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.     

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科学的井眼轨迹设计方法和精确的井眼轨迹预测与控制技术是确保定向井、丛式井、水平井、大位移井、老井重钻、复杂结构井等一系列特殊工艺井钻井成功，降低钻井成本的关键技术。科学的井眼轨迹预测不仅可以指导轨迹设计、预测实钻井眼轨迹参数，而且可以优化下部钻具组合、提高轨迹控制精度。文章对井眼轨迹预测理论及方法作了简要的分类，介绍了几种目前常用的井眼轨迹预测方法及其特点；提出了基于钻井系统动力学的井眼轨迹预测理论及方法，建立了新的预测模式，提出了井眼轨迹不仅与下部钻具组合和钻头与岩石互作用有关，而且与钻柱的振动和钻井液水力作用有关。     

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。     

岩石力学性质对井眼轨迹走向的影响机理

为了提高在极软、极硬地层中钻井时的井眼轨迹预测与控制能力,研究了岩石力学性质对井眼轨迹的影响机理和相应的控制措施。基于纵横弯曲连续梁理论,分析了地层力学性质对下部钻具组合导向性能的影响,在此基础上,建立了考虑地层力学性质的钻头导向模型,利用钻头导向模型定量描述钻压、造斜力、地层可钻性和钻头各向异性对井眼轨迹的影响。对于Φ215.9 mm井眼,井眼瞬时扩径率小于3%时,宜采用弯壳体螺杆钻具,井眼扩径率大于3%时,弯接头配合直螺杆导向能力更强;地层可钻性级值由1增大为10时,趋势角从6.00°降为1.00°。软地层和侧钻井眼推荐使用弯接头配合直螺杆钻具,硬地层推荐使用侧切能力强的钻头配合单弯螺杆钻具。      

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。      

旋转导向钻具三维小挠度稳态分析的数学模型

在普通旋转钻具的基础上,研制了一种旋转的近钻头稳定器,它可以将钻柱稳定在井眼截面的需要位置,以控制井眼轨道.为了研制和应用这种新钻具,建立了适用于该种旋转导向钻具进行三维小挠度静力学分析的数学模型,包括:①微分方程;②钻头、稳定器、变截面、切点和井壁的边界条件;③钻头的侧向力和钻头转角;④钻具的导向能力与偏心距和偏心方向.给出了一种旋转导向钻具的受力状态分析、井眼曲率预测及确定导向稳定器运行参数的计算实例.     

钻具组合造斜率预测方法

根据井底最近测点数据，计算井底轨迹参数。利用下部钻具力学计算模型进行钻头力学计算。引入钻头各向异性指数和地层各向异性指数后，建立三维钻速方程，依此预测计算钻具组合的造斜率。并将该方法编制成计算机软件。实例计算表明，这种方法比较可靠。     

关于钻头轨迹形成的理论探讨

指出了现行钻头轨迹形成理论的差异之处，论述了下部钻具组合的弯曲形状对钻头钻进方向的影响，研究了下部钻具组合的弯曲形状、钻头侧向力、钻头转角等力学因素对钻头轨迹形成的影响，推导了钻头在三维各向异性地层中钻进轨迹的曲率增量表达式，模拟了平衡曲率钻进过程的基本特征。实例分析表明，用平衡曲率法预测下部钻具组合的造（降）斜特性较为准确。用本文提出的方法还模拟计算了实钻井眼轨迹，计算结果和实测吻合较好。     

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。     

用纵横弯曲法对弯接头——井下动力钻具组合的三维分析

对弯接头-井下动力钻具组合进行三维分析,可确定钻头上的变井斜力和变方位力,以满足对定向井井眼轨道进行定量预测和控制的需要,本文用纵横弯曲法建立了弯接头——井下动力钻具组合的力学模型,提出了关于连续条件的一般命题和处理弯接头弯角的两种等效方法,提出了等效钻铤假设并用力学实验方法确定动力钻具的等效抗弯刚度,推导了装置角为任意值时的计算弯角公式,建立了在三维井身条件下弯接头-井下动力钻具组合受力分析的普遍方程以及在一维、二维分析中的简化形式.这些结果可用来定量计算各种带有动力钻具的井底组合在各种井身条件下的钻头变井斜力和变方位力、钻头倾角、各点挠度、支点处内弯矩和转角值等.本文进一步分析了钻具结构参数、井身几何参数和工艺操作参数对钻头侧向力的影响,其中影响最大的是下部组合长度、弯角和装置角.现场验证证实了上述理论分析的正确性.     

定向井井眼轨迹预测与控制技术

影响井眼轨迹的主要因素有地质特性、钻具组合结构、井眼轨迹几何形状、钻井工艺参数等。在钻井过程中,预测是控制的基础,如果没有精确的井眼轨迹参数预测,就不可能实现准确的井眼轨迹控制。通过实践经验和研究归纳总结出了一套井眼延伸方向预测的实用程序及井眼轨迹控制原则,供现场钻井施工技术人员参考。     

推靠式旋转导向钻具力学性能研究

旋转导向钻井系统在大位移井中得到广泛的应用,该项技术国内正处于研究阶段。结合国家863项目"旋转导向钻井系统整体方案设计及关键技术研究",对设计出的偏置式旋转导向钻具组合进行了力学性能的理论研究,介绍了理论模型的建立和力学性能研究的部分结果,给出了推靠式旋转导向钻具的受力状态分析、井眼曲率预测、导向稳定器运行参数、井眼曲率和方向与导向稳定器偏心距和偏心方向的关系。可以为旋转导向稳定器的设计提供理论依据。     

定向井井眼轨迹的连续控制

目前,大多数定向井采用常规的钻井工艺技术进行井眼轨迹的控制(即非连续控制),一口井要改变钻具结构多次,而每次改变钻具结构需起下钻方能实现。导向钻井系统可实现井眼轨迹的连续控制,靠一套多功能下部钻具组合一次下井,配合长寿命的优质钻头和随钻测斜仪导向,在井下长时间运转,不用起下钻就能准确、连续、迅速、经济地完成定向井多种井段的作业。该技术的推广应用,将会取得很大的经济效益。     

弱胶结地层水平井钻井技术探讨

水平井井眼轨迹控制的核心问题在于如何把握相对合理的全角变化率，而地层胶结状况（或地层物性）是影响全角变化率的关键因素之一。弱胶结地层水平井钻井主要存在全角变化率偏低、MWD信号传输不及时、底部钻具组合及钻进参数选择矛盾突出等技术难点。因此，应根据弱胶结地层的分布层位和厚度制定有针对性的技术方案和应急预案，宜使用大角度单弯动力钻具定向造斜钻进，而且钻具组合中要使用无磁承压钻杆和加重钻杆，尽量少用或不用钻铤，以保证井下清洁，提高井眼轨迹控制精度。以胜利油田埕52-平2井和草128-平4井为例，从钻井工程设计、钻井参数优选、底部钻具组合优化等方面对弱胶结地层水平井钻井技术进行了探讨。     

长庆油田短靶前距水平井钻井关键技术

短靶前距水平井钻井技术在井眼轨道优化设计、下部钻具组合造斜能力预测等方面存在着难以准确预测最大造斜率和恒定曲率等技术难点。针对这些难点进行了分析,明确关键技术攻关方向为井眼轨道设计中靶前距与造斜率对摩阻扭矩的影响分析及下部钻具组合造斜能力预测方法的优选,提出了短靶前距水平井井眼轨道设计的主要思路,即采用单增剖面,考虑稳定器与结构弯角、井眼扩径、钻压等因素建立了基于平恒曲率法的下部钻具组合造斜能力预测方法,结合实例,论证了上述关键技术的可行性,证明所建立的预测方法能够有效地指导实钻条件下对下部钻具组合造斜能力的要求。     

柔性防斜纠斜钻具组合在勃参1井中的应用

介绍了柔性防斜纠斜钻具组合的防斜纠斜机理，给出了其力学模型并进行了分析，提出了其防斜纠斜钻进技术措施。在勃参一井的应用表明，该钻具组合能有效地控制井斜的增加并具有降斜的作用且能提高机械钻速，为大倾角硬地层易斜区快速防斜纠斜钻进提供了一种新的钻具组合类型。     

自动垂直钻井系统BHA力学分析的一维模型

为了指导自动垂直钻井工具的研发和现场应用,并且为自动垂直钻井系统底部钻具组合的优化设计提供理论依据,在充分调研自动垂直钻井系统的结构特征、工作原理的基础上,用纵横弯曲法建立了加装自动垂直钻井工具的BHA的一维力学分析模型,建立了自动垂直钻井系统的BHA的普遍力学方程。确定了钻头和上切点处的边界条件,推导出钻头侧向力和钻头转角的计算公式。应用所建立的力学模型能准确地计算出稳定器支点的内弯矩和梁柱各点处的挠度,同时也可以计算出一定工作条件下的钻头侧向力和钻头转角,通过分析钻头侧向力和钻头转角随钻进参数的变化规律可以分析钻进参数对自动垂直钻井工具造斜能力的影响规律,为指导自动垂直钻井工具的现场使用提供理论依据。     

自动垂直钻井工具的设计及自动控制方法

设计了一种井下闭环自动垂直钻井工具。该自动垂直钻井工具包含井下微处理器、井斜角测量传感器及井下可控稳定器等。可控稳定器周围均布有四个可独立伸缩的导向块,它们受到内部液压系统的驱动,当井斜角偏离垂直方向时,井下微处理器会自动调整可控稳定器的工作状态,使可控稳定器上位于井眼高边的导向块伸出,顶向井眼高边,使钻头上产生一个降斜力,最后使井眼回到垂直轨道。本文详细介绍了这种自动垂直钻井工具的工作原理及结构组成;对工具内部的液压控制原理及控制回路进行了研究和设计;讨论并设计了对工具进行井下闭环自动控制的原理及具体方法;最后利用纵横弯曲法对包含有该工具的井下钻具组合的降斜能力进行了数值模拟分析,说明该自动垂直钻井工具将能够在地层造斜力很大的高陡构造中高效快速地完成垂直钻井的工作。     

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在南方海相川东断褶带黄金口构造带，由于受多期地质构造运动和沉积条件的影响，地层倾角较大，在毛坝1井直井钻探过程中发现，大部分地质构造表现出了较强的地层自然造斜能力，防斜和打快形成了尖锐的矛盾，该地区的其它直井也面临同样的矛盾，严重制约了该地区的勘探和开发进程，急需寻找经济有效的钻井技术提高机械钻速。对此开展了该地区的地层自然造斜规律研究，利用反演法、统计法和参比法等，结合毛坝1井地层倾角测井解释结果和实钻数据分析，反演出了该地区的地层倾角和走向，最终得到了地层自然造斜规律，其研究结果用于指导毛坝2井的井眼轨道设计和井眼轨迹控制施工，利用地层自然造斜规律设计定向井的方位角和轨道剖面，在实际钻井过程中，充分利用地层自然造斜规律优配钻具组合和优化钻井参数以控制井眼轨迹，已取得了解放钻井参数，减少定向钻进时间，提高钻井速度的良好效果。