复合钻进稳斜性能研究毕业论文

题目：复合钻孔稳定倾角性能研究复合钻孔稳定倾角性能研究概括复合钻井技术在油田的应用可以提高机械钻速，控制井眼轨迹，减少曲折和定向次数，大大降低钻井成本，从而提高油田开发速度。穆文分析了转台与螺旋钻具组合钻孔时的防偏快进机理，采用纵横弯曲连续梁法，建立了该下钻具组合的力学模型，并定量分析其使用模型很好地控制。根据倾斜的力学特性，从理论上分析了该BHA控制井斜的主要影响因素，为该BHA的优化和施工参数的设计提供了理论依据。单弯螺杆防偏钻具组合分析表明，稳定器距离钻头越远，钻头侧向力越大；WOB对钻头侧向力没有明显影响；弯曲角度和弯头点位置对钻头侧向力有显着影响。这为专用防倾螺旋钻具的设计改进提供了理论依据；复合钻井在井斜较大时侧向力较大。关键词：复合钻井；稳定的倾斜度；垂直和水平弯曲法；钻头侧向力目录摘要我摘要二目录III第1章前言11.1问题一1.2国外研究现状11.2.1井筒轨迹控制理论11.2.2井底组合力学方法研究31.3井斜控制专用工具现状41.4本文主要研究内容6第二章复合钻具控制井斜机理82.1影响井斜的原因82.1.1地层及其各向异性82.1.2钻柱弯曲引起的钻头侧向力92.1.3钻头结构引起的各向异性102.2复合钻具提高机械钻速的机理102.3复合钻具控制井斜机理12第三章复合钻具组合控制井斜力学模型的建立153.1基本假设和力学模型[2,10,13-18]153.1.1均布载荷和弯矩同时作用下的力学模型163.1.2集中载荷下的力学模型193.2纵横弯曲连续梁理论中的叠加原理和连续性条件223.3初始结构角的等效处理233.4单弯单稳螺杆钻具组合应力变形分析243.4.1一维分析243.4.2二维分析27第四章单弯螺杆控制井斜影响因素及油田实例304.1单弯螺杆30力学性能分析4.2影响因素分析314.2.1稳定器放置位置314.2.2WOB324.2.3角球324.2.4肘点位置334.2.5转盘速度334.2.6井斜344.3油田实例35结论36参考文献37至39第一章前言1.1提问随着钻井技术的不断发展，转向技术自1980年代以来发展迅速。导向钻井技术的发展导致了大位移井、水平井和侧井钻井技术的实施，确保了以较低的钻井成本实现地质目标。转向钻井技术分为滑动转向和旋转转向。滑动转向技术存在诸多弊端，长期滑动钻井会增加井下卡钻等事故风险。旋转导向需要先进、昂贵的井下旋转导向工具，复合钻井技术在中国已经出现。该技术采用滑动转向钻具，根据钻井要求，将滑动转向和旋转转向合理结合，达到转向的目的。常规定向井和水平井在钻井过程中，经常因更换钻具总成而频繁起跳，严重影响钻井时间和其他先进技术的实施。在提高钻头机械钻速的同时，复合钻井技术可以减少钻井过程中的起落次数，提高钻井效率。结合高效PDC钻头等先进工具，一套钻具可以一次完成绕障碍物、定向、倾角、稳斜和准钻的钻井作业，从而缩短钻井周期。复合钻井技术在国外已得到广泛应用，取得了良好的经济效益。本文的主要研究目标是如何在更有效的稳定倾斜控制条件下，结合PDC钻头使用单弯螺旋钻具提高钻进速度。1.2国外研究现状1.2.1。井眼轨迹控制理论井眼轨迹控制问题是钻井工程的基本问题之一，在国外受到广泛关注。井眼轨迹控制研究已有40多年的历史。在这一历史进程中，国外专家学者在钻柱力学、钻头与地层相互作用、井眼轨迹预测方法等方面做了大量的研究工作，取得了多项科研成果，使理论井眼轨迹控制技术不断发展和完善。50年代和60年代的目标。进入1970年代后，随着定向井的发展，研究重点开始转向定向井井眼轨迹控制问题。在定向井井眼轨迹控制中，不仅要控制井斜角，还要严格控制井斜方位角。因此，定向井轨迹控制问题是一个较为复杂的研究课题[1-3]。美国专家卢宾斯基先生是研究井斜控制理论的著名学者。他从直井钻柱屈曲定量分析入手（1950），开创了钻柱力学研究的新局面。随后与Woods先生合作，首次发表了定量关系的各向异性钻井理论（后来他们根据地层的各向异性程度将地层挠度分为21个等级），并结合钻柱力学分析实现“平衡井斜”的定量计算：他们还开发了解决井斜问题的实用图表，并提出了使用稳定器控制井斜的有效方法。在井斜控制标准方面，罗林斯认为，在很多情况下，严格限制井斜是不经济的。Lubinski还表示，钻井主设计师应充分利用地层倾斜特性，放宽对井斜的限制，有利于缓解WOB，提高ROP，降低钻井成本。同时，要求严格限制井筒曲率（俗称“狗腿度”），防止钻柱疲劳损坏，并给出最大井筒曲率。计算模式和实用图表。Hoch定量分析了一个“全孔”钻具组合（包含三个稳定器），得出的结论是，这种钻具组合可以消除井斜变化过快的问题，并且他也有（外径）提出了定量限制。实践证明，虽然霍赫的理论分析是错误的，但他对控制狗腿严重程度的理解和对策是正确的。此外，还有其他人进行的应用研究。值得注意的是，Lubinski等人的研究。一直局限于二维分析，不能在定向井控制中占主导地位。卢宾斯基等人。为井斜控制理论与技术的发展做出了重要贡献，其科研成果对我国钻井行业产生了重大影响。壳牌研究人员在Lubinski研究的基础上，也对井斜控制问题进行了多项研究。Murphy分析了光滑钻孔BHA的二维力和变形，并推导出了一个计算模型来预测这种简单BHA的堆积率。Mclamore和Bradley先后开展了单楔齿破岩（分层）实验，提出了“优选碎屑形成理论”。现象的定量解释。Fisher利用有限差分法对平面弯曲井筒中的钻柱进行了二维静态大挠度分析，并编制了相应的计算机分析程序。Bradley系统地讨论了钻柱力学、钻头结构特征和地层特征等，力图帮助司钻充分了解影响井斜的重要因素。他还定量分析和阐述了使用重型和高弹性模量（如金属钨等）钻机在井斜控制中的优势。布拉德利等人的研究。也仅限于二维分析。Walker首先利用最小势能原理对常规下孔组合进行了二维分析，然后与Friedman合作建立了钻柱小静力变形的三维控制方程，并应用变分在计算机上近似求解控制方程的方法。.Walker将钻柱的3D分析程序应用于下孔组件的设计，提高了机械钻速并降低了钻井成本。他还概述了影响井斜和方位漂移的因素。Walker的主要贡献是钻柱力学研究。在井眼轨迹控制理论与技术研究方面，英国专家Brown等人。而法国专家阿马拉等人也做了一些有益的研究工作。当然，我们也可以找到国外一些其他研究人员所做的工作，例如Birades等人的研究成果。在我国，井筒控制理论与技术的研究起步较晚。1980年代初，水平还很低。理论研究工作始于唐俊才等人修改“霍奇公式”。随之而来的是以白家智为代表的一批专家学者，他们在1980年代努力工作，取得了许多可喜的研究成果，为我国井眼轨迹控制理论和技术的发展做出了重大贡献。白嘉志等。应用三弯矩方程分析下钻具组合的受力和变形，并基于Lubinski的地层各向异性钻井理论，提出了地层力公式；姚勋主要解决井斜控制针对技术问题，通过求解一个简单的力学模型，提出了一种实用的下钻具组合设计方法。为了表达地层各向异性对井斜的影响，他还提出了地层偏斜力公式；学者们的研究从不同方面推动了井眼轨迹控制理论和技术的发展，在此不再详细介绍。1.2.2下BHA力学方法研究下钻具组合力学分析是井眼轨迹控制理论的基础和重要组成部分，也是优化下钻具组合结构设计和选择钻井工艺参数的理论依据。1950年代初以来，Lubinski利用垂直和水平载荷联合作用下的弹性梁模型来解决下钻具组合的应力和变形问题。发展成为一门以理论分析为基础的科学。其代表方法包括Lubinski的经典数学微分方程法、KKMi11em的有限元法、BHWalker的能量法、白嘉志的纵横弯曲法[1,4]。(1)经典数学微分方程法经典的数学微分方程法是最早应用于钻具力学分析的分析方法，代表性的是1950年代初期的A.Lubinski和HBWood。他的基本思想是在满足经典材料力学控制方程的前提下，建立一个精确的钻柱受力和变形微分方程，并用特殊函数法、迭代法和有限差分法求解方程。A.Lubinski建立的力学模型为进一步研究奠定了基础。他提出的假设在很长一段时间内基本被后来的研究者所采用；在摆式钻具中，对多稳定器钻具进行了定性探讨，使人们对稳定器的性能有了全面的认识，对多稳定器全孔钻具的出现起到了指导作用。(2)能量法1973年，BHWalker应用弹性力学的势能原理解决了钻具总成的受力和变形问题。他以距钻头120ft一定长度的位置CWalker作为BHA的上边界，建立了BHA弹性系统的势能方程和约束条件。根据逆解法构造解形式（具有广义系数的三角级数），利用拉格朗日乘子法和最小势能原理建立方程，确定广义系数，进而确定受力变形结果BHA。(3)有限元法1973年，KKMillheim提出了有限元法用于下钻具总成的力学分析。他将距钻头一定长度（一般为150-400ft）的钻柱视为下钻具总成，将其划分为数千个计算单元，并以间隙单元来描述钻柱与下钻具的接触状态。井墙。通过建立单元刚度矩阵并将其组装成一个整体刚度矩阵，通过连接广义节点力、节点位移和系统刚度的矩阵方程，可以得到一组非线性方程。变形结果。计算结果表明，由于没有准确考虑钻具总成变形的非线性，在刚度矩阵中忽略了几何矩阵，因此计算结果有时与实际情况存在较大误差。我国“七五”期间，吕英明教授等也对该方法在钻柱力学中的应用进行了系统研究。(4)纵横弯曲连续梁法纵横弯曲连续梁法由我国白家志教授于1970年代提出并完成。也是一种分析方法。该理论将钻柱组件的下部视为垂直和水平弯曲的连续梁，并在稳定器处使用连续梁。从稳定条件导出三个弯矩方程来求解每个稳定器的弯矩。这组方程是一组非线性代数方程，从中可以清楚地看出影响钻柱受力和变形的各种因素。1.3.井斜控制专用工具现状井下专用工具的研制是井眼轨迹控制的核心部分。它经常改变钻井工艺和钻井方法，也导致井眼轨迹控制的改进和钻井成本的降低。大型井下工具的发展也将导致钻井技术的变革。例如，螺旋钻具或涡轮钻具的开发和应用，使撬装钻井方法下的定向钻井技术和导向钻井系统成为现实。但井下工具开发难度较大，主要是井下工况非常复杂（动载荷大、温度高、钻井液介质差等）、井筒空间狭小、井下动力源少（仅钻流体压力和钻井压力），此外，该产品在井下测试过程中风险更大。因此，井下专用工具的研制是一项非常耗时和昂贵的工作，只有通过不懈的努力和反复试验才能取得成果。迄今为止，在井眼轨迹控制中，文献报道的井下专用工具主要有动力钻具（涡轮和螺旋钻具）、稳定器（变径稳定器）和伸缩钻井船、可调弯接头和专用接头、导向钻井据全国油田定向钻井工具使用情况不完全统计，由于种种原因，这些井下专用工具大多没有在油田推广应用。钻探，仍需进一步研究和改进。(1)全眼钻全眼组合是目前常规反斜技术的典型组合。全孔钻具一般由几个外径与钻头相近的稳定器和一些外径较大的钻杆组成。原则有二：一是全孔钻具比轻型钻具刚性好，能填满井筒，在大钻压下不易弯曲，保持钻具在井中心，减小钻头的偏角，从而减小和限制钻柱弯曲引起的增斜力；第二，在地层侧向力的作用下，稳定器可以支撑在井壁上，限制钻头的横向移动，同时在钻头处产生对地层力的阻力。少量。矫正力。为了发挥满孔钻具的防偏效果，钻具上必须至少有两个稳定器。除了钻头附近的一个稳定器外，还应在其上放置两个稳定器，以保持与井壁的两个接触点。两点线性度用于保持井筒的直线度并限制钻头的横向移动[5]。(2)动力钻具与常规螺旋钻具相比，用于水平井作业的弯壳螺旋钻具具有挠度快、排量大、转速低、扭矩大等特点，并可与其他配套工具组成可导向钻井系统。.1970年代后期，国外研制出方向可调、容积可控的涡轮马达螺旋钻具，并在墨西哥湾使用带偏心稳定器的可控轮式钻具，大大增加了钻进时间和成本。幅度减小。到目前为止，国外油田使用的动力钻具主要是螺旋钻具。经过几十年的不断研究和应用，螺钉已由单头向多头发展，出现了弯壳螺钉、空心螺钉、小型短螺钉等产品。现有的各种螺旋钻具基本可以满足各种定向井的井眼轨迹控制需求，已在钻井中得到广泛应用[6]。(3)稳定器、变径稳定器、伸缩钻铤1970年代以来，国外已开发出可调直径稳定器和伸缩接头。这些工具的应用可以减少行程次数，提高井眼轨迹控制的准确性和效率。目前有一种自动偏斜、增斜、扭转方位的井下工具，可用于钻直井和定向井。倾斜和扭转方向的影响。防止井眼偏斜的钻具稳定器主要由定心套、支撑座、滚轮、平面轴承、固定帽、钻具副体和密封件组成。支撑座和定心套与井壁配合时，不随钻具一起转动，滚轮在支撑座上转动，可避免与井壁发生摩擦。变径稳定器和伸缩式千斤顶是定向井旋转钻井过程中连续控制井眼轨迹不可缺少的工具。由于旋转钻井过程中钻柱工作状态复杂，在结构和控制方式上仍有一些工具存在。不合理的是，这些工具还没有在全国油田推广应用，还有待进一步研究和改进。(4)可调弯接头、特殊接头可调弯接头：1970年代后期，为了提高轨迹控制的精度，节省钻井时间，对可调弯接头进行了大量的开发和试验。研制的电动、机械、液压角度可调弯头接头均具有及时控制井眼轨迹的功能，但液压式可与所有测斜仪配套使用，角度调节简单快捷。SIB公司和法国石油学会眼轨开发的多角度遥控弯头关节的主要特点、工况、应用及实例。特殊接头：有多功能井下接头，起跳时可防止泥浆溢出，并具有防偏、纠偏、防偏磨等功能。坡度和反坡度要求。(5)转向钻孔系统自1980年代初在油田试验成功的滑动导向钻井技术以来，已形成由聚晶合成金刚石钻头（PDC钻头）、井下动力钻具（涡轮钻具和螺旋钻具）、随钻测量（MWD系统）。滑动导向钻井技术已得到大规模研究和应用。参考文献[7]介绍了一种旋转钻井闭环控制系统，该系统主要由旋转转向系统组成，可根据MWD测量值的反馈信息自动定位并给钻头施加侧向力，并实现连续井眼轨迹。控制，其核心工具是一种特殊工具，其外壳不旋转，心轴传递扭矩，并能按规定方位支撑井壁。由于钻柱的旋转，定位和转向系统的研究非常困难。但是，旋转钻井可以克服滑移钻井的诸多缺点，如钻柱摩擦大、钻井液承载能力差、机械钻速低等。该技术是近年来的主要研究方向。国外有研究成果和应用报告，国内只有研究报告，没有应用报告。(6)复合钻具目前，该技术在国外较为普遍[8]。1980年代后期以来，中国石油天然气集团公司石油勘探开发研究院钻井研究所一直致力于复合钻具定向井轨迹控制的理论与试验研究和技术推广。该技术已成功应用于水平井和多口定向井，取得了显着的经济效益和良好的井筒质量。将该技术应用于直井时，可实现转台（稳定倾角）和定向倾角修正不下钻直井更换钻具组合[1]。1.4本文主要研究内容本文的研究思路是借鉴国外研究成果，提出适合赵州油田需要的稳定技术，并从理论到实践加以改进。主要研究内容包括：1、从理论上分析了复合钻具控制井斜的原理，证明使用复合钻具控制井斜比传统的井斜控制方法更有优势。2、采用纵向和横向弯曲梁法分析复合钻具在井下的力学性能。计算钻头控制井斜时的侧向力，确定其控制井斜的能力。3、分析复合钻具控制井斜的控制因素，确定最佳钻具组合方式，使复合钻具的应用达到最佳的稳斜效果。4、在现场进行试验应用，验证复合钻具在实践中控制井斜的可行性。第2章复合钻具控制井斜机理2.1影响井斜的原因分析测深井斜的原因是井斜控制的前提。只有准确找出井斜的原因，才能有针对性地控制井斜的方法。影响井斜的因素主要有以下[3]。2.1.1地层学及其各向异性造成井筒弯曲的地质因素主要是地层的各向异性和软硬交错。地质因素在井筒自然弯曲中起主要作用，具有一定的规律性。地层的各向异性主要表现为岩石的各向异性和软硬岩的交错。岩石在不同方向上具有不同强度、硬度等力学性质的现象称为岩石各向异性。岩石的各向异性与层理、片状、微裂缝等构造特征密切相关。硬地层软地层硬地层软地层MBAPP硬地层软地层BA一）二）图2-1岩性变化对井斜的影响当钻头从软地层进入硬地层时，如图2-1(a)所示。钻头在A侧接触硬岩，在B侧接触软岩。这样，在WOB的作用下，由于A面岩石硬度高，可钻性小，钻头切削刃对地层的侵蚀少，钻进速度慢；B面岩石硬度小，可钻性大，钻头切削刃侵蚀地层。钻孔速度快，所以钻出的井眼自然会偏斜。另外，由于钻头两侧受力不均，A侧的井底反作用力合力大于B侧，会产生弯矩M，会产生扭曲钻头并使其沿地层方向倾斜。当钻头从硬地层进入软地层时，如图2-1（b）所示，刚开始时，由于地层在软地层一侧吃得较多，钻进速度快，硬地层侧钻进少，钻井速度慢，井筒容易向地层下倾方向倾斜。但是，当钻头即将钻出坚硬的地层时，这里的岩石已经无法支撑钻头的重载，岩石会在垂直于地层的方向上破碎，在侧面留下一个台肩硬地层，迫使钻头返回地层和上倾方向。因此，钻头仍有可能从硬地层向软地层倾斜地层的上倾方向。2.1.2钻柱弯曲引起的钻头侧向力钻孔时，通过降低钻柱重量的一部分，将钻头的重量施加到钻头上。在直井中，当WOB较小时，下钻柱保持笔直稳定状态。当WOB增加到一定的临界值时，下钻柱将不稳定弯曲并与井壁相切（见图2-2）。钻头偏转一个角度并倾斜。钻头倾斜后，在孔底产生不对称切削，这是造成井斜的重要因素。随着WOB的进一步增大，切点下移，钻头偏角增大，对井斜影响较大。当钻具倾斜合流时，千斤顶与井筒底部在切点处开始接触，切点到钻头的距离为切线长度L。在切点以下，钻柱由于自重，钻头处会产生侧向力F。(2-1)式中，F——钻头的侧向力，N；L切线长度，m；ωc——单位长度钻铤重量，N/m；α——井倾角，°。yMyMM’xFF1W1稳定器图2-2直井钻柱弯曲图2-3斜井下钻柱受力因为这个力偏离井眼，所以它是一个负侧向力。当钻头被压缩时，切点向下移动，侧向力减小。千斤顶在钻头处的弯曲会导致增加的载荷（正侧向力），从而产生井眼偏斜。因此，随着WOB的增加，负侧力减小，正侧力增大。总侧向力矢量和轴向力将决定井眼的挠度。当然，还必须考虑地层的各向异性。稳定器在井下钻具中的位置也会影响钻头的侧向力，从而决定下BHA是增加倾角、稳定倾角还是降低倾角。直接放置在钻头上方的稳定器会产生一个支点，稳定器上方的钻头重量会导致钻头产生横向力，从而增加倾斜度。随着钻头和稳定器之间距离的增加，钻头上的斜升侧向力减小。当稳定器距离钻头足够远时，稳定器下方的钻柱产生的摆力会导致钻头有下落的趋势。2.1.3位结构引起的各向异性在石油钻井中，钻头主要是沿自身轴线钻孔，钻头设计者很少考虑钻头的横向切削问题。但实际钻孔中使用的钻头具有不同程度的侧切能力，对钻孔轨迹有一定的影响。例如，钻井中使用的牙轮钻头大多具有一定的移位轴或超大的滚轮结构，这使得钻头的最大直径不在井底，而是在井底以上的某个地方，从而造成钻孔在孔底和圆柱形井筒之间有一个弯曲的过渡区。结果，滚子锥的外圈齿以类似于铣削的方式切割该过渡区域。这是牙轮钻头对井壁的横向切割。简称侧切。如果钻头仅承受轴向载荷，则井筒过渡区将与钻头旋转体的轮廓一致。这种形状取决于钻头的配置。牙轮钻头在钻进时，如果还承受一定方向的侧向力，三个牙轮的外环齿会交替铣削井筒过渡区的某一侧，使钻头向下钻进，向侧向移动。方向。力的方向是偏移的。在实际钻井中，钻头的轴向钻井能力与其侧切能力存在差异，称为钻头各向异性，在井眼轨迹控制中应考虑其影响。由于钻头各向异性的影响，即使在均质、各向同性地层中钻孔，钻头也不能沿钻头的机械合力方向移动。在这种情况下，钻头的旋转角度也会影响钻孔方向。2.2复合钻具提高机械钻速的机理钻孔工作时，转台与螺旋钻具组合钻孔。即在螺杆转子工作状态下，转盘带动钻柱转动，带动螺杆定子转动。此时，螺杆传动装置和螺杆定子共同驱动钻头旋转，形成复合运动模式[9,10]。OO图2-4转台与螺纹接头钻孔示意图在两种转速的共同作用下，可以显着提高钻头的绝对转速。下面详细介绍联合钻孔时钻头的绝对转速。首先以直螺杆为例介绍两种转速的组合。设螺旋钻转子驱动钻头的转速为n1，钻柱驱动螺旋钻壳的钻速为n2。n1和n2都顺时针旋转。假设钻柱和螺旋套管绕垂直于井底的O轴以角速度ω2旋转，钻头在螺旋转子的作用下以匀角速度ω1相对套管旋转，如图2-4所示。那么ω1=πn1/30，ω2=πn2/30。从钻头边缘的中心取一个M点r。任意时刻M点的牵引速度为v2=ω2r，1.08e10-4相对在M点的速度为v1=ω1r，其方向与钻柱的旋转方向相同。从运动学可知，在任何时刻，运动点的绝对速度等于牵引速度与相对速度的矢量和。因此，点M的绝对速度v为：(2-2)因此，钻头上M点的绝对速度为：(2-3)这导致：(2-4)现在让我们来看看转台和单弯螺旋钻具组合时的情况。由于单弯螺旋钻具的钻头中心与钻柱中心不重合，存在钻头偏移，使得速度合成与直螺旋钻具不同。如图2-5所示。图2-5单弯螺旋旋钻组合钻头速度分析角速度ω在ω1和ω2之间，与钻体轴线的夹角为γ1（γ1<γ）。图2-5中的ω是钻头在所示位置的绝对角速度。但当钻具以ω旋转时，绝对角速度的方向发生变化，其大小为：(2-5)显然，钻头的合成速度n为：(2-6)由于钻头的结构角度：(2-7)那么上式可以简化为与直螺杆相同的表达式：(2-8)(2-9)由此得出与单弯螺杆相同的结论：钻头的绝对转速等于螺杆钻头的转速和钻柱的转速之和。使用这样的近似值，误差很小。取弯曲角γ=1°，n1=200r/min，n2=60r/min。按精确公式计算，n=259.97188r/min。与n=200+60=260r/min的计算结果相比，相对误差仅为1.08e10-4，精度高。因此，这种近似可以在实际应用中使用。由以上分析可知，当转台与单弯螺旋钻具组合钻孔时，钻头的绝对转速为复合转速，大于回转台的任何转速。工作台转速和螺杆转速。因此，ROP显着提高。2.3.复合钻具控制井斜机理通过上节的分析，已经知道了造成井斜的主要原因。地质环境因素只能识别和利用，不能改变。操作者可以主动控制的三个因素是钻具组合的类型和结构、工艺操作参数（也称为钻井措施）和钻头的类型。在这三个可控因素中，钻具组合的类型和结构是首先要考虑的主要因素。因为井斜控制木材本质上控制着钻头的横向切削能力[10,11]。这里采用单弯螺钉控制井斜的思路是考虑如何从工具本身增加钻头的侧向力。使用单弯螺杆控制井斜有两个优点：一是单弯螺杆在控制井斜时比摆式钻具更稳定，防偏效果更明显。二是采用单弯螺旋钻具控制井斜，同时可以获得更高的机械钻速，有效解决了传统摆锤钻具必须使用小钻压和低钻速的问题[12]。单弯螺杆用于控制井斜，类似于偏心钻具。利用单弯螺杆产生的离心惯性力，增加钻头处的侧向力，达到减小偏斜的目的。这是使用单弯螺钉控制倾斜度的第一个原因。图2-6是单弯螺钉的示意图。hh图2-6单弯螺丝示意图单弯螺旋角的作用是偏移下部结构的轴线，在钻柱旋转过程中产生很大的离心力，从而改变钻头处的受力情况。调查上下井壁拐角的两个特殊位置。当弯头位于井下壁时，钻头的倾斜方向为井斜方向；当弯头转向上井筒壁时，钻头倾斜方向发生变化，变为与井倾斜方向相反的方向。上井时改变钻头倾角是单弯螺杆控制倾角的第二个原因（见图2-7）。弯角位于上井壁钻头轴线弯角位于上井壁钻头轴线井眼轴线弯角位于下井壁钻头轴线井眼轴线图2-7单弯螺杆旋转时钻头倾角变化示意图单弯螺杆控制井斜的另一个重要原因是动力钻具的高转速可以增加单位进尺钻头横向切割井壁的次数。通常采用“单曲螺杆+PDC钻头”，因为PDC钻头适用于这种低钻压和高速工况。同时，PDC钻头在软地层中具有更强的切削能力。螺旋钻具使用后，钻进相同的单位进尺，PDC钻头切下井壁的次数是普通摆锤钻具的2-4倍。在相同的单位进尺条件下，钻头切入井壁的次数非常重要。切割井下壁数量的增加实际上增加了钻具纠正偏差的能力。通过以上分析可以得出以下结论：1、单弯螺丝角位于上井壁时，钻头的侧向力最小，钻头的侧切能力小。但钻头倾角为负，钻头向井斜的反方向钻进。此时的偏角主要取决于WOB的效果。2、当单弯螺钉的角部位于井下壁上时，钻头的侧向力增大，钻头的侧向切削能力最大。尽管钻头的倾角变为正，但钻头沿井的倾角方向移动。然而，由于钻头的侧向力，这种趋势可以减少。3、单弯螺杆转动一圈时，钻头倾角的正反交替变化，可以抵消造成井斜的钻头倾角。4、“单曲螺杆+PDC钻头”，该钻具组合增加了单位进尺钻头横向切削次数，更有效地发挥了减小钻头横向力的效果。第三章复合钻具组合控井斜力学模型的建立垂直和水平弯曲法是将具有多个稳定器的下钻具组合视为承受垂直和水平弯曲载荷的连续梁，然后利用梁柱弹性稳定理论推导出相应的三个弯矩方程来求解哈。力和变形。在纵向和横向弯曲法中，首先将BHA与支撑（稳定器和上切点等）断开，将连续梁转化为几个承受纵向和横向弯曲载荷的简支梁和柱。对于跨间梁柱端角的取值，利用支座角相等的连续条件和上切点的边界条件，写出三个弯矩方程。三个弯矩方程是以支座的弯矩和最上跨的长度（代表上切点的位置）为未知数的一系列代数方程，可以得到BHA的受力和变形通过解决它们。3.1基本假设和力学模型[2,10,13-18]井底组合静力小挠度分析一般应遵循以下基本假设：（1）弯头接头下方的电钻总成简化为等效钻头（等圆截面的均匀连续梁柱）；(2)钻头底面中心位于井筒中心线上，钻头与地层无耦合；(3)钻头重量恒定，作用于钻头中心处井筒轴线的切线方向；(4)井壁为刚体，井眼尺寸不随时间变化；（5）稳定器（偏心垫）与井壁接触为点接触；(6)上切点以上的钻柱由于自重一般位于井下壁上；(7)钻具总成变形前后，弯头接头顶点的两条切线保持不变；(8)不考虑旋转、振动等动力因素的影响；(9)二维井筒曲线为平面内的圆弧曲线，井筒轨迹的横截面为圆形。对于变截面梁柱柱的力学分析，通常从变截面台阶处截取，与相邻的稳定器形成两跨纵横弯曲简支梁柱，即即以阶梯截面为支座，利用弹性稳定理论，求得简支梁柱端转角值和各跨变截面处的剪力值。列出三个弯矩方程和待求解的未知数（截面弯矩和挠度），对方程进行确定性求解。3.1.1均布载荷和弯矩同时作用下的力学模型PPθRLyRRRLyLbLaPxIbIaxMbMa图3-1轴向载荷、横向分布载荷和弯矩的联合作用根据静平衡关系，可得左右两端支座的反作用力为：(3-1)(3-2)任意点X处的弯矩可由下式求得：(3-3)(3-4)梁柱变形的偏转线微分方程为：(3-5)(3-6)边界条件：(3-7)(3-8)连续条件：(3-9)(3-10)微分方程的通解如下：(3-11)(3-12)在哪里：(3-13)(3-14)根据（3-11）和（3-12），我们可以得到：(3-15)(3-16)由式(2-11)~(2-16)，边界条件和连续性条件为：(3-17)在方程组(2-17)中：(3-18)(3-19)(3-20)求解方程组（2-17）可以求解：(3-21)(3-22)(3-23)(3-24)在哪里：均布荷载与弯矩和轴向荷载共同作用下的变截面（变刚度）梁柱端角计算公式如下：(3-25)(3-26)在哪里：(3-27)(3-28)(3-29)(3-30)(3-31)在哪里：(3-32)以上推导出轴向力P>0，即受压的情况。若轴向力P<0，即拉力，则,(3-33),(3-34),,(3-35),,(3-36)这里Ma,Mb——分别是A和B端的弯矩，单位为Nm；La、Lb、L——分别为A跨度、B跨度和总长度，m；ka,kb——A跨度和B跨度曲率，分别为rad/m；Ia,Ib——分别为A-span和B-span截面的转动惯量，m4；qa,qb—分别为A和B上的均匀分布载荷，N/m；P——末端轴向力，N；C——A跨与B跨曲率之差的绝对值，rad/m；E——弹性模量，Pa。用公式（3-33~3-36）代入对应的公式（3-11~3-32），可以得到P<0的计算公式。3.1.2集中载荷下的力学模型对于螺旋钻具总成，如果不加稳定器或上稳定器为最小位置的变径稳定器，则螺旋钻具的抗弯刚度与加在其上的钻具的抗弯刚度一般不相等。，它变成了一个变刚度问题。同时，由于螺旋钻具具有结构弯头，可将其视为按相等弯矩作用在结构弯头上的等效集中载荷。其力学模型为：yy QθRLyRRRLLbLaPPxIbIax图3-2轴向载荷和集中载荷的联合作用根据静平衡关系，可得左右两端支座的反作用力为：(3-37)(3-38)任何一点都可以得到如下：,(3-39),(3-40)梁柱变形的偏转线微分方程为：,(3-41),(3-42),(3-43)边界条件：(3-44)连续条件：(3-45)(3-46)(3-47)(3-48)(3-49)在哪里：,(3-50)根据公式(2-47)~(2-49)可得：(3-51)(3-52)(3-53)从方程(2-47)~(2-53)以及边界条件和连续性条件，我们有：(3-54)从方程组（2-54），我们可以得到：(3-55)(3-56)(3-57)(3-58)(3-59)(3-60)横向集中荷载和轴向荷载共同作用下，变截面（变刚度）梁柱端角的求取计算公式如下：(3-61)(3-62)若轴向力P<0，即拉力，则,(3-63)(3-64)(3-65)式中 Q——集中载荷，N；Lc——集中荷载到A端（左支座）的距离，m。3.2纵横弯曲连续梁理论中的叠加原理及连续性条件(1)叠加原理[2]参考文献[2]指出，当有多个横向载荷同时作用在轴压下的梁柱上时，梁柱的总变形（挠度、转角）可以由梁柱产生的变形量来确定。各侧向载荷与轴向载荷（挠度、旋转角）的联合作用通过线性叠加得到。因此，受各种侧向荷载作用的竖向和水平弯曲间支撑梁柱可分解为横向均布荷载q和轴向荷载P的联合作用，左端力偶Mi和左端力偶Mi的联合作用。轴向载荷P，右端力偶Mi+1和轴向载荷P的共同作用。轴向载荷P共同作用的四种情况之和，横向集中力Q和轴向载荷P作用一起。(2)连续性条件对于跨连续梁中的第一个支座，支座左右两端的绝对值必须相等，即——第i跨梁柱的右端（R）角，rad；—梁柱跨度i+1，rad的右端(L)角。3.3初始结构角的等效处理根据文献[6]对结构中初弯的处理方法，即用作用在弯折点的等效横向集中荷载Qd的直梁柱代替初弯对结构的影响。弯曲梁柱的变形。由Qd产生的弯矩图应与由初始弯曲引起的轴向力P产生的弯矩图相同，等于弯矩[19][2]：(3-66)PPPcaL图3-3弯曲影响及处理由此我们得到：(3-67)将得到的等效侧向集中荷载Qd附加作用在直梁柱上（作用点在原弯曲点，作用线位于角平面上并垂直于直梁柱），直梁可以用来代替原来的曲梁。变形分析。单弯等效处理是将一弯角的曲梁柱换成集中荷载作用于弯角的直梁，结构弯角处的初始横向位移a为，见图3-4可用：(3-68)由于导向钻具的结构角通常不大于3°，因此有(3-69)(3-70)将(3-70)代入(3-67)：(3-71)aaPP图3-4角点影响及处理3.4单弯单稳螺杆钻具组合应力变形分析3.4.1一维分析(1)一维问题装置角Ω=0，钻孔曲率K=0上边界条件为：(3-72)连续性条件为：(3-73)(2)三个弯矩方程的建立钻头与稳定器与井壁的接触关系可以看作是一个简单的轴承。钻具组合在钻压PB和钻柱自重的作用下发生变形。由于重力的作用，下钻具总成的上端点一般与井壁相切，该点上方的千斤顶靠近井壁，因此可以认为具有相同的曲率作为井轴。将钻具总成与钻头O、稳定器S1、上切点T断开，加上弯矩M0、M1和MT(M2)，即钻头、稳定器和上切点分开钻具组合成2A简支梁柱，承受纵向和横向弯曲载荷。如图3-5斜直井单弯单稳螺旋钻具组合所示，稳定器弯矩M1和上切点L2位置为未知量，待定。xxTy图3-5单弯单稳钻具组合弯曲变形示意图第一个跨度的右上角是：(3-74)第二个跨度的右上角是：(3-75)(3-76)将式(3-75)(3-74)代入(3-73)，(3-76)代入(3-72)，得到三个弯矩方程(3-77)(3-78)，这是由梁柱末端的角创建的附加角三弯矩方程组有2个方程，其中未知数为M1和L2，共2个，故为定解。(3)钻头侧向力和钻头倾角的计算xxy图3-6钻头侧向力和钻头倾角(3-79)(3-80)计算附加角，根据初始拐角的处理方法，在拐角处附加一个集中载荷Qd1，如图3-5所示。由于Qd1的存在，在弯曲梁的左右两端分别产生了额外的角点和。将（3-71）代入集中荷载引起的角公式（3-61）和（3-62）。几何尺寸，梁柱左右两端的附加角计算如下：图3-7单弯单稳钻具几何关系图图3-7中，L1为钻头底部至下稳定器中点的距离，m1为下稳定器中点至弯曲点的距离，m2为至弯曲点的距离到螺丝的顶部。,(3-81),(3-82)(3-83)(3-84)(3-85)上述公式中：(3-86),,(3-87)(3-88),,(3-89),(3-90)wi——钻具在钻井液中单位长度跨梁的重量，N/m。e1、e2代表稳定器直径Ds1与上切点钻具直径Dc2与井径D0之差的一半，即支架处的径向间隙。设w0=0，L0=0，P0=PB，α0=αB（钻头处倾角），钻头处弯矩M0=0。若Pα>0，则为偏转力；如果Pα<0，则为偏角力。3.4.2二维分析(1)二维问题安装角度Ω=0，钻孔曲率K≠0上边界条件为：,(3-91)连续性条件为：(3-92)根据初弯纵横梁等效荷载法公式，井筒曲率处理为梁柱：,(3-93)(2)三个弯矩方程跨度的右角是：(3-94)(3-95)(3-96)将方程（3-94）和（3-95）代入连续条件（3-92）和（3-96）代入边界条件（3-91），得到三个弯矩方程：(3-97)(3-98)三弯矩方程组有2个方程，其中未知数为M1和L2，共2个，故为定解。(3)钻头侧向力和钻头倾角的计算(3-99)(3-100)在上述公式中：(3-101),,(3-102)e1、e1代表稳定器直径Ds1，上切点钻具直径Dc1与井径D0之差的一半，即支座处的径向间隙。,为梁柱末端弯曲角产生的附加转角,,计算方法同(3-84)和(3-85)。,(3.103),(3-104),(3-105),,,(3-106)其中(αi)m，表示第i个跨度的梁柱中点处的倾角：(3-107)wi——单位长度跨梁在钻井液中的钻具重量；牛/米。假设w0=0，L0=0，P0=PB，α0=αB，（钻头倾角），钻头弯矩M0=0[2]。第四章单弯螺杆控制井斜影响因素及油田实例4.1单弯螺杆力学性能分析井下钻具总成：Φ215.9mmPDC钻头+9LZ165螺杆（0.75°）+159mm千斤顶+159mm短千斤顶（3m）+Φ214mm稳定器+159mm千斤顶+127mm钻杆。1.15毫克/立方厘米；转速：60r/min；钻压：25kN；螺杆长度：6.5m；螺杆重量：830kg；钻具组合转动一圈，工具面角从0°到360°连续变化的位置状态。从图4-1可以看出，当安装角度为零时，钻具处于增加倾角的状态（钻头侧向力为正）；当安装角度为180°时，导向钻具总成处于减小倾角的状态（钻头一侧为正）。力为负）。如果不考虑重力的影响，钻头侧向力的分布在0°到360°的变化范围内会呈现出均等均匀的状态。基于此，钻头将在各个方向进行均匀切削，导向钻具应具有稳定倾斜的特性[20]。图4-1一周内钻头钻井偏斜力变化但实际上，重力会对钻具组件的性能产生一定的影响，因为重力的方向始终是向下的，所以在0°~360°（圆周的下半部分）范围内，侧向力钻头的上半部圆周将大于对应值，呈非等值分布状态。因此，实际钻探的井段有时会呈现下坡趋势。重力作用导致Pa分布不均，倾角力一般大于倾角增加力，使井斜角略有减小。从图4-2可以看出，虽然弯曲角的大小对钻头的侧向力有直接影响，但钻头侧向力随刀面角的变化规律是一致的。单弯螺旋钻具一转的变化量，每30°取一个点。从图4-2可以清楚地看出，当单弯螺钉旋转一圈时，钻头的侧向力为负，即偏角力。大致按简谐形状，当弯头点方位为0°和360°时，单弯螺旋钻具组合处于侧向力最小的位置；当弯头点方位为180°时，单弯螺旋钻具组合处于最大侧向力的位置。图4-2一周内钻头侧向力变化4.2影响因素分析分析影响单弯螺旋钻具组合井斜控制的因素，对于改进单弯螺旋结构和组合形式，指导现场施工参数的设计，实现最佳的井斜控制效果具有重要的现实意义。综上所述，影响单弯螺旋钻具组合井斜控制的主要因素有：稳定器的位置、钻压、弯曲角度、弯头点位置和倾角。井角度等。下面对这些影响因素进行分析[20-25]。在考虑螺旋钻下降能力的影响因素的情况下，改变其中一个参数而其他参数固定。从得到的分析结果来看，由于单弯螺杆旋转，各种机械参数会发生相应的变化。为分析方便，采用弯头点方位为180°时的计算结果进行讨论。4.2.1稳定器放置位置稳定器的放置对单弯螺旋钻具的抗斜、降斜能力有很大的影响。稳定器的合理放置也是现场工程师最关心的问题。从图4-3可以看出，稳定器放置得越高，螺旋钻具的偏角能力就越大。图4-3稳定器位置对钻头侧向力的影响4.2.2WOB从图4-4可以看出，随着钻压的增加，钻头的侧向力几乎没有变化。图4-4钻头侧向力随WOB的变化4.2.3角球从图4-5可以看出，随着螺杆角度的增大，上切点位置向下移动，钻头的侧向力增大，稳定位置处的弯矩也增大。图4-5显示了弯曲角度对钻头侧向力的影响。从图中的情况看，钻头的侧向力几乎随弯曲角度线性增加。而且，弯曲角度的增加可以显着增加钻头的侧向力，这与WOB的影响不同。因此，在实际钻井过程中，为了更有效地控制井斜，可以考虑增加弯角。图4-5钻头侧向力随弯曲角度的变化4.2.4肘点位置单弯螺丝的弯头点（弯）的位置对钻头的侧向力有影响吗？影响有多大。这个问题在螺杆结构的改造中起着重要的作用。从图4-6可以看出，弯头点位置的变化对钻头的侧向力影响很大。弯头点位置的上移增加了钻头的侧向力，降低了螺钉的偏角能力。图4-6钻头侧向力随弯头点位置的变化4.2.5转盘速度从图4-7可以看出，转盘转速的提高会在一定程度上增加钻头的侧向力，但在实际钻井工程中提高转速可以更有效地防止跑偏。改进，增加钻头的横向切削次数。图4-7钻头侧向力随转盘转速的变化趋势4.2.6井斜图4-8显示了倾斜角度对钻头侧向力的影响。从图中的情况看，随着倾角的增大，钻头的侧向力变大。钻头的侧向力几乎随着井的倾斜角度线性增加。图4-8钻头侧向力随井斜的变化钻头的侧向力随着井的倾斜而增加，这似乎是矛盾的，因为要增加钻头的侧向力，就必须增加倾斜度。目前研究的目的是控制倾角，减小倾角。其实研究这个问题的目的就是为了说明单弯螺旋钻具有很强的纠偏能力。倾角越大，控制井斜的能力越强。在直井中，单弯螺杆不仅具有防止井斜的能力，而且具有纠偏的能力，比全孔钻具仅控制井斜的能力强。可以看出，稳定器离钻头越远，钻头的侧向力越大；钻头重量对钻头侧向力的影响不明显，转速对钻头压力的影响也较小；钻头的侧向力有很大的影响。适当增加弯曲角度，增加弯头点位置，可以增加钻头的侧向力；单弯螺旋钻具组合在井斜较大时表现出较强的斜度修正能力。4.3油田实例现场数据分析。钻具组合一：φ215.9PDC+φ165螺杆（0.75º）+随钻测井仪+φ159无磁+φ159钻铤+φ127加重钻杆+φ127斜坡钻杆+φ127普通钻杆钻具组合二：φ215.9PDC+φ165螺杆（1.25º）+φ159无磁+MWD+φ159无磁+φ159螺旋钻铤×3件+φ127加重钻杆+φ127钻杆钻具组合3：φ215钻头+φ165螺杆（1.25º）+LWD+411/4A10接头+φ159无磁钻铤+4A11/410接头+φ127加重钻杆+φ127钻杆钻孔参数（钻具1）：WOB30-50KN，转速30-40r/min，排量32L/s。钻孔参数（钻具2、3）：WOB30-80KN，转速50-80r/min，排量30-32L/s。表4-1主要倾角数据井号钻具结构稳定倾斜段米井斜变化(°)井斜变化率（°）/（100m）-1Z70-P62组合11728-1805__88.52-89.010.64G104-5P39组合21670-177241.10-41.430.32G104-5P39组合22130-218883.67-84.992.27G104-5P47组合21543-187240.14-40.70.17M125-P1组合31670-181