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本文在分析钻头对岩石破碎方式的基础上,综合考虑了钻头各向异性和地层各向异性对井眼轨迹的影响,建立了在岩石不同破碎方式下的钻头与地层相互作用的钻速方程并据该方程,得出了变井斜力和变方位力的计算式。     

地层力计算的新模型

根据钻头与地层相互作用理论,结合钻头的力学分析,建立了地层力计算的新模型.模型重点考虑了井眼轨迹变化和地层各向异性的影响,克服了以往只能由稳斜稳方位(或稳斜)条件确定地层力的缺点,它适用于井眼轨迹任意变化的状态.模型具有广泛的使用价值.文中还讨论了地层力的影响因素和分布特征.并结合大庆油田南Ⅱ区的实钻井史资料,得出了该地区的地层力数值和地层力与钻压的平均比值为0.74%.     

井眼弯曲平面倾角对钻头侧向力的影响研究

井眼轨迹的空间形状是影响钻头侧向力特别是方位力的一个主要因素。文中利用弯曲平面倾角来描述井眼轨迹的弯曲方向,并探讨了弯曲平面倾角对钻头侧向力的影响及其规律。结果表明,弯曲平面倾角和井眼曲率的有机结合可以很好地描述井眼轨迹空间形状对钻头侧向力的影响。当弯曲平面倾角为0°时,钻头上的方位力近似为零,而当弯曲平面倾角接近90°或270°时,钻头上的方位力绝对值最大。在不考虑地层因素的影响时,井眼的弯曲平面倾角及弯曲程度是产生钻头方位力的一个主要因素。在现场井眼轨迹控制过程中,应充分考虑这一特点。     

牙轮钻头动力学特性仿真研究

研究了钻井过程中钻柱、钻头、岩石相互作用下的牙轮钻头动力学特性.根据汉弥尔顿原理和有限单元法,建立了全井钻柱纵向、横向扭转耦合振动动力学模型.在大量单元实验的基础上,建立了牙轮钻头与岩石相互作用力学模型.从系统动力学的角度出发,建立了基于钻柱、岩石相互作用下的牙轮钻头动力学模型.研究了牙轮钻头非线性系统模型的数值求解方法,编制了钻头动力学特性仿真分析软件,在不同钻井操作参数、钻具(钻柱、钻头)几何参数、地层性质条件下,对牙轮钻头动力学特性进行了仿真.明确了钻井过程中井下钻柱及钻头的运动规律、动力学特性、失效机理,为科学合理地预测和控制井眼轨迹提供了理论依据和技术手段.     

钻头与地层相互作用分析及井眼轨迹预测

本文对钻头与地层相互作用进行了全面的三维分析,在综合考虑钻头各向异性和地层各向异性对井眼轨迹影响的基础上,建立了钻头与地层相互作用的三维钻速模式.利用该模式并结合钻柱力学三维分析,可以预测定向井井眼轨迹,还可以利用定向井井史资料,反求有关系数.通过对大庆油田萨中区四口定向井井史资料的分析,得出该地区10个层段3种常用钻头的10组数据.在此基础上,对该地区两口实验井分四个井段进行了跟踪预测,其结果是,井斜平均误差为0.162°/100m,方位平均误差为0.988°/100m.     

地层自然造斜能力在定向钻井中的应用

地层自然造斜规律和造斜能力是定向井井眼轨迹控制和直井防斜打直的基本地质依据。文中从钻柱力学的基本原理着手,分析了钻头与地层的相互作用,建立了地层自然造斜能力的力学模型,利用江苏油田桥河口地区的实际资料,对桥河口地区的地层各向异性指数、地层造斜系数和方位漂移系数进行了计算,并根据计算结果设计了新的钻具结构。     

钻柱扭转振动模型的建立及求解

在建立了牙轮钻头与井底岩石互作用模型的基础之上,将钻头与井底岩石互作用力矩作为钻柱的下端边界条件。在适当简化的条件下,利用弹性杆理论和单元法,建立了在钻井过程中由于钻头与岩石互作用和钻柱弹性变形而导致钻柱产生扭转振动的动力学模型。在给定初始条件和边界条件的情况下,采用数值计算方法求解了钻柱扭振模型。为进一步弄清钻头、钻柱在井底的实际运动规律和动力学性能,控制井眼轨迹,预防钻杆早期失效奠定了理论基础。     

井眼轨迹控制问题的力学分析方法

对井眼轨迹控制问题的力学分析模型进行了讨论.给出了底部钻具组合三维受力和变形的控制方程及其简化形式的通解;综合考虑地层和钻头的各向异性钻井特性,建立了钻头与地层相互作用的一个矢量模型;讨论了井眼轨迹预测和控制计算方法.     

钻头与地层相互作用的新模型

本文综合考虑了地层各向导性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响,经过力学分析和数学处理,建立了更为一般的钻头与地层相互作用模型即UPC模型。它是目前已有类似模型的推广。在此基础上,本文给出了有效钻力的概念,从而找到了确定钻头钻进方向的根据。利用UPC模型,并结合底部钻具组合三维分析程序,既可预测井眼轨迹,又可反求地层因素或钻头各向异性指数等。     

根据新的钻头—岩石相互作用模型预测井眼的轨迹

文中提出了一个新的钻头—岩石相互作用模型.该模型没有采用地层各向异性指数的概念,而是从横观各向同性岩石(地层)的本构方程出发,考虑了地层各向异性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响,编制了相应的井眼轨迹模拟程序,该程序可在微机上运行.模型有利于现场推广使用,对定向钻井有一定的参考价值.     

考虑钻头转速影响的新三维钻速方程

为了更全面地考虑影响机械钻速的因素、提高预测机械钻速和井眼轨迹的准确性,深入研究了涉及钻头和地层相互作用的三维钻速方程。考虑钻头转速的影响,重新定义了钻头各向异性指数和地层各向异性指数;利用地层各向异性指数和钻头各向异性指数的定义以及坐标变换,建立了考虑钻头转速影响、钻头与地层相互作用的新三维钻速方程。利用新三维钻速方程,实例分析了钻头转速对机械钻速的影响,随着钻头转速的增加,井底平面Xd方向、Yd方向及井底法向Zd方向的机械钻速都随之提高,但井底3个方向的机械钻速随钻头转速增加而提高的幅度并不相同,井底法向Zd方向机械钻速的提高幅度要大于井底Xd和Yd方向机械钻速的提高幅度。研究表明,钻井过程中,利用新三维钻速模型可以预测钻头转速变化对机械钻速和井眼轨迹的影响,也可以通过调整钻头转速、钻头各向异性指数、钻头机械力等参数对井眼轨迹进行控制。      

塔中地区的地层自然造斜能力及其规律

地层自然造斜能力及规律是定向井和丛式井井眼轨道控制的重要依据，根据钻头与地层相互作用的力学模式，从钻柱力学出发，用纵横弯曲法求钻头侧向分力，然后利用反算法对ＴＺ４号构造的地层各向异性指数、地层造斜系数和方位漂移系数进行了计算和分析，得出了该地萄地层自然造斜规律和最佳造斜点位置，定性地分析了各层段的自然造斜能力，为ＴＺ４号构造油藏丛式井的井眼轨道控制提供了理论依据。     

考虑钻头与地层相互作用的侧钻水平井轨迹预测方法

在侧钻水平井钻井过程中，由于造斜率高，从造斜点到半点之间的井段长度有限，给侧钻井的井眼轨迹控制带来较大的挑战。考虑钻头与地层之间相互作用、钻头切削各向异性以及钻头侧向力等因素的影响，建立了侧钻水平井造斜井段采用弯外壳螺杆钻具滑动钻进时的轨迹预测模型，并用现场实钻数据对理论模型进行了验证，为侧钻水平井井眼轨迹预测及井眼轨迹控制提供了一种行之有效的方法。     

底部钻具组合的参数设计及优化方法

为满足井眼轨道设计或实际钻井过程中对井眼轨迹控制的要求,从底部钻具组合设计角度实现了控制井眼轨迹。基于底部钻具组合力学参数分析方法及钻头与地层相互作用理论,模拟钻井过程,计算出井眼轨道的曲线,且将模拟计算的曲线与设计曲线(或者实际要求曲线)之间误差最小设为目标函数,以底部钻具组合设计参数及操作参数为决策变量,建立了底部钻具组合参数设计及优化方法。该方法综合考虑了钻头侧向力、转角、钻头各向异性、地层各向异性、井眼几何参数等对井眼轨迹的影响,克服了钻具组合设计过程中通常以单一参数作为设计依据的局限,并实现了从定量角度对井眼轨迹的模拟描述。计算和实例分析表明,该方法分析结果准确,可以有效地对钻具组合设计是否最优做出评价。     

钻头与井壁碰撞模型的建立及分析

钻井过程中 ,钻柱的振动使钻头与井壁产生的碰撞是钻头和钻柱早期失效的主要原因。通过建立钻头与井壁的碰撞模型 ,将碰撞简化为两个圆柱筒之间的碰撞 ,利用冲量定理和实验方法获得的钻头与井壁碰撞时的恢复系数及钻头碰撞前的速度 ,可计算出钻头与岩石碰撞后的速度和碰撞时产生的碰撞力。摸清钻头与井壁之间的碰撞规律 ,为有效预防钻头与钻柱的早期失效 ,预测井眼轨迹 ,有效提高钻井效率提供了理论依据     

横观各向同性地层中UPC模型与NL模型的一致性

在定向井和水平井中,首先应解决井眼轨迹的控制问题,而认识钻头与地层的相互作用关系,是井眼轨迹控制的关键之一。本文应用钻头、岩石各向异性理论,对横观各向同性地层中的UPC模型与NL模型进行了严格的力学分析与数学推导,得出的结论是这两种模型尽管形式不同,但实质是一样的。通过分析论证,有助于人们对这些模型的认识与理解。文中还给出了以增量形式表示的井斜角、方位角表达式,有利于现场工作人员应用。     

利用井眼偏移量模式预测井眼轨道

根据多元幂积侧向切削理论模型和钻头岩石相互作用理论,给出了考虑地层因素、钻头切削破岩特性对钻头轴向力和侧向力的有效作用的综合影响,以及井深增量、钻头转速和井眼前进方向地层可钻性等因素的井眼偏移量计算模式.在理论和实验研究的基础上,编制了应用软件、理论成果和计算软件,已成功地用于大庆油田水平井井眼轨道控制中.结果表明把理论分析方法与实钻数理统计理论分析结合起来建立的计算模式是预测井眼轨道的有效方法.     

连续管可控偏心垫块BHA滑动钻进导向性能分析

针对小井眼连续管水平钻井过程中导向控制的要求,提出采用可控偏心垫块控制井眼轨迹的方法。在下部钻具组合(BHA)中按照一定的分布规律安装可独立控制的偏心垫块,通过控制偏心垫块的伸出与缩回,使BHA产生相对于井眼轴线的偏心位移,从而改变钻具组合的力学特性;对该钻具组合形式采用纵横弯曲连续梁法,建立了连续管可控偏心垫块BHA滑动钻进导向性能的力学模型与控制方程,并针对具体算例采用控制方程进行了求解。计算结果表明,在不同钻压条件下,钻头井斜力、钻头方位力、井斜平面内钻头转角和方位平面内钻头转角均随偏心稳定器在井斜平面与方位平面内的偏心位移呈线性变化;钻铤内径增大,钻头井斜力、方位力均表现为先缓慢减小后快速降低,钻头转角的变化很小。研究表明,控制钻具组合偏心垫块的伸出与缩回可以改变BHA的力学性能,使BHA产生相对于井眼轴线的偏心位移,达到控制井眼轨迹的目的。      

钻柱力学研究中几个值得探讨的问题

钻柱力学主要研究钻柱的强度和井眼轨迹控制问题。近年来，在钻柱稳定性研究和下部钻具静动态力学分析方面，有些研究人员采用的钻柱在钻头处不受弯矩的边界条件、几何非线性分析方法、斜井段钻柱的稳定性分析方法和下部钻具组合动力分析的定解条件值得探讨。通过分析，指出了某些不确切的提法及症结所在。确切的提法应是：（１）钻柱在运动开始之前处于静力变形状态；（２）钻柱在井底钻头处为铰支座约束。     

利用岩石可钻性预测井眼轨迹

本文利用我国各油田岩石可钻性研究成果及地层各向异性研究结论[1],分析钻碎各类岩石所表现的非线性位移性质对井眼轨迹的影响,在分析岩石可钻性的同时,还分析了地层各向异性、钻头各向异性等反映井下环境因素对形成井眼轨迹的影响。在给定钻头外力的前提下,运用钻速方程列出预测井眼轨迹的计算式,为反映井下环境的综合影响因素提供了定量计算方法。研究表明,由岩石可钻性决定的非线性位移性质、地层各向异性和钻头各向异性等三种性质是影响井眼轨迹的井下环境因素,在钻井设计和施工中都应计算其影响数值。由岩石可钻性级值Kd表示的井下环境因素,引入钻达预测方程中进行运算,可以获得影响井眼轨迹的定量结果,从而使定向井预测由定性进入定量研究阶段。