钻头处的边界条件研究

多年来,在下部钻具组合计算的边界条件中,人们都假设钻头与地层之间的弯矩为零,钻头看作铰支。由于许多教科书和文献中提到钻头处某些极个别时刻存在弯矩,有些国内研究者便否定以前的假设,即将钻头处看作固定支。文中通过对钻井机理的探讨,分析了原来假设观点正确的原因,并通过受力分析给出了铰支假设下钻头处的边界条件。     

传统底部钻具组合上切点边界条件的正确性

传统的底部钻具组合受力分析的上切点处的边界条件表达为:1.与下井壁接触;2.转角与井眼轴线的一致;3.曲率与井眼轴线的一致。该表达方法已经采用了多年,应用效果良好。近来,有文章否定该边界条件,文中例证了传统底部钻具组合上切点边界条件的正确性。     

底部钻具组合力学行为的钻头边界效应研究

通过对钻头处受力情况的深入分析,否定了以前在分析底部钻具组合时,将钻头处的边界条件看作铰支 (即弯矩为零)的一惯做法,提出了应先将钻头处看作是固支 (即转角为零),只有当弯矩达到一定值时,才能出现转角的新观点,并给出了计算弯矩最大值的公式,通过算例对比了 2种处理方法的差别。     

测控钻头是智能化底部钻具组合的关键部件

由于现有模式不能预测振动，且精确重现井下复杂情况的地面测量不能实现，目前井下振动仍然是个亟待解决的问题。本文叙述了用加速计、应变仪和接触传感器实现ＰＤＣ钻头的仪表化。通过这些传感器有可能实现时间及频率范畴内的直接测量：如瞬时转速、沿三个轴线的加速度、井下钻压（ＷＯＢ）、井下扭矩、钻头所消耗的功率、井眼偏心度以及钻头中心轨迹；还能间接测量出预计的井下钻速（ＲＯＰ）、磨损量以及比能。具有最新技术的军用     

钻头仪表化是实现井底钻具组合智能化的必要步骤

叙述了如何用加速计，应变仪和接触传感器实现ＰＤＣ钻头的仪表化，通过这些传感器仪器有可能实现时间及频率范畴内的直接测量，如瞬时传速，沿３个轴线的加速度，井下钻压（ＷＯＢ），井下扭矩，钻头所消耗的功率，井眼偏心度及钻头中心轨迹，还能间接测量出预计的井下钻速（ＲＯＰ），磨损量及比能，具有最新技术军用型微电子器件已被用于在钻头柄部安放各种仪器，运用这些测量数据可对动态情况进行分析，即清楚地辨明卡，滑和回波     

等效角在纵横弯曲法中的应用

提出了结构弯角的等效角概念,证明了一跨梁柱中所有结构弯角之和与两等效角的和相等,推导了各结构弯角处的等效横向载荷等于轴向力与该结构弯角的乘积.把等效角应用于纵横弯曲法中,得出了求解导向动力钻具力学特性的三弯矩方程组,简化了各支座位移计算表达式,并应用于同向双弯钻具的力学特性分析,阐明了增大钻具造斜能力的技术途径,为该钻具的设计、选择及施工工艺研究提供了理论依据.     

下部钻具组合——不等截面、近钻头稳定器问题的分析

本文是在“纵横弯曲法对钻具组合的三维分析”的基础上,对钻井过程中常遇到的不等截面问题、钻具与井壁之间的接触问题(包括失稳)以及近钻头稳定器问题用纵横法理论作了进一步研究.提出了此类问题的求解方法,扩展了“纵横法”的应用范围.并根据这些方法较为洋细地分析了钻压、井斜角、间隙和井眼曲率等主要因素对钻头侧向力的影响.这些分析在现场进行了验证,达到了预期的效果.     

偏心钻头钻进时的底部钻柱力学分析

采用静力分析的方法,建立了偏心钻头底部钻具组合的力学模型,并完成了对力学模型的求解。应用数值计算方法,分析了偏心钻头底部钻具组合的受力和变形特性。通过对切点位置、钻头侧向力、井斜角及钻压分配比的分析发现:使用偏心钻头时钻柱与井壁的切点位置要比没有偏心时低得多;在倾斜井眼中,钻头偏心块在上方时,随钻压的增加钻具的降斜趋势减弱,增斜趋势增强;当偏心块在下方时,随钻压的增加钻具的降斜趋势增强;钻压分配比对钻头侧向力的变化趋势有重大影响。     

带双心钻头底部钻具组合的分析

针对使用双心钻头钻进时扩孔尺寸不理想、钻具工作不稳定、井斜趋势引起钻头工况对钻压非常敏感等问题,对底部钻具组合的受力、变形和运动状态等方面进行了分析研究表明,由于双心钻头几何设计的独特性,工作时钻头上受有不平衡力,这使得钻头切削不稳定,且影响钻柱变形。钻柱变形后,钻头相对井底偏转,偏转的方向和角度影响钻头的有效切削面积;钻柱的运动方式,即自转和公转,也影响扩孔尺寸和钻头稳定性。通过简单试验,认为钻头的不平衡力使钻具倾向公转;另外井斜、井眼弯曲也对钻具运动状态有很大影响,表现为钻具稳定性对钻压的变化非常敏感。     

弯螺杆钻具力学特性分析与设计

设计或选择弯螺杆钻具组合时，既要确定弯螺杆钻具的总体方案结构参数，还要预测该钻具组合的造科能力。利用结构弯角的等效角和等效横向载荷，推导了用以分析具有结构弯角的螺杆钻具组合力学特性的三弯矩方程组，并应用它确定钻具组合的平衡曲率。根据实钻结果研究了弯螺杆钻具组合造斜能力与平衡曲率间的关系，得出了平衡曲率系数的数学表达式，并将其应用于φ39．7mm套管侧钻水平井的φ89mm弯螺杆钻具总体方案设计。计算表明，这种φ89弯螺杆钻具应设计成传动轴本体上带有稳定器的单弯钻具。     

确定底部钻具组合上切点位置的新观点

在计算底部钻具组合的受力和变形时,以前一般都是按弯矩为零的条件来确定其上切点的位置。提出了一种新观点,即按照钻柱与井壁的接触力为零的条件来确定这一位置。推导了相应的计算公式,给出了算例,并通过算例的结果证明了该观点的合理性。     

用有限差分法分析底部钻具组合的静力

本文采用有限差分法对底部钻具组合三维静力问题进行了分析研究。通过中心差分,建立有关的差分方程,并编写了相应的计算机处理程序。在此基础上,通过算例分析,阐明了钻压、井斜角、井眼曲率及稳定器间隙对钻头侧向力的影响规律。     

三牙轮钻头井底横向力的计算机仿真

在定义钻头的井底横向作用力后，建立了钻头结构参数、钻井参数和岩石性质与钻头井底横向力的定量关系、相应的仿真模型和仿真程序。用计算机仿真实验得到井底轮廓和任意时刻井底岩石对钻头的横向作用力。实验结果表明，钻头旋转一周的井底横向作用力矢量统计平均值始终很小，说明钻柱作用在钻头上的横向力为零时，井底横向力表现为扩眼力。     

解决钟摆钻具在大钻压下增斜问题的新思路

通过对钻头处受力情况的深入分析，否定了以前在分析底部钻具组合时，将钻头处的边界条件看作铰支（即弯矩为零）的一惯做法，提出了应先将这里看作是固支（即转角为零），只有当弯矩达到一定的值时，才能出现转角的新观点，并给出了计算变矩最大值的计算公式，同时利用文中的结论，对在倾斜井眼中钟摆钻具在加大钻压时会出现增斜现象给出了合理的解释，并针对其产生的原因提出相应的对策。     

QP19-L型PDC钻头在TK320井的应用

针对塔河地区的地层特点和PDC钻头的破岩机理，优选了适合于该地层钻进的QP19-L型PDC钻头，总结了PDC钻头的使用技术措施。在TK320井二开井段的应用表明，该钻头能明显提高机械钻速，缩短钻井周期，值得推广应用。