【正文】 .............................................. III 第 1章 前 言 ......................................................... 1 問(wèn)題的提出 ...................................................... 1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 .................................................. 1 井眼軌跡控制理論 ............................................ 1 下部鉆具組合力學(xué)方法研究 .................................... 3 井斜控制專(zhuān)用工具現(xiàn)狀 ............................................ 4 本文主要研究?jī)?nèi)容 ................................................ 6 第 2章 復(fù) 合鉆具控制井斜的機(jī)理 ........................................ 8 影響井斜的原因 .................................................. 8 地層及其各向異性 ............................................ 8 鉆柱彎曲引起的鉆頭側(cè)向力 .................................... 9 鉆頭結(jié)構(gòu)引起的各向異性 ..................................... 10 復(fù)合鉆具提高機(jī)械鉆速的機(jī)理 ..................................... 10 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 ........................... 15 基本假設(shè)和力學(xué)模型 [2， 10， 1318]............................... 15 均布載荷和彎 矩同時(shí)作用下的力學(xué)模型 ......................... 16 集中載荷作用下的力學(xué)模型 ................................... 19 縱橫彎曲連續(xù)梁理論中的迭加原理和連續(xù)條件 ...................... 22 初始結(jié)構(gòu)彎角的等效處理 ......................................... 23 單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合受力與變形分析 ............................. 24 一維分析 ................................................... 24 二維分析 ................................................... 27 第 4章 影響單彎螺桿控制井斜因素及油田實(shí)例 ........................... 30 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 IV 單彎螺桿力學(xué)性能分析 ........................................... 30 影響因素分析 ................................................... 31 穩(wěn)定器安放位置 ............................................. 31 鉆壓 ....................................................... 32 彎角 ....................................................... 32 肘點(diǎn)位置 ................................................... 33 轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速 ................................................... 33 井斜角 ..................................................... 34 油田實(shí)例 ....................................................... 35 結(jié) 論 ............................................................... 36 參考文獻(xiàn) ............................................................ 37 致 謝 ............................................................... 39 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 1 第 1 章 前 言 問(wèn)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(lái)，導(dǎo)向技術(shù)得到迅速發(fā)展。遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題目： 復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 I 復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究 摘 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(kāi)發(fā)速度。 continuous beam theory。復(fù)合鉆井技術(shù)在提高鉆頭機(jī)械鉆速的同時(shí)，可以減少鉆井過(guò)程中的起下鉆次數(shù)，提高鉆井時(shí)效。進(jìn)入 70年代后，隨著定向井的發(fā)展，研究的重心開(kāi)始移向定向井井眼軌跡控制問(wèn)題。實(shí)踐證明，盡管 Hoch的理論分析有誤，但是他對(duì)控制狗腿嚴(yán)重度的認(rèn)識(shí)和對(duì)策是正確的。 Bradley 從鉆柱力學(xué)、鉆頭結(jié)構(gòu)特性及地層特性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)論述，試圖幫助鉆井工作者較全面的認(rèn)識(shí)影響井斜的重要因素。當(dāng)然，我們還可以發(fā)現(xiàn)國(guó)外其他一些研究人員所做的工作，如 Birades 等人的研究結(jié)果。 （ 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 和 . Wood。在我國(guó)“七五”期 間，呂英明教授等人，也對(duì)此方法在鉆柱力學(xué)中的應(yīng)用作了較為系統(tǒng)的研究。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 5 （ 1）滿(mǎn)眼鉆具 滿(mǎn)眼組合是當(dāng)前常規(guī)防斜技術(shù)的典型組合。目前有一種自動(dòng)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(guò)扶正器上可伸縮扶條的不對(duì)稱(chēng)伸縮，使鉆具偏向一邊，起降斜、增斜及扭方位的作用。 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(cè)量值的反饋信息，自動(dòng)定位并施加給鉆頭一個(gè)側(cè)向力，實(shí)施井眼軌道的連續(xù)控制，其核心工具就是一 個(gè)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(zhuān)用工具。主要的研究?jī)?nèi)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)合鉆具控制井斜較傳統(tǒng)的控制井斜方法更有優(yōu)勢(shì)。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。 當(dāng)鉆頭由硬地層進(jìn)入軟地層時(shí)，如圖 21(b)所示，開(kāi)始時(shí)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(shì)。 在鉆斜并時(shí)，鉆挺與井眼下邊在切點(diǎn)處開(kāi)始接觸，切點(diǎn)至鉆頭距離為切線(xiàn)長(zhǎng)度L?？倐?cè)向力矢量和軸向力將決定井眼的偏斜度。 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(xiàn)鉆進(jìn)，鉆頭設(shè)計(jì)者很少考慮鉆頭的側(cè)向切削問(wèn)題。在這種情況下，鉆頭轉(zhuǎn)角也對(duì)鉆進(jìn)方向產(chǎn)生影響 。則 ω1 =π n1/30， ω 2=π n2/30。圖25所示的 ω 是鉆具位于所示位置的絕對(duì)角速度。從以上分析可以知道，當(dāng)轉(zhuǎn)盤(pán)和單彎螺桿鉆具聯(lián)合鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭的絕對(duì)轉(zhuǎn)速是一個(gè)合成轉(zhuǎn)速，大于轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)速和螺桿轉(zhuǎn)速的任何一個(gè)轉(zhuǎn)速。使用單彎螺桿來(lái)控制井斜有兩方面的好處：一是單彎螺桿在控制井斜時(shí)比鐘擺鉆具更加地穩(wěn)定，防斜效果更加明顯。上井壁時(shí)改變鉆頭傾角是單彎螺桿控制井斜的第二個(gè)原因 （ 見(jiàn)圖 27） 。此時(shí)的降斜主要是依靠鉆壓的作用。三彎矩方程組是一系列以支座內(nèi)彎矩和最上一跨長(zhǎng)度 （ 表征上切點(diǎn)位置 ） 為未知 數(shù)的代數(shù)方程組，對(duì)其進(jìn)行求解即可得到 BHA的受力和變形。39。 2 th 2 2Yu u u u????????， ? ? 3 1 139。1 c cy L y L? (345) ? ? ? ?2 a 3 ay L y L? ? ? ? ?339。 縱橫彎曲連續(xù)梁理論中的迭加原理和連續(xù)條件 （ 1） 迭加原理 [2] 文獻(xiàn) [2]指出了，當(dāng)有多個(gè)橫向載荷同時(shí)作用于軸向受壓的梁柱時(shí)，梁柱的總變形 （ 撓度、轉(zhuǎn)角 ） 可由每個(gè)橫向載荷分別與軸向載荷共同作用所產(chǎn)生的變形 （ 撓度、轉(zhuǎn)角 ） 線(xiàn)性迭加得到。下部鉆具組 合因重力作用 ， 一般情況上端 T 點(diǎn)與下井壁相切，而 T 點(diǎn)以上的鉆挺與下井壁相貼 ， 因而可認(rèn)為它與井身軸線(xiàn)具有相同的曲率。 假設(shè) w0=0， L0=0， P0=PB， α0 =α B（ 鉆頭處的井斜角 ） ，鉆頭處的彎矩 M0=0。 （ 3） 鉆頭側(cè)向力和鉆頭傾角的計(jì)算 x 1S 1R 1L α 2L T 2R 2P 2M bq dQ 1M 1q aP BP y 0M 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 26 圖 36 鉆頭側(cè)向力和鉆頭傾角 211a 0 1 0 111 2qLP P e M ML ??? ? ? ? ? ????? (379) 3 0 1 1 01 1 1 1t 1 1 1 1( ) ( ) ( )2 4 3 6M L e eq L M LA X u Y u Z uE I E I E I L?? ? ? ? (380) （ 4） 附加轉(zhuǎn)角 L2δθ ， R2δθ 的計(jì)算 根據(jù)初始彎角的處理方法，在彎角處附加一集中載荷 Qd1，如圖 35。 Qd所產(chǎn)生的彎矩圖應(yīng)與軸向力 P由于初始彎曲所產(chǎn)生的彎矩圖相同，由彎矩相等 [19][2]： ? ?dQ c L cP L? ?? (366) 圖 33 彎曲影響及處理 由此得： ? ?d PaLQ c L c? ? (367) 把求出的當(dāng)量橫向集中載荷 Qd 附加作用在直梁柱上 （ 作用點(diǎn)在原來(lái)的彎點(diǎn)處，作用線(xiàn)位于彎角平面內(nèi)且與直梁柱垂直 ） ，即可用直梁取代原來(lái)的曲粱進(jìn)行變形分析。 c2 a a a as in c o s QLy C k k x D k k x PL? ? ? ? (352) 39。 集中載荷作用下的力學(xué)模型 對(duì)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(shí)，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(gè)變剛度問(wèn)題。 L L LLa x = 0 a a a b b cRy A k A M A M AP? ? ? ? ? ? ? (325) ? ?L b a aR39。39。 彎角位于上井壁 鉆頭軸線(xiàn) β γF 井眼軸線(xiàn) 彎角位于下井壁 β 鉆頭軸線(xiàn) 井眼軸線(xiàn) γF 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 14 3．單彎螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，鉆頭傾角的正負(fù)交替變化，可以抵消鉆頭傾角導(dǎo)致井斜。 使用螺桿鉆具后，鉆進(jìn)相同的單位進(jìn)尺， PDC鉆頭切削下井壁的次數(shù)是普通鐘擺鉆具的 24倍。圖 26 是單彎螺桿 示意圖。能被操作者用來(lái)主動(dòng)進(jìn)行控制的是鉆具組合的類(lèi)型與結(jié)構(gòu)、工藝操作參數(shù) （ 又稱(chēng)鉆井措施 ） 和鉆頭類(lèi)型等三方面的因素。 ， n1=200r/min， n2=60r/min。于是有， M點(diǎn)的絕對(duì)速度 v為： e r 2 1()v v v r w w? ? ? ? (22) 因此，鉆頭上 M點(diǎn)的絕對(duì)速度 ? 為： 12vr? ? ?? ? ? (23) 從而得到： 12n n n?? (24) 現(xiàn)在來(lái)考察轉(zhuǎn)盤(pán)和單彎螺桿鉆具聯(lián)合鉆進(jìn)時(shí)的情況。 圖 24 轉(zhuǎn) 盤(pán)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(duì)轉(zhuǎn)速可以明顯的提高。這個(gè)形狀取決于鉆頭的兒何結(jié)構(gòu)。當(dāng)鉆頭穩(wěn)定器 y MM M39。 圖 22 直井中鉆柱的彎曲