学模型尚有改进的必要，所采用的多样化分析方法和计算方法尚待优选，还有许多细节问题需要进一步推敲。

2•在钻头与地层互相作用研究方面，虽然己建立了若干定性理论和定量理论，但是远未达到理想的程度，还存在不少问题：钻头与横观各向同性地层互相作用模型仍不完善；钻头与止交各向界性地层互相作用模型尚未建立完全；对于地层及钻头的各向异性钻井特性，述缺少全面的认识和深入的理解。

3•在井眼轨迹控制技术方面，研究的主要内容包括硕件（井下专用工具）的研制

下部钻具力学分析

和软件（计算机模拟程序）的开发。单就软件的研究情况而言，目前的水平已初步达到对井眼轨迹进行定量预测和控制计算，但是实际效果仍不理想，控制技术的水平还不稳定，特别是井斜方位控制技术方面，还没有从根本上得到解决。

本文将在前人研究的基础上，采用岩石可钻性方法建立一个钻头与正交各向异性地层的相互作用模型，并给出比较合理实用的BHA力学模型，最后阐明了井眼轨迹控制技术原理。

卜•部钻具力学分析

3下部钻具力学分析

下部钻具静力学分析能够方便、快速地得到钻头处的受力变形值，为钻具造斜率计算提供可靠的力学参数，其理论方法和应用效果一直受到钻井界的关注，已在生产中得到广泛应用。为此，木论文将从下部钻具的实际工作状态出发，结合已有的研究成果，对下部钻具静力学模型、理论分析方法进行研究。

1下部钻具力学分析模型

根据定向井钻柱工作状态，选取下部钻具为研究对象，在考虑钻具结构、上下边界基础上，着重考虑了钻具与井壁的接触摩擦非线性、钻具自重分力和钻压引起的纵向弯曲儿何非线性，建立了下部钻具双重非线性力学模型。其模对钻具结构和边界条件的处理情况如下：

3.1.1下部钻具结构

下部钻具结构主要指下部钻具轴线的空间结构和钻具截面的几何结构。下部钻具的空间结构为已钻井眼轴线形态，一般由测斜数据经数学冋归得出，是一条不同曲率的空间螺线组合，不同井眼的下部钻具将有不同的空间结构。钻具的几何结构主要是环状的轴对称结构，其环形内外径可以任意给定，对钻具组合中的钻杆、钻铤、稳定器、弯接头等特殊钻具的安放位置和个数不受限制。

3.1.2下部钻具力学分析模型基本假设

（1）下部钻具各结构单元均处于弹性状态；（2）下部钻具各结构单元为圆形截面；（3）钻头与地层间无弯矩存在；（4）井壁与井眼轴线平行，在接触点处对钻具刚性支撑;（5）在切点以上钻柱躺在井壁下边；（6）略去柱、钻井液的动力效应；（7）施加于钻具上的扭矩可以沿钻柱有所变化.但分段为常量。

3.2设置坐标系

文中坐标系：（1）肓角笛卡尔井眼底部坐标系oxyz：原点。在钻头处；z轴井眼轴线，指向钻柱上部，单位矢量为e3；x轴垂直于z轴，指向井眼低边，单位矢量为e】；y轴由右手法则确定，单位矢量为e2。（2）直角笛卡尔钻头轴线坐标系oxbybzb:在该坐标系中，Zb轴沿钻柱变形后的切线方向指向钻柱上部，单位矢量为f3；X】轴垂直于

N轴指向井眼低边，单位矢量为h；*轴按右手法则确定，单位矢量为『2。（3）直角卡尔地层坐标系oxryrzro在该坐标系中。Z,轴沿地层法线方向指向上方，单位矢量为g3；x「轴沿地层倾向向下，单位矢量为gi；yf与地层走向线重合，并与匀N,Xf成右手关系，单位矢量为创o

3.3下部钻具组合力三维静力分析的微分法

3.3.1微分方程

下部钻具组合为纵横弯曲梁柱，由n—1个稳定器、弯角和接触点分割成n个独立结构单元，处于三维弯曲井眼里，受自重、钻压、扭矩、井壁支撑反力及钻井液静水压力等作用，产生空间弯曲变形。井眼轴线为R=Xei4Ye2+Zeao钻柱轴线用r=Ue1+V&2+Wea,表示。根据平衡方程和本构方程，推导出下部钻具三维静力大挠度微分方程组；

的吋-U；W）E山+TRQ（味8孟-场-色-lq』lg网* ⑴

（U；咱-V严"）昭+啊“=（氐-咖IK洞-务呼 丿

其屮（誓；cr=^-；（严=菩-；1为沿钻柱轴线的曲线坐标，以i段钻柱的底端为起点；Ei为弹性模量;,L为截面惯矩；「为所受扭矩；q：为钻井液屮的线密度；心为井斜角；Ui,Vi,W：为位移或坐标；B：为钻柱下部7方向的压力，i=1时为钻压；Sxi为X方向的分力，i二1时为降斜力；Syi为y方向的分力，i二1时为增方位力。

当1二0是，由（1）得出

"尹一 WC

wL（（n

⑵

3.3.2边界条件和连续条件

根据坐标系的取法，钻头位移为零，钻头与地层间无弯矩作用，为此:

在各稳定器或接触点处•钻柱位于井眼中心或在某一方向上偏离井眼中心一定距离，稳定器两侧钻柱坐标及其一次导数连续、弯矩连续：

Hb)=咕1@)=偽+q»s5L)e1+(X+qsin^)&2+Z岛

r；仰二认)

E山if(L"E出Im紅(0)

其中X“Yi，Zi为i段钻柱下端的井眼中心坐标；&为i段钻柱下端的偏心距；山为i段钻柱下端的偏心方向角。

弯角两端钻柱坐标连续，导数有一个与弯角和装置角有关的差值，弯矩连续、内力连续：

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

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

钿g-Bj41I|41»l41⑼

P|(M=pftiW

)

其中久为i段钻柱上端弯角；m为i段钻柱上端弯角的装置角；F为钻柱内力。

切点处钻柱躺在井壁下端，其坐标的一、二次导数均与该点井眼的对应值近似相

等；

臥“=皿+咛％I

钻具变形受到井壁的限制，必须满足

其中IX为井径；九为i段钻柱的直径。

4钻头和地层互相作用分析

由于地层各向异性及钻头各向异性的影响，结果是在钻井过程中钻头的位移方向

并非与其机械合力方向一致。因此，在建立钻头与地层相互作用模型时，除了考虑钻

头的机械力学特性以外，还必须充分考虑地层和钻头的各向异性钻井特性。

1钻头和地层的各向异性

Lubinski和Woods定义的地层各项异性指数表达式为

其中，h为地层各项异性指数，K平为平行层面的可钻性；K言为垂直层面的可钻性。Lahinski和Woods认为，在平行层面内可钻性是没有方向性的。地层的这种各向异性也常被人们称为横观备向同性。正交各向异性是指地层在沿法向、倾向和走向的可钻性各不相同。描述地层的正交各向异性需要两个独立的各向异性指数。定义为:ht=7-Ka/Kt (9a)

....(9b)

其中，血利％为两个各项异性指数；K" Ks分别代表地层沿倾角、走向和

法向的可钻性。

通过对实钻井斜资料的统计分析，可以认为为地层沿法向的可钻性最大，沿倾向的次之，沿走向的最小。因此，这两个各向异性指教都大干零且小于1・

钻头各向异性是指钻头沿轴向和侧向的钻进能力的差异。一般沿轴向的钻进能力优于沿侧向的钻井能力。钻头钻进能力的这种差界可用钻头各向界性指数来表示：B=如/A] (10

其中，B为钻头各向异性指数，0＞伙1；佻和矩分别表示钻头轴向和倒向的钻进能力。

4.2钻头的等效化处理

如图1所示，作用在钻头上的合力为F,钻头沿轴向和侧向的钻进能力为A】和A?。将合力F向钻头轴向和侧向分解，得分力R和F2。若钻头在各向同性地层中钻进，那么沿轴向和侧向的钻速可表示为：

Vx=曲疋1

Vj=nA2Fa

(ID

其中n为比例因子。

若令F=1,

Vx=nAt

(12)

若使钻头侧向的钻速也达到nA,即:

(13)

(14)

在钻头侧向应施加的力为:

P2=

根据钻头各向异性指数的定义可知:

(16)

式（16）说明，将侧向力乘以B进行折合，即可将其化为和轴向力钻进效率柑同的力。

将折合后的侧向力用FJ,表示，与F】合成后得到有效钻头合力F',经这样处理盾，将钻头看成是各向同性的，即在各个方向上钻进效率相同。

4.3互相作用模型

取：富，瓦及瓦分别表示钻头机械合力方向，钻头指向（即轴向）及钻进方向的单位矢量；瓦，瓦及瓦分别表示地层的内法向、上倾方向及走向的单位矢量；Fg表示重力方向的单位矢量（如图2）。

图2定向钻井特性

在单位力N的作用下，考虑钻头的各向异性(用h表征)后，可得有效钻力为

Q= 匕一％〉co-sAflf&^

(17)

其中8為屮=金・乔可分别在石，石及兀上的投影分量为

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

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

(18b)

Pg：=可迟二IbCQsAfs+(1-Ih)cvsAflFcvsAas

(18c)

其中

cosAfd= jcosA^=©7■苻

cosA^=ej-jcosAau=£■需

(19)

2^8Afo■丽耳，gsA匹■耳•兀

再考虑地层各向异性的影响，可得钻头与正交各向异性地层互相作用的矢量模型为

陰==P+KiPuK+IpsPX

(20)

其中酿表示沿兀方向的“正规化”钻井效率；〔被称为在单位力环作用下的有效；兀和

卜•部钻具造斜率简便计算方法

瓦可表达为:

(21a)

(22b)

取兀，屍及灵分别表示沿地理正北方向，正东方向及重力方向的单位矢量；取兀石及云分别表示沿井眼轴线的切向、增方位方向及降斜方向的单位矢量。由几何关系,可得：

兀= 岔+msnwg

(23a)

藹=一臥+cm饨爲

(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分别为钻头处的井斜角和井斜方位角；丫和（1）分别表示地层倾角和地层走向方位角（等于地层上倾方位+90。）。

可在云，爲及云上的投影分量分别为q。（有效井斜力）,qQ（有效方位力）及么（有效钻压），即

5下部钻具造斜率简便计算方法

通过上面的模型及计算，可以得到钻头处的力和变形，但这些参数对于工程应用来说过于抽象，技术人员很难根据这些参数来合理选择钻具结构、实施井眼轨道控制。但工程中最关心的问题是下部钻具组合的井斜和方位性能。为此，我们必须通过钻头处的力和变形，考虑钻头与地层的各向界性，研究一种适合于下部钻具造斜率的计算方法。为了便于讨论，首先对钻具性能的概念和定义做一简述。

钻具造斜率：是指钻具的井斜变化率和方位变化率的综合能力，即全角变化率。它可以用两种方法表达：

用井斜变化率和方位变化率表达。这种表达方法直观、易于实施井眼轨道控制,通常被工程采用。

用全角变化率表达。这种方式虽然只有一个参数，但不利于经验轨道控制，工程上一般不采用。

钻具井斜性能：是指钻具的井斜变化率。当钻具的方位变化率为零时，钻具的井斜变化率与钻具造斜率相同。

钻具方位性能：是指钻具的方位变化率。

通过对现有钻具造斜率评估与计算方法剖析，我们可以看到，钻具造斜率一方面与BHA受力变形有关，另一方面与钻头和地层互相作用方式有关，这一观点己被钻井实践所证实。为此，本文以合力法为依据通过两个专家系数来综合考虑钻头与地层的各向界性，建立一种实用的定向井钻具造斜率评估和计算方法，即修止的钻头合力法。

根据BHA静力学分析，可以得到钻头岀的井底钻压R（轴向分力）、井斜力Ra（侧向力在井斜平面分力）、方位力陽（侧向力在方位平面分力），若不考虑地层和钻头的各向界性，那么钻头的前进方向必然沿其合力方向，其钻具造斜率可表示为：

(25)

井斜ft能（度/米）艰=血吨（R%）

方位性能（度/米）％=Arctg（只％）

而实际钻井中，地层和钻头的各项异性是客观存在的，也是影响钻具造斜率的主要因素之一,在钻具造斜率评估中必需给予考虑。由于地层和钻头互相作用的复杂性,

一些待定系数难于准确给定，本文将通过两个专家系数来考虑地层和钻头的作用，以及其他各因素的影响，钻具造斜率评估和计算方式由上式转化为

米)心=tooxcsx

Arctg(%/r)

(26)

方位观米)嚅=100XJXArctg(险人)

其中专家系数q,-可由已钻井眼资料经后分析得到。一-般情况下，当地层各向异性不严重时，即钻头轴线与地层层理方向垂直或平行时轧=轧;反Zq芋％;这两个参数的取值一般都在0・02~0・09Z间。另外，这两个参数都可以根据不同区块已钻井史冋归，也可以用同一井已钻井眼资料冋归。

6下部钻具井斜性能及影响因素分析

在钻井中，井眼轨道控制通常由滑移钻井和旋转钻井两种方式控制。滑移钻井一般由螺旋钻具和弯接头组成，通过弯接头工具面角的变化来改变钻具的井斜和方位性能，这种控制由于钻具不旋转、螺杆寿命低等特点，只在一些特殊井货特殊井段使用。旋转钻井一般由稳定器组成，通过不同稳定器的安放位置来控制钻具的井斜性能，但它无法控制钻具的方位性能，这种控制仍采用传统式的旋转钻井方式，操作简单、不需要定向作业和井下专用设备，因而在定向井的大部分井段中得到广泛应用。为此，本文针对旋转钻具的井斜性能进行研究。

6.1常用下部钻具组合

在定向井钻进过程中，下部钻具组合的力学性质是影响井眼轨迹最重要的可变因素，其力学性质主要取决于下部钻具的构成形式，主要决定因素有以下四个方面：

稳定器安放位置和个数；

稳定器外径或稳定器与井眼的间隙；

钻铤尺寸(刚度)和数量；

稳定器类型。

其中稳定器安放位置和个数最为重要，它是决定下部钻具组合类型(增、稳、降斜)的基木因素，改变上述因素不仅可获得不同类型的钻具组合，还可以获得属同一类型具有不同(增、稳、降斜)能力的多种钻具组合形式。此外，下部钻具组合稳方位的能力，随稳定器的增多而增强。图3分别为定向井用于增、稳、降斜的通用下部钻具组合形式。中稳定器理论安放位置的计算公式如下：

Q.2S

(27)

其中：L厂中稳定器距钻头的最优长度，m；

C-稳定器与井眼的半间隙，＜=呼，Dh-井眼直径，ni； *

D厂稳定器外径，m；

E-钻铤钢材的杨氏模量，kN/mJ；钻铤截而的惯性矩，

q口-钻铤在钻井液中的线重量，kN/m2;

a-最大井斜角，°。

15.66m

0.44m

10.44

0.44m

5.22m

图3定向井用于增、稳、降斜的通用下部钻具组合形式

例如：若钻头直径216mm,扶正器外径213mm,钻铤钢材的杨氏模量E二205.98GPa,钻铤外径165.1mm,内径71.4mm,钻井液密度1・01g/cm3,钻铤线重qm=135.6kg/m,允许最大井斜角考虑井径扩大lmm,当最大井斜角为10°时，贝0：

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

=(1一1.01/7.8)X0.1356X9A

=1.16kN/m2

C=2XW3m

典型钻铤尺寸中稳定器安放位置计算见表1。

钻铤外径心

钻铤内径d„

钻井液密度

井眼直径dh

稳定器外径ds

需要稳斜的

正弦值

中稳定器

(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中稳定器理论安放位置计算表

6.2稳定器与井斜控制

6.2.1单稳定器钻具组合与井斜控制

对于单稳定器钻具组合，工程上一般通过两个途径来改变钻具组合的井斜性能。方法一:改变稳定器到钻头的距离L”通过理论分析和钻井实践可知，当

冷0.5〜2・0m时一般为增斜钻具组合，当L^9.Om时一般为降斜钻具组合，当冷2・0—9.0m时一般为稳斜钻具组合。当然钻具组合的井斜性能受地层和钻头影响较大，要根据各油田的情况来确定。

方法二：改变稳定器螺旋棱外径，对于（］）215.9mm钻头，当稳定器外径大于（1）210mm时一般为增斜钻具组合，反之一般为稳斜或降斜钻具组合。

6.2.2双稳定器和三稳定器钻具组合与井斜控制

对于双稳定器和三稳定器钻具组合，一般通过三个途径来改变钻具组合的井斜性能。

方法一:改变稳定器到钻头的距离1小其结论与单稳定器钻具组合选取相近。方法二:改变第一稳定器到第二稳定器距离L2,通过理论分析和钻井实践可知，

当L2^18.0m吋一般为增斜钻具组合，当U<18.0m吋--般为稳斜或降斜钻具组合。

当然这种规律还受其它因素影响，要根据具体情况确定。

方法三:改变近钻头稳定器的外径，其结论与单稳定器钻具组合选取相近。以上方法只是工程上采用的方法，还有其它改变方法这里不在赘述。

6.3结果分析

计算示例采用的井眼直径为215.9,钻铤尺寸为外径177.8mm,内径57.2mm,线重1708N/mo

根据稳定器数目的不同，分别讨论单稳定器和双稳定器条件下底部钻具的力学特性。

6.3.1单稳定器

钻压影响

从图4可以看出，无论偏心块在上方或是下方稳定器到钻头距离的增加都可以起到增加钻头侧向力的作用。但两种状态下使得钻头侧向力大于零的稳定器位置不同。偏心块在上方时，随着钻压的增加，使得钻头侧向力大于零的稳定器与钻头的距离增加;偏心块在下方时，随着钻压的增加，使得钻头侧向力大于零的稳定器与钻头的距离减小。但是，钻压引起的稳定器位置的变化差别并不大。以钻压等于140kN为例，偏心块在上时，稳定器与钻头的距离大于11.4m,就可以保证钻头侧向力大于零；而偏心块在下时，该条件下稳定器与钻头的最小距离是7.Imo因此，从防斜或者降斜的角度考虑，应该保持该条件下稳定器与钻头的距离在11・4m以上。

(a)依心块在上

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)僞心块在下

图4不同钻压下侧向力与稳定器位置的关系

钻压分配比的影响

当偏心块位置不同时，随着钻压分配比的增加，使得钻头侧向力大于零的稳定器

与钻头的最小距离变化趋势不同(图5)。偏心块在上方时，随钻压分配比增加，稳定器位置上移；而偏心块在下方吋，则稳定器位置下移。以kfO.1为例，偏心块在上吋，使得钻头侧向力人于零的稳定器与钻头的最小距离是H.7m,如果k.,.>0.1,则该位置要大于11.7m；而偏心块在下吋，该最小值为6.8m,如果k,.>0.1,则该位置要小于6.8mo因此，从防斜或降斜角度考虑，选用钻压分配比稍小一点的钻头，可以将稳定器安放位置降低一点，即可达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)偏心块在上

6

oocO

6C2020C40

5不同分配比条件下侧向力与稳定器位置的关系

从钻压及钻压分配比分析结果的对比可以看出，为了保证钻头侧向力大于零，钻压对稳定器与钻头距离最小值的影响要远小于钻压分配比的影响。以偏心在上情况为例，单稳定器组合当钻压为120kN~200kN及钻压分配比为0〜0.3时所引起的稳定器与钻头距离变化分别为11.C12.4m及9.T16.Imo6.3.2双稳定器

钻压对下稳定器位置的影响

图6所示为双稳定器、不同钻压条件下钻头侧向力随第一稳定器(下稳定器)位置变化的关系曲线。当偏心块位置在上时，随钻压的增加，使得钻头侧向力大于零的下稳定器与钻头最小距离增加，而偏心在下时，其结果是下稳定器与钻头最小距离减小。从图中还可以看岀，相同钻压下，偏心块在上时，使得钻头侧向力大于零的下稳定器与钻头最小距离要比偏心块在下时大得多。以钻压等于140kN为例，偏心块在上时，使得钻头侧向力大于零的下稳定器与钻头的最小距离为9.6m,而偏心块在下时

400

a=3e

-400

-800

-1200

-1600

-200C

-240C

IM22N一•-f=t40kN160kN一▼-F=180kN

r—-■L•

6C040020O0200

■K/・d-R@«ZKts

(a)偏心块在上

(b)個心块在下

・】20kN

-•-I^UOkN

-▲->=J60kN

f•性200kN

3

二a

该值为3.9哄因此，从防斜或者降斜的角度考虑，该条件下下稳定器的安放位置应该

距钻头不小于9.6mo

6不同钻压下侧向力与稳定器位置的关系

钻压分配比对下稳定器位置的影响

当偏心块所处的位置不同时，在不同的钻压分配比下，钻头侧向力随稳定器位置变化与单稳定器的结果是相似的(见图7)。在相同钻压及钻压分配比条件下，使用双稳定器时，使得钻头侧向力大于零的下稳定器与钻头最小距离要比单稳定器吋小一些。当钻压分配比k尸0.1、偏心块位于上方时，使得钻头侧向力大于零的下稳定器与钻头最小距离为9.95m,而偏心块在下方时该最小距离为3.6mo为了防斜或者降斜,在本研究的参数条件下，钻具组合设计吋下稳定器与钻头的距离不应小于9.95叽

图7不同钻压分配比条件下侧向力与稳定器位置的关系

钻压对上稳定器位置的影响

双稳定器、不同钻压条件下，钻头侧向力随第二稳定器位置变化的关系曲线见图8O从曲线的变化趋势来看，无论偏心块所处的位置如何，在同一钻压下，随着上稳定器与下稳定器距离的增加，钻头侧向力都呈现下降的趋势，这点与下稳定器位置变化时有所不同。为了保证该状态下钻头侧向力大于零，上稳定器与下稳定器的距离应该不大于19.25mo同下稳定器的影响结果相比，下稳定器与钻头的距离仅增加0・4叫就使得上稳定器可上移的距离增加了1・25叭可见，双稳定器钻具组合中下稳定器位置的变化对钻头侧向力的影响要远大于上稳定器。

(a)値心块在上

14 16 16 17 18 19 20

(b＞偏心块在下

结论与认识

图8不同钻压下侧向力与稳定器位置的关系

钻压分配比对上稳定器位置的影响

图9所示为双稳定器、不同钻压分配比下，钻头侧向力随上稳定器位置变化的关系曲线。从曲线的变化趋势来看，在同一钻压分配比条件下，随着上稳定器与钻头距离的增加，钻头侧向力都呈现下降的趋势，这点与下稳定器位置变化时曲线的变化趋势不同。为了使钻头侧向力不小于零，上稳定器与下稳定器距离的最大值为18.15m,同单稳定器的结果相比，下稳定器的位置仅上移了0.05,m,所引起的上稳定器相对于下稳定器的可移动距离却增加了0.15mo

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(a)備心块在上

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(b)fll心块在下

图9不同钻压分配比条件下侧向力与稳定器位置的关系

6.4结论

无论从钻压还是钻压分配比的角度分析，都可以看出，对于双稳定器钻具组合,下稳定器位置的微小改变可以引起钻头侧向力的很大变化，而上稳定器位置的改变则影响较小，因此，在钻具组合的设计过程屮对下稳定器的安放位置的要求应该比上稳定器更为严格。

7结论与认识

通过本课题的研究，得到以下基本的结论

1建立的定向井下部钻具非线性力学分析模型，除考虑钻具结构、井眼形态、各种外载荷等因素外，还考虑了钻具（包括稳定器）与井壁的初始间隙和随机多向接触摩擦状态、钻具在自重分力和钻压作用下的纵向弯曲，是一种双重非线性力学分析模型，能够较真实地反映出定向