【正文】 元，但是我們的施工成本已遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于這個數(shù)字。針對本次試驗(yàn)暴露的技術(shù)問題，應(yīng)該繼續(xù)努力改進(jìn)和完善徑向水 平井鉆井技術(shù)，提高其對地層適應(yīng)性，開展徑向水平井油藏工程技術(shù)研究。 工業(yè)試驗(yàn)也暴露出以下問題： （ 1） 以 YSZ7型轉(zhuǎn)向器為代表的徑向水平井鉆井系統(tǒng)在泥巖夾層地段噴射送進(jìn)效率較低； （ 2） 試驗(yàn)施工成本較高。 7．試驗(yàn)系統(tǒng)配置充分，完全滿足了徑向水平井噴射鉆井和鉆前預(yù)備工作的需要，但是施工成本比較高。原因 是鉆遇泥巖夾層時，鉆桿會自動往軟的方向偏離，對井眼軌跡有較大的影響，同時可能導(dǎo)致井眼截面尺寸不規(guī)則。 4．井口裝置中的進(jìn)液三通、傳感器接口性能優(yōu)越，結(jié)構(gòu)小巧，工作性能良好。井口密封性能可靠。 2．井底密封裝置在高低壓力下和在井下浮砂較重的情況下，連續(xù)工作時間達(dá)到 5h，雖然有些時段存在泄漏，但是未影響泵車壓力提升，井底密北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院（ 畢業(yè)設(shè)計 ） 24 封具有較強(qiáng)的工作能力。但是，系統(tǒng)在泥巖夾層地段噴射送進(jìn)效率較低。改進(jìn)后的軌跡系統(tǒng)比較成功。 （ 2） 井下工業(yè)試驗(yàn)結(jié)果表明 1． YSZ7型轉(zhuǎn)向器轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及其輔助系統(tǒng)具有較強(qiáng)的轉(zhuǎn)向噴射和送進(jìn)能力。 3．實(shí)驗(yàn)結(jié)果 總進(jìn)尺： （完成了試驗(yàn)大綱規(guī)定的進(jìn)尺 8～ 20m要求） 張力：正常送進(jìn)時一般為 44kN； 鉆桿通過轉(zhuǎn)向器參數(shù)：最高壓力 ,維持張力為 44kN； 鉆桿回拉阻力： ， 45kN時平穩(wěn)； 工作壓力階段用時間： （純鉆進(jìn)時間 ）； 所鉆巖層：砂巖 —— 泥巖夾層。 套管段銑位置： 999～ ； 徑向噴射點(diǎn)深度（水平段 A支和 B支）： ； 北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院（ 畢業(yè)設(shè)計 ） 23 A支方位角： 390； B支方位角： 2670。 1．試驗(yàn)井況 錦 45檢 1井位于錦 45塊錦 90斷塊中部，構(gòu)造上處于半背構(gòu)造高部，地層由北向南傾斜，地層傾角 80，錦 45檢 1井于 Ⅱ 組構(gòu)造頂部埋深 1000m左右。 （ 2） 現(xiàn)場試驗(yàn) 徑向水平井鉆井技術(shù)先后進(jìn)行了 6次現(xiàn)場工業(yè)性試 驗(yàn)。水泥試件采用預(yù)制水泥試件，抗壓強(qiáng)度為 20～ 30MPa。試驗(yàn)主要設(shè)備包括壓裂車組、徑向水平井綜合試驗(yàn)臺架、送進(jìn)控制系統(tǒng)、高壓井口和井口密封裝置、送進(jìn)光桿、鉆桿、鉆頭、 YSZ7型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)、工作油管、傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。以 YSZ7型轉(zhuǎn)向器為例，說明地面綜合模擬試驗(yàn)的情況。 （ 4）其他配套技術(shù)研究 在徑向水平井鉆井綜合配套技術(shù)的研究當(dāng)中，為了配合轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)的工作和滿足不同油井施工工藝的需要，開展的其他配套研究工作主要包括： 1．井下液壓運(yùn)動控制器和機(jī)械運(yùn)動控制器的研制； 2．地面試驗(yàn)送進(jìn)控制系統(tǒng)的研 制； 3． （ 5 1/2英寸）和 178mm（ 7英寸）套管 2種規(guī)格， 3種不同類北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院（ 畢業(yè)設(shè)計 ） 22 型的錨定器的研制； 4． 70MPa高壓井口裝置和井口密封的研制； 5． 70MPa井底密封的研制； 6．送進(jìn)光桿和各類附件的研制； 7．壓力，張力等數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的建設(shè)； 8．地面高壓過濾管匯研制； 9．施工工藝技術(shù)的研究。測試結(jié)果表明： 1．系統(tǒng)總阻力與雙彎的 Z5型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)相比減小了約 40%，鉆桿伸出轉(zhuǎn)向器后，系統(tǒng)平穩(wěn)工作阻力一般為 12～ 15kN； 2．持續(xù)工作性能提高 5倍以上； 3．既可以機(jī)械豎起也可以液壓豎起； 4．鉆桿可兩次筆直伸出轉(zhuǎn)向器（以往僅一次）； 5．剛度和強(qiáng)度提高 2倍以上。 （ 3） YSZ7型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)研究 針對遼河油田提供的 178mm（ 7英寸）套管試驗(yàn)井，我們采用了多年來積累的徑向水平井鉆桿轉(zhuǎn)向技術(shù)試驗(yàn)成果和 ANSYS有限元力學(xué)分析優(yōu)化計算結(jié)果以及較先進(jìn)的設(shè)計理念，又設(shè)計和研究了 YSZ7型轉(zhuǎn)向器。現(xiàn)場試驗(yàn)表明，與套管圓周整體開窗和擴(kuò)孔工藝相比，擴(kuò)孔空間降低約 300倍，總施工成本可減低 40%～ 50%。為此，我們在總結(jié)了多年鉆桿轉(zhuǎn)向技術(shù)研究基礎(chǔ)上，研制出了適合于吉林油田應(yīng)用的套管水力開窗為特點(diǎn)的徑向水平井鉆井用的 YDZ5型轉(zhuǎn)向器。 1996～1999年多次在遼河油田，吉林油田，南陽油田下井試驗(yàn)，并取得較好的試驗(yàn)結(jié)果。 這種 Z5型轉(zhuǎn)向器于 1994年在中原油田地面綜合模擬試驗(yàn)。 2．在豎起機(jī)構(gòu)上，有機(jī)械豎起機(jī)構(gòu)和液壓豎起機(jī)構(gòu)，二者在結(jié)構(gòu)上各有優(yōu)點(diǎn)，在整體結(jié)構(gòu)上，可實(shí)現(xiàn)在井下多次定向，且操作方便。 關(guān)鍵井下工具技術(shù)研究 （ 1） Z5型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)研究 轉(zhuǎn)向器是徑向水平鉆井系統(tǒng)關(guān)鍵部件，其作用是：在系統(tǒng)液動力驅(qū)動下使鋼質(zhì)鉆桿由垂直方向向水平方向轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向曲率半徑僅為 ；使鉆桿通過它作連續(xù)彎曲和伸出運(yùn)動。多次試 驗(yàn)證明 : 鉆桿在一定壓力作用下可以通過轉(zhuǎn)向器實(shí)現(xiàn) 900 的鉆桿轉(zhuǎn)向 , 經(jīng)測試和計算 , 所需動力可在系統(tǒng)中得到滿足 。 （ 4） Z7型試驗(yàn)用轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)研究 為了實(shí)現(xiàn)鉆桿由垂直方向向水平方向轉(zhuǎn)向 , 我們研制了 Z7型試驗(yàn)用轉(zhuǎn)向器。該臺架可滿足不同系列轉(zhuǎn)向器的徑 向水平井鉆井系統(tǒng)的試驗(yàn)要求。 為了滿足全尺寸條件下的 1 比 1 流體運(yùn)動模擬和相似試驗(yàn)要求 , 更加 真實(shí)反映徑向水平井鉆井工具的試驗(yàn)情況 , 我們研制了室外綜合模擬試驗(yàn)臺架。針對水射流 破碎巖石技術(shù)試驗(yàn) , 還研制了水射流破碎巖石的室 內(nèi)臺架。 （ 3） 徑向水平井鉆井試驗(yàn)臺架研制 為了驗(yàn)證鉆桿轉(zhuǎn)向、運(yùn)動控制、鉆桿焊接、水射流破碎巖石等各項技術(shù) 的可行性 , 我們在項目初始階段研制了室內(nèi)試驗(yàn)臺 架。焊縫反復(fù) 通過轉(zhuǎn)向器的次數(shù)可達(dá) 6 次。 （ 2） 鉆桿、鉆頭焊接 國產(chǎn)無縫鋼管單根長度 5~9 m, 而徑向水平井鉆井用鉆桿長 20~3O m, 江漢機(jī)械研究所委托 西安石油學(xué)院開展了鉆桿的對焊接技術(shù)研究 , 采用了 鎢 極 氬 弧焊 (TIG) 方法 , 單面焊接雙面成型工 藝 , 以及 TIG 打底、填絲 , 小線能量多層焊并依次 減少熱輸入的焊接工藝 , 完成管對管的焊接 。 徑向水平鉆井技術(shù)基礎(chǔ)研究 （ 1） 鉆桿的選材 徑向水平井鉆井用鉆桿是一種特殊鉆桿 ,它需要經(jīng)過 m 的彎曲半徑進(jìn)行轉(zhuǎn)向 ,內(nèi)部需承受約 70 MPa 高壓 ,筆者在對國外徑向水平井用 ASTM 一 A606 電阻焊接鉆桿進(jìn)行研究與分析的基礎(chǔ)上 ,對國產(chǎn) 6 種不同鋼管進(jìn)行了廣泛的 調(diào)研和 試 驗(yàn)分析 , 優(yōu)選出 Ф 32*3mm 無縫鋼管作為徑向水平井的鉆 桿。 以 YSZ7型轉(zhuǎn)向器為 例 簡單地介紹了地面 綜 合模擬試 驗(yàn) 和現(xiàn)場試驗(yàn) ,并對試驗(yàn)過程和結(jié)果進(jìn)行了分析 ,認(rèn)為 YSZ7型轉(zhuǎn)向器系統(tǒng)及其輔助技術(shù)基本成熟 ,性能優(yōu)越 。 第四章 徑向水平鉆井綜合技術(shù)研究 引言 從 發(fā) 展現(xiàn)狀、基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)、研究試驗(yàn)幾個方面介紹了徑向水 平鉆 井技術(shù)的研究狀況。的要求 展開長度 : L D n? ? ? ?? ?? ?2 1 3 14 13 85 39 328c o s . c o s .mm 3．驗(yàn)算 : 1)穩(wěn)定性驗(yàn)算 高徑比 b HD? ?02 32 7513. =，滿足要求 2)強(qiáng)度驗(yàn)算 疲 勞強(qiáng)度安全系數(shù)由式 S Sp? ? ? ?? ??0 0 75 12 1 3. .～ 由表 取 N=107 ，此時 ?0 03? . ， ?b ?441 MPa。 γ =滿足 5176。 c．計算其余尺寸參數(shù) : 總?cè)?shù) n1=n＋ 2=6+2=8 圈 工作載荷下的變形量 f FK mm1 1 102 5? ? ?， f FK mm2 2 302 15? ? ? 壓并載荷及壓并變形量 ,根據(jù)彈簧工作區(qū)應(yīng)在全變形量的 20～ 80%的條件 ,取 f2=， 則 fb= = 15065. =23mm， Fb= = 30065. =46 N 其中 f1=515 f2= fb= 表明 f f2 均滿足工作區(qū)的條件。 2．設(shè)計計算 : 選擇材料和許用應(yīng)力 : 屬 I 類彈簧 ,材料選用 4Cr13，由表 查得 Γ p=441MPa， G=。該處彈簧主要用于控制泄荷塊的移動。 e．牙嵌根彎曲強(qiáng)度條件計算 : 設(shè)定 ? ?? ? 50 2N mm/ ? ?Lm Dm? ? ? ? ?? ? ?s i n s i n? 22 29 3602 3 12 ? ? ??29 30 5 14 7s in . . f．牙嵌根彎曲強(qiáng)度 : 北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院（ 畢業(yè)設(shè)計 ） 15 ? ? ? ? ? ?? ? ? ?6 6 7 64 1029 14 7 8 5 25 42 23 2hTcD m L m bZj N mm. . / ?50 2N mm/ 所以條件滿足。 ,這里取α＝ 8176。 u=tanP= 即 tanα ? ? ? ?0 08 0 15 2920 0 305. . . α =176。根據(jù)式 ? ?Fa 2 T cDm Dmd u1 t a n a b? ? ???? ??? ? ?? ? ? ? ? ? ?? ???? ???2 6 . 4 1029 2920 0 . 1 5 t a n 1 6 . 9 4 53 其結(jié)合力 Fα = 其脫開力 Fα = 北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院（ 畢業(yè)設(shè)計 ） 14 所以滿足設(shè)備所需條件。采用十齒三角形牙。 出于對強(qiáng)度的考慮牙嵌的材料選用 40Cr。 牙嵌裝置的設(shè)計計算 1．原始資料 北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院（ 畢業(yè)設(shè)計 ） 13 牙嵌裝置位于螺母塊的下方，噴射時在壓力作用下螺母塊與固定的牙嵌壓緊，使螺母塊亦固定，從而使絲杠在通過螺母時能形成自轉(zhuǎn)，達(dá)到旋轉(zhuǎn)噴射的目的。的要求 展開長度 : 20247c os os 12 ?????? ?? nDLmm 3．驗(yàn)算 : 1)強(qiáng)度驗(yàn)算 疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)由式 S Sp? ? ? ?? ??0 0 75 12 1 3. .～ 由表 取 N=107 ，此時 ?0 03? . ， ?b ?441 MPa。 γ滿足 5176。 d．計算其余尺寸參數(shù) : 總?cè)?shù) n1=n＋ 2=30+2=32圈 工作載荷下的變形量 mmKFf 7359431 811 ??? ， mmKFf 9359549522 ??? 北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院（ 畢業(yè)設(shè)計 ） 11 壓并載荷及壓并變形量 ,根據(jù)彈簧工作區(qū)應(yīng)在全變形量的20～ 80%的條件 ,取 f2= 則 fb== =155mm， Fb= ==9158N 其中 f1=9373f2= fb= 表明 f f2 均滿足工作區(qū)的條件。設(shè)定工作壓力為 55MPa 開始換向 ,在 70 MPa 時完成換向 ,彈簧的中徑 D2=40，則可知彈簧受力為 : NdF 43184 21551 ?????? ? NdF 54954 21702 ?????? ? 北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院（ 畢業(yè)設(shè)計 ） 10 設(shè)定閥端直徑 d1=10 mm（見裝配圖） 2．設(shè)計計算 a．選擇材料和許用應(yīng)力 : 屬 I 類彈簧 ,材料選用 4Cr13，由表 查得 : Γ p=441MPa， G=。 第三章 設(shè)備設(shè)計中的計算 兩位四通閥處彈簧的設(shè)計計算 1．原始資料 該處彈簧的作用為控制閥的移動 。 打開 Stress Stiffening Effects。在非線性分析選項中 ,選擇合適的收斂準(zhǔn)則 ,選擇最大平衡迭代步為 25。為了使問題簡化 ,實(shí)際工況中的鉆桿未加內(nèi)壓 ,但所加的位移載荷計算獲得的力則可折合成鉆桿內(nèi)壓。在鉆桿上端平面的邊界上選擇間隔 90176。 將轉(zhuǎn)向器的各個滾輪轉(zhuǎn)化為加在鉆桿上的約束 ,約束的方向?yàn)殂@桿北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院（ 畢業(yè)設(shè)計 ） 9 上所加結(jié)點(diǎn)的法向方向 ,在鉆桿的豎直段和水平段也加上適當(dāng)?shù)募s束。 選擇 solid45 單元 (六面體單元 )為鉆桿的變形單元 ,在建模時 ,還會用到 solid42 單元 (四邊形單元 )作為輔助單元。泊松比μ=。 根據(jù)式 (8),由于Ｆ ｚ = , 則轉(zhuǎn)向器優(yōu)化后的實(shí)際阻力Ｆ ｓｚ 在 ～ 。 為了進(jìn)一步弄清Ｆ ｓｚ 與Ｆ ｚ 之間的關(guān)系 , 令 Ｆ ｓｚ =ｋ ｚ Ｆ ｚ (9) 式中ｋ