1、辽宁石油化工大学继续教育学院论文毕业设计（论文）题目： 复合钻进稳斜性能研究 姓 名： 孙克宁 专 业： 石油工程 学 院： 继续教育学院 学习形式： 自考 助学单位： 辽河石油职业技术学院 指导教师： 王军波 2014 年 3 月辽宁石油化工大学继续教育学院论文I复合钻进稳斜性能研究摘 要复合钻进技术在油田的应用，可以提高机械钻速、控制井眼轨迹、减少扭方位次数，并可大幅降低钻井成本，从而提高油田开发速度。本文对转盘与螺杆钻具联合钻进时的防斜打快机理进行了分析，采用纵横弯曲连续梁法，建立了这种下部钻具组合的力学模型，利用该模型定量分析了其控制井斜的力学特性，从理论上分析了这种下部钻具组合控制井
2、斜的主要影响因素，为优化这种钻具组合和施工参数设计提供了理论依据。对单弯螺杆防斜钻具组合分析表明：稳定器安放位置距钻头越远钻头侧向力越大；钻压对钻头侧向力影响不明显；弯角和肘点位置对钻头侧向力有明显的影响，这对专用防斜螺杆钻具的设计改进提供了理论依据；复合钻进在井斜角较大时显示出大的侧向力。关键词：复合钻进；稳斜；纵横弯曲法；钻头侧向力辽宁石油化工大学继续教育学院论文IISteady inclined properties of composite drillingAbstractThat the application of combined drilling technology in o
3、il field can heighten drilling speed, control well trace, reduce the number of direction torsion and greatly reduce drilling cost which accelerate the oil field developing speed.This paper analyzed the mechanism of well straightening and improving ROP as turnplate and screw drill rotate together, Us
4、ing continuous beam theory, the mechanical model of BHA is established. Applying the model, the mechanical characteristics of BHA to control deviation are studied quantitatively. The main affect factors of BHA to control deviation are analyzed theoretically, which provides the theoretical ground for
5、 BHA optimization and the design of working parameters. The analysis of complex drilling indicates that during the stable period, the longer the distance between the stabilizers and bit, the bigger the side force will be. Bit weight has little effect on bits side force. Angle and elbow position have
6、 much effect on bits side force, and that is the theoretic base for designing special PDM against well deviation. complex drilling on well straightening shows bigger the side force in big deviation angle. Key words: complex drilling; hold angle; continuous beam theory; the lateral force辽宁石油化工大学继续教育学
7、院论文III目 录摘 要 .IABSTRACT .II目 录 .III1 前 言 .11.1 问题的提出 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 井眼轨迹控制理论 .11.2.2 下部钻具组合力学方法研究 .31.3 井斜控制专用工具现状 .41.4 本文主要研究内容 .62 复合钻具控制井斜的机理 .82.1 影响井斜的原因 .82.1.1 地层及其各向异性 .82.1.2 钻柱弯曲引起的钻头侧向力 .92.1.3 钻头结构引起的各向异性 .102.2 复合钻具提高机械钻速的机理 .102.3 复合钻具控制井斜的机理 .123 复合钻具组合控制井斜力学模型的建立 .153.1 基本假设和
8、力学模型2，10，13-18 .153.1.1 均布载荷和弯矩同时作用下的力学模型 .163.1.2 集中载荷作用下的力学模型 .193.2 纵横弯曲连续梁理论中的迭加原理和连续条件 .223.3 初始结构弯角的等效处理 .233.4 单弯单稳螺杆钻具组合受力与变形分析 .243.4.1 一维分析 .243.4.2 二维分析 .274 影响单弯螺杆控制井斜因素及油田实例 .30辽宁石油化工大学继续教育学院论文IV4.1 单弯螺杆力学性能分析 .304.2 影响因素分析 .314.2.1 稳定器安放位置 .314.2.2 钻压 .324.2.3 弯角 .324.2.4 肘点位置 .334.2.5
9、 转盘转速 .334.2.6 井斜角 .344.3 油田实例 .35结 论 .36参考文献 .37致 谢 .39辽宁石油化工大学继续教育学院论文11 前 言1.1 问题的提出随着钻进技术的不断发展，自 20 世纪 80 年代以来，导向技术得到迅速发展。导向钻井技术的发展带动了大位移井，水平井和分支井钻井技术的实施，保证了以较低的钻井成本实现地质目的。导向钻井技术分为滑动导向和旋转导向两种方式。滑动导向技术存在许多弊端，长时间滑动钻井会增加发生井下卡钻等事故的风险。旋转导向需要先进的、昂贵的、井下旋转导向工具，为此，国内出现了复合钻进技术。该技术使用滑动导向钻具，根据钻探要求，把滑动导向与旋转导
10、向合理结合，达到导向目的。在常规定向井、水平井钻井钻进过程中，通常因改换钻具组合而频繁起下钻，从而严重影响了钻进时效和其他先进工艺的实施。复合钻井技术在提高钻头机械钻速的同时，可以减少钻井过程中的起下钻次数，提高钻井时效。配合高效 PDC钻头等先进工具可实现一套钻具组合一趟完成绕障、定向、增斜、稳斜中靶钻井施工，从而缩短钻井周期。复合钻进技术已在国外广泛使用，取得了很好的经济效益。本文的重点研究目标是如何使用单弯螺杆钻具配合 PDC 钻头在实现更有效的稳斜控制情况下提高钻井速度。1.2 国内外研究现状1.2.1 井眼轨迹控制理论井眼轨迹控制问题，是钻井工程的基本问题之一，在国内外受到普遍重视。
11、关于井眼轨道控制问题的研究，迄今已有四十多年的发展历史。在这个历史过程中，国内外有关专家和学者从钻柱力学、钻头与地层相互作用及井眼轨迹预测方法等方面做了大量的研究工作，取得了许多科研成果，从而使井眼轨迹控制理论和技术不断得到发展和完善。在 50 年代和 60 年目标。进入 70 年代后，随着定向井的发展，研究的重心开始移向定向井井眼轨迹控制问题。在定向井井眼轨迹控制中，既要求对井斜角进行控制，又要求对井斜方位进行严格控制。因此，定向井轨迹控制问题，是一个更为复杂的研究课题1-3。美国专家 Lubinski 先生是研究井斜控制理论的著名学者。他从定量分析直井中的钻柱屈曲问题入手（1950 年）
12、，开创了钻柱力学研究的新局面。接着他与Woods 先生合作，首次以定量关系发表了地层的各向异性钻井理论(后来，他们按辽宁石油化工大学继续教育学院论文2地层的各向异性程度把地层造斜性分为 21 级)，并结合钻柱力学分析实现了对“平衡井斜角”的定量计算：他们还制定了解决井斜问题的实用图版，并提出使用稳定器控制井斜的有效方法。在井斜控制标准方面，Rollins 认为在许多情况下苛求对井斜角的严格限制是不合算的，Lubinski 也主张钻井设计师应充分利用地层的造斜特性，放宽对井斜叫的限制，以利解放钻压、提高钻速和降低钻井成本，同时要求对井眼曲率（俗称“狗腿严重度” ）作出严格限制，以防钻柱的疲劳破坏
13、，并给出了最大井眼曲率的计算模式和实用图表。Hoch 定量分析了一种“满眼”钻具组合（含有三个稳定器） ，得到的结论是:这种钻具组合可以消除井斜变化太快的问题，同时他还对使用的钻挺横向尺寸（外径）提出了定量限制。实践证明，尽管 Hoch 的理论分析有误，但是他对控制狗腿严重度的认识和对策是正确的。另外，还有其他人所进行的应用研究。应该指出，Lubinski 等人的研究始终限于两维分析，这在定向井控制中不能占优势。Lubinski 等人对井斜控制理论和技术的发展作出了重要贡献，他们的科研成果对我国钻井界的影响颇大。Shell 公司的研究员，在 Lubinski 研究的基础上，也对井斜控制问题进行
14、过许多研究。Murphy 分析了光钻挺钻具组合的两维受力和变形，导出了预测这种简单钻具组合造斜率的计算模式。Mclamore 和 Bradley 先后进行了单楔齿破岩(层状)实验，提出了“优先成屑地层理论” ，他们还根据修正的 Mohr-Coulomb 破坏准则，建立了一个偏斜力公式，试图对井斜现象作出定量解释。Fisher 采用有限差分法对平面弯曲井眼中的钻柱进行了两维静力大挠度分析，编制了相应的计算机分析程序。Bradley 从钻柱力学、钻头结构特性及地层特性等方面进行了系统论述，试图帮助钻井工作者较全面的认识影响井斜的重要因素。他还定量分析和阐述了在井斜控制中使用大重度高弹性模量（如金属
15、钨等）钻挺的优点。Bradley 等人的研究也仅限于两维分析。Walker 首先应用最小势能原理对常规下部钻具组合进行了两维分析，继而与 Friedman 合作建立了钻柱静力小变形的三维控制方程，并应用变分法在计算机上对控制方程进行了近似求解。Walker 把钻柱三维分析程序应用与下部钻具组合设计，从而提高了钻速，降低了钻井成本。他还对影响井斜变化和方位漂移的因素进行了概括性论述。Walker 的主要贡献是在钻柱力学研究方面。在井眼轨迹控制理论和技术研究方面，英国专家 Brown 等人、法国专家Amara 等人，也都做了一些有益的研究工作。当然，我们还可以发现国外其他一些研究人员所做的工作，如
16、 Birades 等人的研究结果。辽宁石油化工大学继续教育学院论文3在国内，井眼控制理论和技术的研究起步较晚。刚进入 80 年代时的水平还相当低，理论研究工作是从唐俊才等人修改“霍奇公式”开始的。接着便是以白家祉为代表的一批专家和学者，在 80 年代作出了巨大努力，取得了许多可喜的研究成果，为井眼轨迹控制理论和技术在国内的大发展作出了重大贡献。白家祉等人应用三弯矩方程分析下部钻具组合的受力和变形，并在 Lubinski 的地层各向异性钻井理论的基础上，提出了一个地层力公式；杨勋尧以主要解决井斜控制技术问题为目标，通过求解简单的力学模型，提出了设计下部钻具组合的实用方法，他为了表达地层各向异性对
17、井斜的影响，也提出了一个地层造斜力公式；国内其他专家和学者的研究，从不同方面促进了井眼轨迹控制理论和技术的发展，这里就不作详细介绍了。1.2.2 下部钻具组合力学方法研究下部钻具组合力学分析是井眼轨道控制理论的基础和重要组成部分，也是优化下部钻具组合结构设计和选择钻井工艺参数的理论依据。从 50 年代初Lubinski 用受纵横载荷联合作用的弹性梁模型求解下部钻具组合受力与变形问题以来，这一问题的研究一直受到国内外的重视，并取得了重大进展，研究成果使钻井工艺逐步发展成为一门建立在理论分析基础上的科学。其具有代表性的方法有 Lubinski 经典数学微分方程法，K. K. Mi11em 的有限元
18、法，B. H. Walker 的能量法，白家祉的纵横弯曲法1，4。（1）经典数学微分方程法经典数学微分方程法是钻具力学分析中应用最早的解析方法，具有代表性的是 50 年代初 A.Lubinski 和 H.B. Wood。他的基本思想是在满足经典材料力学控制方程的前提下，建立起钻柱受力变形的精确微分方程，利用特殊函数法、迭代法和有限差分法等给出方程的解答。A.Lubinski 建立的力学模型，为后人的进一步研究奠定了基础，他所提出的假设基本上为后来研究者长期采用；他对光钻挺钻具性能作了详尽研究，并发展到单稳定器钟摆钻具，定性讨论了多稳定器钻具，使人们对稳定器效能的全面认识和对后来多稳定器满眼钻具
19、的出现起到了引导作用。（2）能量法1973 年，B. H. Walker，应用弹性力学的势能原理求解钻具组合受力合变形问题他把距钻头一定长度的位置 C Walker 取 120ft 作为 BHA 的上边界，建立 BHA辽宁石油化工大学继续教育学院论文4弹性系统的势能方程和约束条件，根据逆解法构造解的形式（含有广义系数的三角级数） ，由拉格朗日乘子法和最小势能原理列方程，以确定广义系数，并进而确定 BHA 的受力和变形结果。（3）有限元法1973 年 K. K. Millheim 提出了有限元法进行下部钻具组合的力学分析。他把距钻头一定长度的钻柱（一般 150-400ft）视为下部钻具组合，划分
20、为若千个计算单元，并取间隙单元来描述钻柱与井壁的接触状况。通过建立单元刚度矩阵并组装成总体刚度矩阵，借助联系广义节点力、节点位移和系统刚度的矩阵方程，得到一组非线性方程组，用计算机多次迭代求解，可得出 BHA 的受力与变形结果。计算结果表明，由于没有精确考虑钻具组合变形的非线性以致在刚度矩阵中忽略了几何矩阵的存在，因此计算结果有时与实际情况存在较大误差。在我国“七五”期间，吕英明教授等人，也对此方法在钻柱力学中的应用作了较为系统的研究。（4）纵横弯曲连续梁法纵横弯曲连续梁法是由我国的白家祉教授在 70 年代提出并研究完成的，也是一种解析方法，该理论将钻柱组合的下部弯曲看作纵横弯曲的连续梁，利用
21、稳定器处连续性条件导出三弯矩方程，以求解各稳定器处的内弯矩。这组方程是非线性代数方程组，从中可以清楚地看出影响钻柱受力和变形的各个因素。1.3 井斜控制专用工具现状井下专用工具研制是井眼轨道控制的核心部分，它常常使钻井工艺和钻井方式发生变化，也会导致井眼轨道控制水平提高、钻井成本下降，大的井下工具研制还会引起钻井技术变革，如螺杆钻具或涡轮钻具的研制和应用，使定向井钻井技术和滑移钻井方式下的导向钻井系统成为现实。但井下工具研制比较困难，这主要是因为井下工作状态十分复杂（动载荷大、温度高、钻井液介质恶劣等） 、细长井眼空间小、井下动力来源较少（只有钻井液压力和钻压） ，另外，产品在井下试验时风险性
22、较大。因此，井下专用工具的研制是一项十分耗时、耗财的上作，只有通过不懈的努力和反复试验，才能获得成果。迄今，在井眼轨道控制中，据文献报导主要的井下专用工具为动力钻具（涡轮和螺杆钻具） 、稳定器（可变径稳定器）和伸缩钻艇、可调弯接头和特殊接头、导向钻井系统（滑移和旋转钻井闭环控制系统）等。据国内油田定向井钻具使用情况的不完全统计，由于种种原因，这些井下专用工具的绝大部分没有在钻井中得到推广应用，仍需进一步研辽宁石油化工大学继续教育学院论文5究完善。（1）满眼钻具满眼组合是当前常规防斜技术的典型组合。满眼钻具一般是山几个外径与钻头直径相近的稳定器及一些外径较大的钻挺构成。其原理有二：一是由于满眼钻
23、具比光钻挺的刚度大，并能填满井眼，在大钻压下不易弯曲，保持钻具在井内居中，减小钻头的偏斜角，从而减小和限制因钻柱弯曲产生的增斜力；二是在地层横向力的作用下，稳定器能支撑在井壁上，限制钻头的横向移动，同时能在钻头处产生一个抵抗地层力的纠斜力。为了发挥满眼钻具的防斜作用，钻具上至少要有二个稳定器，除靠近钻头有一个稳定器外，其上还应再安放两个稳定器，保持有二点接触井壁，通过二点直线性来保持井眼的直线性和限制钻头的横向移动5。（2）动力钻具用于水平井作业的弯壳体螺杆钻具与常规螺杆钻具相比，具有造斜快、排量大、转速低、扭矩高的特点，并能与其它配套工具组成导向钻井系统。国外从70 年代后期研制出可调方向的
24、螺杆钻具和一种可控正容积式涡轮马达，并在墨西哥湾使用了带偏心稳定器的可控祸轮钻具，使钻井时间和费用得到大幅度降低。迄今，国内外油田使用的动力钻具主要是螺杆钻具，经过几十年的不断研究和应用，螺杆己由单头发展到多头，出现了弯外壳螺杆、中空螺杆、小尺寸短螺杆等产品，现有的各种螺杆钻具基本上能够满足各种定向井的井眼轨道控制需要，己在钻井中得到全面推广应用6。（3）稳定器、可变径稳定器、伸缩钻铤国外从 70 年代未，研制了可调直径稳定器、伸缩短节，这些工具的应用可减少起下钻次数，提高井眼轨迹控制精度和效率。目前有一种自动降斜，增斜和扭方位的井下工具，可用于钻直井和定向井，该工具通过扶正器上可伸缩扶条的不对称伸缩，使钻具偏向一边，起降斜、增斜及扭方位的作用。防止井眼偏斜的钻具稳定器，主要由扶正套、支承座、滚轮、平面轴承、固定帽和钻具短节本体及密封件组成，其特点是滚轮安装在扶正套的内部，钻进时支承座、扶正套与井壁配合，不随钻具一齐旋转，滚轮在支承座上自转，可避免摩擦井壁。变径稳定器和伸缩钻挺是定向井旋转钻井时，实施井眼轨道连续控制不可缺少的工具，由于钻柱旋转钻井时工作状态较复杂，而现有工具在结构和控制方式中还存在一些不合理性，使得这些工具在国内油田还没有得到推广应用，仍需进
