【正文】 組成導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)也有所應(yīng)用，自 20 世紀(jì) 80年代末期以來，中國(guó)石油天然氣集團(tuán)公司石油勘探開發(fā)研究院鉆井所一直在致力于用復(fù)合鉆具進(jìn)行定向井軌道控制的理論與實(shí)驗(yàn)研究及技術(shù)推廣工作。 a) b) 圖 21 巖性變化對(duì)井斜的影響 當(dāng)鉆頭從軟地層進(jìn)入硬地層時(shí)，如圖 21(a)所示。 圖 22 直井中鉆柱的彎曲 圖 23 斜井中的下部鉆柱受力 因?yàn)樵摿κ咕劢敌?，為?fù)側(cè)向力。這個(gè)形狀取決于鉆頭的兒何結(jié)構(gòu)。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)在來考察轉(zhuǎn)盤和單彎螺桿鉆具聯(lián)合鉆進(jìn)時(shí)的情況。能被操作者用來主動(dòng)進(jìn)行控制的是鉆具組合的類型與結(jié)構(gòu)、工藝操作參數(shù) （ 又稱鉆井措施 ） 和鉆頭類型等三方面的因素。 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。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)變剛度問題。 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)在原來的彎點(diǎn)處，作用線位于彎角平面內(nèi)且與直梁柱垂直 ） ，即可用直梁取代原來的曲粱進(jìn)行變形分析。 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。 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 ） 線性迭加得到。 2 th 2 2Yu u u u????????， ? ? 3 1 139。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。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 （ 見圖 27） 。從以上分析可以知道，當(dāng)轉(zhuǎn)盤和單彎螺桿鉆具聯(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)盤轉(zhuǎn)速和螺桿轉(zhuǎn)速的任何一個(gè)轉(zhuǎn)速。則 ω1 =π n1/30， ω 2=π n2/30。 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鉆進(jìn)，鉆頭設(shè)計(jì)者很少考慮鉆頭的側(cè)向切削問題。 在鉆斜并時(shí)，鉆挺與井眼下邊在切點(diǎn)處開始接觸，切點(diǎn)至鉆頭距離為切線長(zhǎng)度L。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。 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用工具。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 5 （ 1）滿眼鉆具 滿眼組合是當(dāng)前常規(guī)防斜技術(shù)的典型組合。 （ 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。 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。進(jìn)入 70年代后，隨著定向井的發(fā)展，研究的重心開始移向定向井井眼軌跡控制問題。 continuous beam theory。 the lateral force 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 III 目 錄 摘 要 ................................................................ I ABSTRACT ............................................................ II 目 錄 .............................................................. III 第 1章 前 言 ......................................................... 1 問題的提出 ...................................................... 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，導(dǎo)向技術(shù)得到迅速發(fā)展。在定向井井眼軌跡控制中，既要求對(duì)井斜角進(jìn)行控制，又要求對(duì)井斜方位進(jìn)行嚴(yán)格控制。他還定量分析和闡述了在井斜控制中使用大重度高彈性模量 （ 如金屬鎢等 ） 鉆挺的優(yōu)點(diǎn) 。他的基本思想是在滿足經(jīng)典材料力學(xué)控制方程的前提下，建立起鉆柱受力變形的精確微分方程，利用特殊函數(shù)法、迭代法和有限差分法等給出方程的解答。滿眼鉆具一般是山幾個(gè)外徑與鉆頭直徑相近的穩(wěn)定器及一些外徑較大的鉆挺構(gòu)成。由于鉆柱旋轉(zhuǎn)，使得定位和導(dǎo)向系統(tǒng)研究十分困難，但旋轉(zhuǎn)鉆井能夠克服滑移鉆井的許多缺點(diǎn)，如鉆柱摩阻大、鉆井液攜屑能力差、機(jī)械鉆速低等。地層 的各項(xiàng)異性主 要 表現(xiàn)在巖石的各向異性和巖石軟硬交錯(cuò)兩個(gè)方面。切點(diǎn)以下鉆柱由于自重的作用將產(chǎn)生一個(gè)鉆頭處的側(cè)向力 F。不過，在實(shí)際鉆井中所使用的鉆頭均有不同程度的側(cè)切能力，并且它對(duì)鉆進(jìn)軌跡有一定的影響。在鉆頭邊緣上取一距中心為 r的 M點(diǎn)。因此，導(dǎo)致機(jī)械鉆速有明顯的提高。 圖 27 單彎螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鉆頭傾角變化示意圖 單彎螺桿控制井斜的另一重要原因，就是動(dòng)力鉆具的高轉(zhuǎn)速可以提高單位進(jìn)尺鉆頭橫向切削井壁的次數(shù)。 基本假設(shè)和力學(xué)模型 [2， 10， 1318] 在對(duì)下部鉆具組合進(jìn)行靜態(tài)小撓度分析時(shí)，一般都應(yīng)遵循如下的基本假設(shè)： （ 1） 彎接頭以下的動(dòng)力鉆具組合簡(jiǎn)化為等效鉆挺（均勻、連續(xù)的等圓環(huán)截面梁柱）； （ 2）鉆頭底面中心位于井眼中心線上，鉆頭和地層間無力偶作用； （ 3）鉆壓為常量，作用在鉆頭中心處的井眼軸線的切線方向； （ 4）井壁為剛性體，井眼尺寸不隨時(shí)間變化； （ 5）穩(wěn)定器 (偏心墊塊 )與井壁的接觸為點(diǎn)接觸； （ 6）上切點(diǎn)以上鉆柱一般因自重而躺在下井壁上 ； （ 7）鉆具組合在變形前后，其彎接頭彎角頂點(diǎn)處的兩條切線保持不變； （ 8）不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)和震動(dòng)等動(dòng)態(tài)因素的影響； （ 9）二維井身曲線為平面內(nèi)的一段圓弧曲線，井眼軌道的橫截面為圓形。 2 s h 2Zu u u u????????(336) 這里 Ma， Mb— 分別為 A端和 B端彎矩， N 由此，受多種橫向載荷的縱橫彎曲間支梁柱都可以分解為橫向均勻載荷 q 與軸向載荷 P 共同作用、左端有力偶 Mi 與軸向載荷 P 共同作用、右端有力偶 Mi+1與軸向載荷 P 共同作用、橫 向集中力 Q 與軸向載荷 P 共同作用四種情況之和。 若 Pα 0，則為造斜力；若 Pα 0，則為降斜力。 初始結(jié)構(gòu)彎角的等效處理 按照 文獻(xiàn) [6]對(duì)結(jié)構(gòu)上存在初始彎曲的處理方法，即用一當(dāng)量橫向集中載荷 Qd作用在彎曲點(diǎn)處的直梁柱代替它初始彎曲對(duì)曲梁柱變形的影響。 利用公式 (333~336)將相應(yīng) 的公式代人 (311~332)可求得 P0各計(jì)算式。 遼寧石油化工大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院論文 16 均布載荷和彎矩同時(shí)作用下的力學(xué)模型 圖 31 軸向載荷與橫向均布載荷及彎矩聯(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： 22b a a a b b a a bL 2( ) 22M