复合钻进稳斜性能研究石油工程毕业论文(编辑修改稿)

复合钻进稳斜性能研究石油工程毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

油化工大学继续教育学院论文 9 钻柱弯曲引起的钻头侧向力 钻进时靠下放部分钻柱重量给钻头施加钻压。 在直井中，钻压较小时下部钻柱保持直线稳定状态。 当钻压增至某一临界值时，下部钻柱发生失稳弯曲并与井壁产生切点 （ 见图 22） ，钻头及其相邻连接部分钻柱的中心线偏离井眼轴线而使钻头偏转一个角度发生倾斜。 钻头倾斜后对井底产生不对称切削，这是产生井斜的重要因素。 随着钻压的进一步增大，切点下移、钻 头偏转角度增大，对井斜影响更大。 在钻斜并时，钻挺与井眼下边在切点处开始接触，切点至钻头距离为切线长度L。 切点以下钻柱由于自重的作用将产生一个钻头处的侧向力 F。 csin2LF  (21) 式中 F— 钻头侧向力， N； L 一切线长度， m； ωc— 钻铤 单位长度重， N/m； α— 井斜角， 176。 图 22 直井中钻柱的弯曲 图 23 斜井中的下部钻柱受力 因为该力使井眼降斜，为负侧向力。 当钻头受压后，切点下移，侧向力减少。 钻头处钻挺弯曲导致产生井眼偏斜的负荷增大 （ 正侧向力 ）。 因此，随着钻压增加，负侧向力减少，正侧向力增大。 总侧向力矢量和轴向力将决定井眼的偏斜度。 当然，地层的各向异性也必须考虑。 井下钻具中稳定器的位置也将影响钻头侧向力的大小，因此将决定下部钻具组合是增斜、稳斜还是降 斜。 稳定器直接安放在钻头上方将产生一个支点，稳定器上方钻挺的重量使钻头产生增斜侧向力。 当钻头稳定器 y MM M39。 M’ x 2W 2F F N39。 N F1 W1 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 10 和稳定器间的距离增加时，钻头上的增斜侧向力减少。 当稳定器离钻头足够远时，稳定器以下钻柱产生的钟摆力将使钻头有降斜的趋势。 钻头结构引起的各向异性 在石油钻井中，钻头主要是沿其本身轴线钻进，钻头设计者很少考虑钻头的侧向切削问题。 不过，在实际钻井中所使用的钻头均有不同程度的侧切能力，并且它对钻进轨迹有一定的影响。 例如钻井中所使用的大多数牙轮钻头，在结构上都有一定的移轴或牙轮超大，这就使得钻头的最大直径不在井底 而是在高于井底的某处，从而造成钻出来的井底与圆柱形井筒之间有一段曲面状的过渡区，结果牙轮的外圈齿以近似于铣削的方式切削这个过渡区，这便是牙轮钻头对井壁的侧向切削，简称侧切。 如果钻头仅仅承受轴向载荷，井筒过渡区将同钻头旋转体的外廓形状一致。 这个形状取决于钻头的儿何结构。 当牙轮钻头钻进时一，若还承受一定方向的横间力，则三个牙轮的外圈齿将轮番铣削井筒过渡区的某一侧面，使钻头向下钻进的同时朝着横向力的方向偏移。 在实际钻井中，钻头的轴向钻进能力与其侧切能力之间存在差异，称之为钻头各向异性，在井眼轨迹控制中应考虑它的影 响。 由于钻头各向异性的影响，钻头即使在均质各向同性地层里钻进，也不能按钻头机械合力方向运动。 在这种情况下，钻头转角也对钻进方向产生影响。 复合钻具提高机械钻速的机理 在钻井工作中，转盘与螺杆钻具进行联合钻进。 即在螺杆转子工作状态下，转盘在旋转钻柱以带动螺杆定子旋转。 此时钻头既由螺杆传子带动旋转，同时又由螺杆定子带动旋转，形成复合运动模式 [9， 10]。 图 24 转 盘和螺杆联合钻进示意图 在两种转速的联合作用下，钻头的绝对转速可以明显的提高。 下 面具体介绍联合钻进时钻头的绝对转动速度。 先以直螺杆为例介绍两种转速合成的情况，设螺杆钻具转子带动钻头的转速为 n1，钻柱带动螺杆钻具外壳的钻速为 n2, n1和 n2 都是按顺时针转动。 设钻柱与螺杆外壳均以角速度 ω2 绕垂直于井底的 O 轴转动，钻头则由螺杆转子以均匀2ω O 1ω R M 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 11 角速度 ω1 相对于外壳旋转，如图 24 所示。 则 ω1 =π n1/30， ω 2=π n2/30。 在钻头边缘上取一距中心为 r的 M点。 在任意一瞬间， M 点的牵引速度为 v2=ω 2r, M点的相 对速度为 v1=ω 1r，其方向与钻柱旋转方向相同。 由运动学得知， 在任意一瞬间，动点的绝对速度等于牵引速度与相对速度的矢量和。 于是有， M点的绝对速度 v为： e r 2 1()v v v r w w    (22) 因此，钻头上 M点的绝对速度  为： 12vr     (23) 从而得到： 12n n n (24) 现在来考察转盘和单弯螺杆钻具联合钻进时的情况。 由于单弯螺杆钻具的钻头中心和钻柱中心不重合，从而存在钻头偏移量，使得速度的合成与直螺杆有一定的区别。 如图 25所示。 图 25 单弯螺杆和转盘钻联合钻进钻头速度分析 角速度 ω 位于 ω1 、 ω 2 之间，与钻具本体轴线的夹角为 γ1 (γ1 γ )。 图25所示的 ω 是钻具位于所示位置的绝对角速度。 但钻具以 ω 旋转时，绝对角速度的方向在变化，其大小为： 221 2 1 2ω ω ω 2 ω c o s γ   (25) 显然，钻头的合成转速 n 为： 221 2 1 22 c o sn n n n n    (26) 由于钻具的结构角 ： 1ω 1n 2n 1γ γ 2ω ω 1ω 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 12 1 cos 1 (27) 则上式可以简化为和直螺杆一样的表达式： 12   (28) 12n n n (29) 由此得到与单弯螺杆相同的结论：钻头的绝对转速等于螺杆钻具转速与钻柱转速之和。 采用这样的近似误差很小。 取弯角 γ =1176。 ， n1=200r/min， n2=60r/min。 按精确公式计算得 n=。 与用 n=200+60=260r/min 的计算结果比较 ， 其相对误差仅为 ，可见精度很高。 因此在实际应用中 可以采用这样的近似。 从以上分析可以知道，当转盘和单弯螺杆钻具联合钻进时，钻头的绝对转速是一个合成转速，大于转盘转速和螺杆转速的任何一个转速。 因此，导致机械钻速有明显的提高。 复合 钻具控制井斜的机理 从上节中的分析中己经知道造成井斜的主要原因。 其中的地质环境因素只能认识和加以利用而不能改变。 能被操作者用来主动进行控制的是钻具组合的类型与结构、工艺操作参数 （ 又称钻井措施 ） 和钻头类型等三方面的因素。 而在这三个可控因素中，钻具组合的类型与结构是首先要考虑的主要因素。 因为井斜控制的木质实质上是控制钻头的侧向切 削能力 [10， 11]。 这里提出使用单弯螺杆来控制井斜的思想就是从工具本身来考虑如何增大钻头侧向力的。 使用单弯螺杆来控制井斜有两方面的好处：一是单弯螺杆在控制井斜时比钟摆钻具更加地稳定，防斜效果更加明显。 二是用单弯螺杆钻具控制井斜的同时，可以获更高的机械钻速，有效地解决利用传统的钟摆钻具必须使用小钻压、钻井速度偏低的问题 [12]。 用单弯螺杆来控制井斜，类似一种偏心钻具，利用单弯螺杆在转动中产生的离心惯性力以增加钻头处的侧向力，达到降斜的目的。 这是利用单弯螺杆控制井斜的第一个原因。 图 26 是单弯螺杆 示意图。 图 26 单弯螺杆示意图 α 1L h 2L 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 13 单弯螺杆弯角的作用是让其下部结构轴心产生偏移，在钻柱转动过程中产生一个较大的离心力，从而改变钻头处受力状况。 考察弯角在上 、 下井壁两个特殊位置。 当弯角位于下井壁时，钻头倾角是沿井斜的方向；当弯角转到上井壁，钻头倾角的方向发生变化，变为与井斜方向相反的方向。 上井壁时改变钻头倾角是单弯螺杆控制井斜的第二个原因 （ 见图 27）。 图 27 单弯螺杆转动时钻头倾角变化示意图 单弯螺杆控制井斜的另一重要原因，就是动力钻具的高转速可以提高单位进尺钻头横向切削井壁的次数。 通常使用“单弯螺杆 +PDC钻头”是因为 PDC钻头适用这种低钻压、高转速的工作条件。 同时， PDC钻头在软地层具有更强的切削能力。 使用螺杆钻具后，钻进相同的单位进尺， PDC钻头切削下井壁的次数是普通钟摆钻具的 24倍。 单位进尺相同条件下，钻头切削下井壁的次数 十分关键，切削下井壁次数的增加，实际上也就是增加了钻具纠斜的能力。 从上述 分析可以得到以下几点认识： 1．当单弯螺杆弯角位于上井壁时，钻头侧向力最小，钻头横向切削能力小。 但是钻头的倾角为负，钻头是沿井斜的反方向进行钻进。 此时的降斜主要是依靠钻压的作用。 2．当单弯螺杆弯角位于下井壁时、钻头侧向力变大，钻头的横向切削能力最大。 虽然钻头倾角变为正，使钻头沿井斜方向运动。 但是由于钻头侧向力的作用，可以降低这种趋势。 弯角位于上井壁 钻头轴线 β γF 井眼轴线 弯角位于下井壁 β 钻头轴线 井眼轴线 γF 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 14 3．单弯螺杆在转动一周时，钻头倾角的正负交替变化，可以抵消钻头倾角导致井斜。 4．“单弯螺杆 +PDC钻头’，的钻具组合，增加了钻头在单位进尺的横向切削 次数，更有效地发挥钻头 侧向力的降斜作用。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 15 第 3 章 复合钻具组合控制井斜力学模型的建立 纵横弯曲法是把一个带有多稳定器的下部钻具组合看成为一个受有纵横弯曲载荷的连续梁，然后利用梁柱的弹性稳定理论导出相应的三弯矩方程组，以求解BHA的受力与变形。 在纵横弯曲法中，首先是把 BHA从支座处 (稳定器和上切点等 )断开，把连续梁化为若干个受纵横弯曲载荷的 简 支梁柱，用弹性稳定理论求出每跨间支梁柱的端部转角值，利用在支座处转角相等的连续条件和上切点处的边界条件列写三弯矩方程组。 三弯矩方程组是一系列以支座内弯矩和最上一跨长度 （ 表征上切点位置 ） 为未知 数的代数方程组，对其进行求解即可得到 BHA的受力和变形。 基本假设和力学模型 [2， 10， 1318] 在对下部钻具组合进行静态小挠度分析时，一般都应遵循如下的基本假设： （ 1） 弯接头以下的动力钻具组合简化为等效钻挺（均匀、连续的等圆环截面梁柱）； （ 2）钻头底面中心位于井眼中心线上，钻头和地层间无力偶作用； （ 3）钻压为常量，作用在钻头中心处的井眼轴线的切线方向； （ 4）井壁为刚性体，井眼尺寸不随时间变化； （ 5）稳定器 (偏心垫块 )与井壁的接触为点接触； （ 6）上切点以上钻柱一般因自重而躺在下井壁上 ； （ 7）钻具组合在变形前后，其弯接头弯角顶点处的两条切线保持不变； （ 8）不考虑转动和震动等动态因素的影响； （ 9）二维井身曲线为平面内的一段圆弧曲线，井眼轨道的横截面为圆形。 而对变截面梁柱串的力学分析，通常是采用从变截面的台阶处截开，与相邻的稳定器构成两跨纵横弯曲简支梁柱，即把台阶截面视为一个支座，再用弹性稳定理论求出每跨简支梁柱的端部转角值和变截面处的剪力，利用连续梁柱在支座处转角相等和上切点处的边界条件及变截面处剪力和位移相等的条件来列出三弯矩方程组和求解的未知数 （ 截面处内弯矩和挠度 ） ，方程是定解 的。 辽宁石油化工大学继续教育学院论文 16 均布载荷和弯矩同时作用下的力学模型 图 31 轴向载荷与横向均布载荷及弯矩联合作用情况 根据静力平衡关系可求得左右两端的支座反力为： 22b a a a b b a a bL 2( ) 22M M q L q L q L LR L    (31) 22a b a a b b b a bR 2( ) 22M M q L q L q L LR L    (32) 可求得任一点 X处的弯矩如下： 2a a L a1() 2M x M R x P y q x    a(0 )xL (33) 2b a L b a a a a11( ) ( ) ( )22M x M R x P y q x L q L x L       a()L x L (34) 梁柱 变形 的挠曲线微分方程为： 39。 39。 a a a ()EI y M x a(0 )xL (35) 39。 39。 b b b ()EI y M x a()L x L (36) 边界条件 ：。