【正文】 a 1 2L m m??， b 2 1 2L L m m? ? ? (381) 2LL? ， c1Lm? (382) γ 2n 2L 1L 1n tA aP 0M 1q 1M x 1P 1L y 1P 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 27 R1 0??? (383) L b a c e2 a c a a a c 2a a a b b b a as ins in tg c o s 1c o s ( tg tg )k k L Lk L k L k L k L k k L k k L L? ? ? ??? ? ? ? ??? ??? (384) R b a c e2a a b a b b b a a b b b a as inc o s c o s c o s ( 1 tg tg ) ( tg tg )k k L Lk L k L k L k L k L k k L k k L L? ? ??? ??(385) 以上各式中： 1 1 111c o s c o s22i i i i i iP P w L w L??? ? ?? ? ? (386) 1 0 s11 ()2e D D??，2 0 c21 ()2e D D??， 0 0e? (387) 1112LPu EI? (388) ? ?33( ) tgX u u uu??， 3 1 1() 2 2 tg 2Yu u u u????????， 3 1 1() s in 2 2Zu u u u???????? (389) 11sinqw?? ， ? ?2 a a b b 2w w L w L L?? (390) wi— 每跨梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度鉆具在鉆井液中的重量， N/m。則有 ? ?1 1 2 2 2 2a m m m? ? ? ?? ? ? ? (369) P P dQ c a L 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 24 1212mma mm?? ? (370) 將 (370)代入 (367)： dQP?? (371) 圖 34 一個(gè)彎角影響及處理 單彎 單穩(wěn)螺桿鉆具組合受力與變形分析 一維分析 （ 1） 一維問(wèn)題 裝置角 Ω=0，井眼曲率 K=0 上邊界條件為： R120M? ?? (372) 連續(xù)條件為： RL12???? (373) （ 2） 三彎矩方程的建立 鉆頭和穩(wěn)定器與井壁之間的接觸關(guān)系可視為簡(jiǎn)單支座。1 x 0 ab a c ca c a a a c 2a a a b b b a as ins in tg c o s 1c o s tg tgL Q L Ly B kPLk k L LQ k L k L k LP k L k k L k k L L? ? ?? ? ???? ? ? ? ??? ??? (361) ? ? ? ?R39。其力學(xué)模型為： 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 20 圖 32 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： ? ?cL Q L LR L?? (337) cR QLR L? (338) 可求得任一點(diǎn) X 處的彎矩如下： ? ? ? ?cL Q L LM x x P yL???， ? ?c0 xL?? (339) ? ? ? ?cR Q L L xM x x P yL ???， ? ?cL x L?? (340) 梁柱變形的撓曲線微分方程為 ： ? ?a 1 LEI y M x?? ， ? ?c0 xL?? (341) ? ?a 2 REI y M x?? ， ? ?caL x L?? (342) ? ?b 3 REI y M x?? ， ? ?aL x L?? (343) 邊界條件： ? ?1 00y ? ? ?3 0yL? (344) 連續(xù)條件： ? ? ? ?1 c 2 cy L y L? ? ? ? ?239。 22 PL P iLu iuE I E I?? ? ?， 2Lu EI? (334) sin shui i u? ， cos chui u? ， tg tgui i u? (335) ? ? ? ?3339。39。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 15 第 3 章 復(fù)合鉆具組合控制井斜力學(xué)模型的建立 縱橫彎曲法是把一個(gè)帶有多穩(wěn)定器的下部鉆具組合看成為一個(gè)受有縱橫彎曲載荷的連續(xù)梁，然后利用梁柱的彈性穩(wěn)定理論導(dǎo)出相應(yīng)的三彎矩方程組，以求解BHA的受力與變形。 從上述 分析可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)： 1．當(dāng)單彎螺桿彎角位于上井壁時(shí)，鉆頭側(cè)向力最小，鉆頭橫向切削能力小?？疾鞆澖窃谏?、 下井壁兩個(gè)特殊位置。因?yàn)榫笨刂频哪举|(zhì)實(shí)質(zhì)上是控制鉆頭的側(cè)向切 削能力 [10， 11]。 與用 n=200+60=260r/min 的計(jì)算結(jié)果比較 ， 其相對(duì)誤差僅為 ，可見(jiàn)精度很高。如圖 25所示。 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)。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(chēng)之為鉆頭各向異性，在井眼軌跡控制中應(yīng)考慮它的影 響。 N F1 W1 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 10 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。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 ） 。鉆頭傾斜后對(duì)井底產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)切削，這是產(chǎn)生井斜的重要因素。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。影響井斜的因素主要有以下幾種 [3]。將這一技術(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，而不用起鉆更換鉆具組合 [1]。 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求。 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]。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(zhuān)用工具為動(dòng)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。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。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)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)。 Walker 的主要貢獻(xiàn)是在鉆柱力學(xué)研究方面。 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 MohrCoulomb 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。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(chēng)“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(jì)算模式和實(shí)用圖表。在這個(gè)歷史過(guò)程中，國(guó)內(nèi)外有關(guān)專(zhuān)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。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。s side force, and that is the theoretic base for designing special PDM against well deviation. plex drilling on well straightening shows bigger the side force in big deviation angle. Key words: plex drilling。 對(duì)單彎螺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(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(zhuān)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 。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。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。 美國(guó)專(zhuān)家 Lubinski 先生是研究井斜控制理論的著名學(xué)者。 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。 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。接著便是以白家 祉 為代表的一批專(zhuān)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)。 （ 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 4 彈性系統(tǒng)的勢(shì)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(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。 井斜控制專(zhuān)用工具現(xiàn)狀 井下專(zhuān)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(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)。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]。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 6 （ 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)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)。 （ 6）復(fù)合鉆具 國(guó)外目前采用這種技術(shù)比較普遍 [8]。 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。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。 P 硬地層 軟地層 B A bF aF 硬地層 軟地層 M B A bF aF P 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 9 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。 。穩(wěn)定器直接安放在鉆頭上方將產(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。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)體的外廓形狀一致。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]。 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。取彎角 γ =1176