【正文】 （ 變剛度 ） 梁柱端部轉(zhuǎn)角的計算公式如下： ? ?? ?c39。單彎的等效處理，即把存在一個彎角的曲梁柱，用一集中載荷作用在彎角處的直梁代替，且設(shè)在結(jié)構(gòu)彎角處的初始橫向位移 a 為，參考圖 34 可得： 1 1 2 2sin sina m m???? (368) 因?qū)蜚@具的結(jié)構(gòu)彎角通常不大于 3176。由于Qd1 的存在 ， 在曲梁的左右兩端分別產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)角 L2δθ 和 R2δθ ， 將 (371)代入集中載荷引起的轉(zhuǎn)角公式 (361)， (362)，結(jié)合圖 37 的幾何尺寸，梁柱左右兩端的附加轉(zhuǎn)角計算如下： 圖 37 單彎單穩(wěn)鉆具幾何關(guān)系圖 圖 37 中， L1 是鉆頭底面至下穩(wěn)定器中點的距離， m1 是從下穩(wěn)定器中點至彎點的距離， m2 是從彎點到螺桿頂端的距離。 e1， e2 表示穩(wěn)定器直徑 Ds1和上切點鉆具直徑 Dc2 與井徑 D0 的差值之半，即支座處的 徑向間隙。鉆具組合在鉆壓 PB 和鉆柱自重的作用下發(fā)生變形。 c b c3 x= L b b b bbb a c ca a b a b b b a a b b b a asin c o s c o ssinc o s c o s c o s 1 tg tg tg tgQ L F k Q Ly E k k L F k k LP L k L P Lk k L LQP k L k L k L k L k L k k L k k L L? ? ? ? ? ? ? ? ??? ?? (362) 若軸向力 P0，即為拉力時，則 a aPk EI??，b bPk EI?? ? ?P0 (363) ? ?L b a c ca c a a a c 2 a a a b b b a ashsh th c h 1c h th thk k L LQ k L k L k LP k L k k L k k L L? ??? ? ? ? ??? ??? (364) ? ? ? ?R b a c ca a b a b b b a a b b b a ashc h c h c h 1 th th th thk k L LQL k L k L k L k L k L k k L k k L L? ?? ??(365) 式中 Q — 集中載荷， N； Lc — 集中載荷距 A 端 （ 左支座 ） 的距離， m。39。 thX u u uu??， ? ? 3 1 139。b b b ()EI y M x?? a()L x L?? (36) 邊界條件 ： a(0) 0y ? (37) b( ) 0yL? (38) 連續(xù)條件： a a b b( ) ( )y L y L? (39) 39。在縱橫彎曲法中，首先是把 BHA從支座處 (穩(wěn)定器和上切點等 )斷開，把連續(xù)梁化為若干個受縱橫彎曲載荷的 簡 支梁柱，用彈性穩(wěn)定理論求出每跨間支梁柱的端部轉(zhuǎn)角值，利用在支座處轉(zhuǎn)角相等的連續(xù)條件和上切點處的邊界條件列寫三彎矩方程組。但是鉆頭的傾角為負，鉆頭是沿井斜的反方向進行鉆進。當彎角位于下井壁時，鉆頭傾角是沿井斜的方向；當彎角轉(zhuǎn)到上井壁，鉆頭傾角的方向發(fā)生變化，變?yōu)榕c井斜方向相反的方向。 這里提出使用單彎螺桿來控制井斜的思想就是從工具本身來考慮如何增大鉆頭側(cè)向力的。因此在實際應(yīng)用中 可以采用這樣的近似。 圖 25 單彎螺桿和轉(zhuǎn)盤鉆聯(lián)合鉆進鉆頭速度分析 角速度 ω 位于 ω1 、 ω 2 之間，與鉆具本體軸線的夾角為 γ1 (γ1 γ )。設(shè)鉆柱與螺桿外殼均以角速度 ω2 繞垂直于井底的 O 軸轉(zhuǎn)動，鉆頭則由螺桿轉(zhuǎn)子以均勻2ω O 1ω R M 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 11 角速度 ω1 相對于外殼旋轉(zhuǎn)，如圖 24 所示。由于鉆頭各向異性的影響，鉆頭即使在均質(zhì)各向同性地層里鉆進，也不能按鉆頭機械合力方向運動。當穩(wěn)定器離鉆頭足夠遠時，穩(wěn)定器以下鉆柱產(chǎn)生的鐘擺力將使鉆頭有降斜的趨勢。因此，隨著鉆壓增加，負側(cè)向力減少，正側(cè)向力增大。隨著鉆壓的進一步增大，切點下移、鉆 頭偏轉(zhuǎn)角度增大，對井斜影響更大。另外，由于鉆頭兩側(cè)受力不均，在 A側(cè)的井底反力的合力比 B 側(cè)大，將產(chǎn)生一個彎矩 M，扭轉(zhuǎn)鉆頭，使其沿著地層仁傾方向發(fā)生傾斜。 地層及其各向異性 造成井眼彎曲的地質(zhì)因素主要是地層的各向異性和軟硬交錯。 本文主要研究內(nèi)容 本文的研究思路是借鑒國內(nèi)外穩(wěn)斜取得的研究成果，提出適合肇州油田需要遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 7 的穩(wěn)斜技術(shù)，從理論到實踐中加以完善。 （ 5）導(dǎo)向鉆井系統(tǒng) 自從 80 年代初滑移導(dǎo)向鉆井技術(shù)在北海油田的成功試驗，由聚晶人造金剛石鉆頭 （ PDC 鉆頭 ） 、井下動力鉆具 （ 渦輪鉆具和螺桿鉆具 ） 、隨鉆測量系統(tǒng) （ MWD 系統(tǒng) ） 三位一體的滑移導(dǎo)向鉆井技術(shù)得到大規(guī)模研究和應(yīng)用。 （ 3）穩(wěn)定器、可變徑穩(wěn)定器、伸縮鉆鋌 國外從 70 年代未，研制了可調(diào)直徑穩(wěn)定器、伸縮短節(jié)，這些工具的應(yīng)用可減少起下鉆次數(shù)，提高井眼軌跡控制精度和效率。據(jù)國內(nèi)油田定向井鉆具使用情況的不完全統(tǒng)計，由于種種原因，這些井下專用工具的絕大部分沒有在鉆井中得到推廣應(yīng)用，仍需進一步研究完善。計算結(jié)果表明，由于沒有精確考慮鉆具組合變形的非線性以致在剛度矩陣中忽略了幾何矩陣的存在，因此計算結(jié)果有時與實際情況存在較大誤差。其具有代表性的方法有Lubinski 經(jīng)典數(shù)學(xué)微分方程法， K. K. Mi11em 的有限元法， B. H. Walker 的能量法，白家 祉 的 縱橫彎曲法 [1， 4]。 在井眼軌跡控制理論和技術(shù)研究方面，英國專家 Brown等人、法國專家 Amara等人，也都做了一些有益的研究工作。 Fisher 采用有限差分法對平面彎曲井眼中的鉆柱進行了兩維靜力大撓度分析，編制了相應(yīng)的計算機分析程序。 Hoch 定量分析了一種“滿眼”鉆具組合（ 含有三個穩(wěn)定器 ） ，得到的結(jié)論是 :這種鉆具組合可以消除井斜變化太快的問題，同時他還對使用的鉆挺橫向尺寸 （ 外徑 ） 提出了定量限制。在 50 年代和 60 年目標。 在常規(guī)定向井、水平井鉆井鉆進過程中，通常因改換鉆具組合而頻繁起下鉆，從而嚴重影響了鉆進時效和其他先進工藝的實施。 hold angle。 木文對轉(zhuǎn)盤與螺桿鉆具聯(lián)合鉆進時的防斜打快機理進行了分析，采用縱橫彎曲連續(xù)梁法，建立了這種下部鉆具組合的力學(xué)模型 ， 利用該模型定量分析了其控制井斜的力學(xué)特性，從理論上分析了這種下部鉆具組合控制井斜的主要影響因素，為優(yōu)化這種鉆具組 合和施工參數(shù)設(shè)計提供了理論依據(jù)。導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展帶動了大位移井，水平井和分支井鉆井技術(shù)的實施，保證了以較低的鉆井成本實現(xiàn)地質(zhì)目的。復(fù)合鉆進技術(shù)已在國外廣泛使用，取得了很好的經(jīng)濟效益。因此，定向井軌跡控制 問題，是一個更為復(fù)雜的研究課題 [13]。應(yīng)該指出， Lubinski 等人的研究始終限于兩維分析，這在定向井控制中不能占優(yōu)勢。 Bradley 等人的研究也僅限于兩維分析。剛進入 80 年代時 的水平還相當?shù)?，理論研究工作是從唐俊才等人修改“霍奇公式”開始的。 建立的力學(xué)模型，為后人的進一步研究奠定了基礎(chǔ)，他所提出的假設(shè)基本上為后來研究者長期采用 ； 他對光鉆挺鉆具性能作了 詳盡研究，并發(fā)展到單穩(wěn)定器鐘擺鉆具，定性討論了多穩(wěn)定器鉆具，使人們對穩(wěn)定器效能的全面認識和對后來多穩(wěn)定器滿眼鉆具的出現(xiàn)起到了引導(dǎo)作用。這組方程是非線性代數(shù)方程組，從中可以清楚地看出影響鉆柱受力和變形的各個因素。其原理有二：一是由于滿眼鉆具比光鉆挺的剛度大，并能填滿井眼，在大鉆壓下不易彎曲，保持鉆具在井內(nèi)居中，減小鉆頭的偏斜角，從而減小和限制因鉆柱彎曲產(chǎn)生的增斜力；二是在地 層橫向力的作用下，穩(wěn)定器能支撐在井壁上，限制鉆頭的橫向移動，同時能在鉆頭處產(chǎn)生一個抵抗地層力的糾斜力。 變徑穩(wěn)定器和伸縮鉆挺是定向井旋轉(zhuǎn)鉆井時，實施井眼軌道連續(xù)控制不可缺少的工具，由于鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆井時工作狀態(tài)較復(fù)雜，而現(xiàn)有工具在結(jié)構(gòu)和控制方式中還存在一些不合理性，使得這些工具在國內(nèi)油田還沒有 得到推廣應(yīng)用，仍需進一步研究和完善。這一技術(shù)是近幾年研究的主要方向，國外有研究成果和應(yīng)用報導(dǎo)，國內(nèi)只有研究報告，還沒有應(yīng)用報導(dǎo)。計算其控制井斜時，鉆頭側(cè)向力的大小，確定其控制井斜的能力。 巖石在不同方向上具有不同強度和硬度等力學(xué)性質(zhì)的現(xiàn)象稱為巖石的各向異性。所以鉆頭由硬地層進入軟地層也有可能仍然向地層上傾方向發(fā)生傾斜。 csin2LF ??? (21) 式中 F— 鉆頭側(cè)向力， N； L 一切線長度， m； ωc— 鉆鋌 單位長度重， N/m； α— 井斜角， 176。井下鉆具中穩(wěn)定器的位置也將影響鉆頭側(cè)向力的大小，因此將決定下部鉆具組合是增斜、穩(wěn)斜還是降 斜。例如鉆井中所使用的大多數(shù)牙輪鉆頭，在結(jié)構(gòu)上都有一定的移軸或牙輪超大，這就使得鉆頭的最大直徑不在井底 而是在高于井底的某處，從而造成鉆出來的井底與圓柱形井筒之間有一段曲面狀的過渡區(qū)，結(jié)果牙輪的外圈齒以近似于銑削的方式切削這個過渡區(qū)，這便是牙輪鉆頭對井壁的側(cè)向切削，簡稱側(cè)切。即在螺桿轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)鉆柱以帶動螺桿定子旋轉(zhuǎn)。在任意一瞬間， M 點的牽引速度為 v2=ω 2r, M點的相 對速度為 v1=ω 1r，其方向與鉆柱旋轉(zhuǎn)方向相同。 采用這樣的近似誤差很小。 復(fù)合 鉆具控制井斜的機理 從上節(jié)中的分析中己經(jīng)知道造成井斜的主要原因。 用單彎螺桿來控制井斜，類似一種偏心鉆具，利用單彎螺桿在轉(zhuǎn)動中產(chǎn)生的離心慣性力以增加鉆頭處的側(cè)向力，達到降斜的目的。通常使用“單彎螺桿 +PDC鉆頭”是因為 PDC鉆頭適用這種低鉆壓、高轉(zhuǎn)速的工作條件。雖然鉆頭傾角變?yōu)檎?，使鉆頭沿井斜方向運動。 而對變截面梁柱串的力學(xué)分析，通常是采用從變截面的臺階處截開，與相鄰的穩(wěn)定器構(gòu)成兩跨縱橫彎曲簡支梁柱，即把臺階截面視為一個支座，再用彈性穩(wěn)定理論求出每跨簡支梁柱的端部轉(zhuǎn)角值和變截面處的剪力，利用連續(xù)梁柱在支座處轉(zhuǎn)角相等和上切點處的邊界條件及變截面處剪力和位移相等的條件來列出三彎矩方程組和求解的未知數(shù) （ 截面處內(nèi)彎矩和撓度 ） ，方程是定解 的。 aLa a a a ac o s s in qRy A k k x B k k x xPP? ? ? ? (315) ? ?L b a a39。m； La， Lb， L— 分別為 A跨 、 B跨 和總 長度， m； ka， kb— 分別為 A跨和 B跨曲率， rad/m； Ia， Ib— 分別 為 A跨和 B跨截面慣性矩， m4； qa， qb— 分別 為 A跨和 B跨均布載荷， N/m； P — 端部軸向力， N； C? — A跨和 B跨曲率之差絕對值， rad/m； E — 彈性模量 ， Pa。2 a ay L y L? (346) ? ?c1 a ac os si n Q L Ly A k x B k x xPL?? ? ? ? ?c0 xL?? (347) y cL Q Q Rθ Lθθ R L y RR RL Lb La P P bq x bIIb aq aIIa x 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 21 ? ?c2 a ac os si n Q L L xy C k x D k x PL ?? ? ? ? ?caL x L?? (348) ? ?c3 a bc os si n Q L L xy E k x F k x PL ?? ? ? ? ?aL x L?? (349) 式中： a aPk EI?，b bPk EI? ? ?0P? (350) 根據(jù) 式 (247)~(249 )可求得： ? ?1c39。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 23 （ 2） 連續(xù)條件 對 N 跨連續(xù)梁中的第 i 支座，其左右兩端轉(zhuǎn)角的絕對值必然是相等的，即 RLi i+1???? Riθ — 第 i跨梁柱的右端 (R)轉(zhuǎn)角， rad； Li+1θ — 第 i+1 跨梁柱的右端 (L)轉(zhuǎn)角， rad。如圖 35 單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合在斜直井中所示，穩(wěn)定器處彎矩 M1 和上切點位置 L2 為待求的未知量。 二維分析 （ 1） 二維問題 裝置角 Ω=0 ，井眼曲率 K≠0 上邊界條件為： ? ?R2 1 2K L L? ??， 2 T bM M EI K?? (391) 連續(xù)條件為 ： RL12????