專利名稱：預彎曲動力學防斜打快鉆井方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新的石油鉆探用直井防斜打快新方法，特別是使用帶預彎曲防斜打 快鉆具組合的地面旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的防斜打快新方法。 技術(shù)背景石油勘探中直井易斜是一個百年難題。隨著油氣資源勘探難度的增加，易斜高陡易 斜構(gòu)造油氣資源的勘探開發(fā)逐步受到重視，但其勘探速度受到井斜問題的嚴重制約?，F(xiàn) 有的常規(guī)防斜方法如鐘擺、滿眼等都是通過減少鉆具組合的變形來達到防止井斜或降低 井斜的目的，其防斜力或降斜力計算都是采用的靜力學方法。而國外的垂直鉆井系統(tǒng)雖 然可以很好的實現(xiàn)防斜打快目的，但其使用成本很高，許多油田都無力使用這一技術(shù)。 一種低成本的高效防斜打快技術(shù)更適合我國國情。而事實上，鉆進作業(yè)過程中，鉆具組 合在井眼中的變形不可避免，能否充分利用這種變形來實現(xiàn)低成本防^^打快目的？這是 己有技術(shù)存在的一個急待解決的問題。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于針對己有技術(shù)存在的問題，提供一種預彎曲動力學防斜打快鉆井 方法，能提高鉆壓和鉆速，從而提高生產(chǎn)效率。 為了達到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是 根據(jù)上述的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案利用特殊的帶預彎曲結(jié)構(gòu)鉆具組合的動力學行為來實現(xiàn)防斜打快目的。這種帶預彎 曲結(jié)構(gòu)的鉆具組合利用其預置變形引導鉆具組合以有序的渦動方式在井下運動，從而使 鉆頭上的動態(tài)側(cè)向力具有防斜力特征，并且遠遠大于常規(guī)鐘擺鉆具組合的降斜力。具體 發(fā)明內(nèi)容包括一種預彎曲動力學防斜打快鉆井方法，其特征在于采用帶預彎曲結(jié)構(gòu)的鉆具組合， 以地面驅(qū)動的方式，從鉆頭的防斜力和變化規(guī)律分析出發(fā)，確定鉆具組合、工藝操作規(guī) 程、安全性分析和檢測，實現(xiàn)防斜打快鉆井；具體步驟如下1) 、根據(jù)待鉆地層的井斜特征情況，根據(jù)經(jīng)驗初步確定一套鉆具組合，并確定其 靜態(tài)防斜力大小(見圖2中步驟1);2) 、在固定其它參數(shù)情況下，改變?nèi)我唤Y(jié)構(gòu)參數(shù)，確定對應(yīng)的靜態(tài)防斜力大小，并 找出最大靜態(tài)防斜力對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)是指穩(wěn)定器外徑、穩(wěn)定器位置、彎角大 小和位置(見圖2中步驟2);態(tài)防斜力的結(jié)構(gòu)參數(shù)和井場現(xiàn)有工具儲備，確定鉆具組合(見圖2中步驟3);4) 、針對確定的鉆具組合，計算在不同鉆壓和轉(zhuǎn)速時的動態(tài)防斜力，并找出具有最大動態(tài)防斜力時的施工參數(shù)(即鉆壓和轉(zhuǎn)速)(見圖2中步驟4);5) 、根據(jù)動態(tài)防斜力值和實際鉆井條件(如鐘擺極限鉆壓)，確定合理施工參數(shù)(鉆 壓、轉(zhuǎn)速)(見圖2中步驟5);6) 、確定防斜打快作業(yè)操作規(guī)程(見圖2中步驟6)。在完成以上步驟后，就可把鉆具組合下入井中，根據(jù)確定的操作規(guī)程進行防斜打 快鉆進作業(yè)。本發(fā)明的原理利用帶預彎結(jié)構(gòu)的鉆具組合進行的防斜打快鉆井方法，其中包括復合鉆井防斜打快鉆井方法(即利用帶單彎螺桿的鉆具組合進行的防斜打快方法)。預彎曲動 力學防斜打快鉆具組合一般帶有兩個穩(wěn)定器和一個預彎曲短節(jié)，見圖l。這種預彎曲鉆具組合在井下的渦動特征見圖11和圖12。由此引起的鉆頭動態(tài)側(cè)向力見圖13,體現(xiàn)為很 大的防斜力。正是這種很大的防斜力使得這種防斜打快鉆井方法可以在較大的鉆壓下實 現(xiàn)防斜打快目的。具體實施過程如下1、根據(jù)待鉆地層的井斜特征情況和實際經(jīng)驗初歩確定一套鉆具組合，利用下列計算模型計算鉆具組合可以提供的靜態(tài)防斜力大小(圖2中步驟1); 鉆具組合的靜力學微分方程如下"^4v2 +(wDw)2/——沿鉆柱軸線的曲線坐標，以f段鉆柱的底端為起點；五,—…i鉆柱的彈性模量；/,------Z'段鉆柱的截面慣矩；M,,-----f段鉆柱所受扭矩，1'=1時為鉆頭扭矩；仏———Z段鉆柱在鉆井液中的線重度；——f段鉆柱所在井段的井斜角； C/, —— i段鉆柱在X方向的位移或坐標；K —…段鉆柱在y方向的位移或坐標；———f段鉆柱下部z方向的壓力，壓為正，''=1時為鉆壓； —--y段鉆柱的長度；—— y個穩(wěn)定器與井壁的接觸壓力；/———穩(wěn)定器與井壁的摩擦系數(shù)V-------鉆速；w一——鉆柱自轉(zhuǎn)角速度；Dw—-隱井徑。邊界條件及連續(xù)條件(1)、鉆頭處根據(jù)笛卡爾參考坐標系的取法，鉆頭位移為零，鉆頭與地層間無彎矩作用，為此c/,(o)-o,=0 (3) C/;'(0) = 0(2)、穩(wěn)定器處在各穩(wěn)定器或接觸點處，鉆柱位于井眼中心或在某一方向上偏移井眼中心一定距 離，穩(wěn)定器兩側(cè)鉆柱的位移及其一次導數(shù)連續(xù)、彎矩連續(xù)。<formula>formula see original document page 10</formula>式中e --------偏心距；S---------偏斜角；《——穩(wěn)定器或接觸點處井眼軸線的X方向的坐標； K——穩(wěn)定器或接觸點處井眼軸線的y方向的坐標； (3)、切點處鉆柱在切點處的狀態(tài)是很難精確計算的，但一般認為在切點處鉆柱躺在井壁下側(cè)， 斜率和曲率與井眼軸線的斜率和曲率基本一致，為此，<formula>formula see original document page 10</formula>式中，A^為切點處鉆柱外徑。(4)、井壁約束鉆柱變形受到井壁的限制，對任意一點均必須滿足"、^f^ (6)2式中，化,為z'段鉆柱外徑。鉆頭的側(cè)向力模型(1) 、鉆頭的增井斜力& = VA (o)+(0)+ w (0) (7)(2) 、鉆頭的增方位力、=- wr(o)+W(O) - W(O) (8)對于帶預彎曲結(jié)構(gòu)的下部鉆具組合來說，由于其彎曲結(jié)構(gòu)的存在，使得其在任何一 個瞬態(tài)的受力變形都有其獨特的特征。這個特征主要來源于預彎曲結(jié)構(gòu)的彎曲面。引用 滑動導向鉆具組合導向鉆井的概念，這個彎曲面就是導向工具面，這里定義為工具面， 其相對于井眼高邊的夾角(從高邊順時針計)定義為工具面角。這樣，帶預彎曲結(jié)構(gòu)的 鉆具組合旋轉(zhuǎn)鉆井時其特點可以歸納為一個工具面不斷有規(guī)律改變的過程，其總體導向 效果可以用鉆柱旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)的鉆頭上的合側(cè)向力矢量來表述。設(shè)帶預彎曲結(jié)構(gòu)的鉆具組合在某一時刻的工具面角為《 ，在這一工具面角位置可計算出鉆頭上的造斜力為F。(w,方位力為F^)。取鉆具組合旋轉(zhuǎn)一周為研究對象，《的 取值范圍為0 2;r，均勻取值。設(shè)計算點數(shù)為"，則工具面角變化步長為A份-2;r/"。 計算點數(shù)應(yīng)大于或等于36。鉆具組合旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)在鉆頭上作用的導向合力f，為w v ^式中i^為合造斜力，單位為kN; i^為合方位力，《廣f]i^)，0=0 <D=0單位為kN;導向合力方向角(導向合力與高邊的夾角)為Qr、=arctan(Ff)>/。 (10)&(<0)為公式(7)中的S^， ^w為公式(8)中的、" 靜態(tài)防斜力計算流程見圖3。2、通過一系列計算，尋找對應(yīng)最大防斜力的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括穩(wěn)定器外徑、穩(wěn)定 器位置、彎角大小和位置，具體情況如下1) 其它參數(shù)不變，使下穩(wěn)定器(2)外徑分別比井徑小0mm， lmm， 2mm10mm， 計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，找出具有最大靜態(tài)防斜力的下穩(wěn)定器外徑；2) 其它參數(shù)不變，使上穩(wěn)定器(5)外徑分別比井徑小0mm， lmm, 2mm,...，10mm， 計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，找出具有最大靜態(tài)防斜力的上穩(wěn)定器外徑；3) 其它參數(shù)不變，使下穩(wěn)定器(2)距鉆頭(1)端面距離分別為0.5m， 0.6m， 0.7m，...,1.0m,計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，找出具有最大靜態(tài)防 斜力的下穩(wěn)定器(2)距鉆頭(1)端面距離；4) 其它參數(shù)不變，使下穩(wěn)定器(2)與上穩(wěn)定器(5)之間距離分別為6m， 7m， 8m，...，20m，計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，找出具有最大靜態(tài)防斜力的下穩(wěn)定器(2)與上穩(wěn) 定器(5)之間距離；5) 其它參數(shù)不變，使預彎短節(jié)(3)或單彎螺桿(8)彎點距下穩(wěn)定器(2)的距離 分別為1.0m， 1.2m, 1.3m,...，1.6m，計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，找出具有最大靜態(tài)防斜力 的彎點距下穩(wěn)定器(2)的距離；6) 其它參數(shù)不變，使預彎短節(jié)(3)或單彎螺桿(8)的彎角分別為0.5°, 0.55°， 0.6°，...,1.5°，計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，找出具有最大靜態(tài)防斜力的彎角大小。3、 根據(jù)具有最大靜態(tài)防斜力的結(jié)構(gòu)參數(shù)和井場現(xiàn)有工具儲備，確定鉆具組合； 由上面計算得到了具有最大防斜力的結(jié)構(gòu)參數(shù)，就可以配置鉆具組合。但由于井場儲備的鉆鋌、穩(wěn)定器、預彎曲短節(jié)等有限，又不能隨意改變井場儲備的鉆具，因此，要 通過調(diào)整結(jié)構(gòu)參數(shù)使其能符合井場儲備的鉆具，又能達到盡可能大的靜態(tài)防斜力，最終 確定實用的鉆具組合。4、 針對確定的鉆具組合，計算在不同鉆壓和轉(zhuǎn)速時的動態(tài)防斜力，并找出具有最 大動態(tài)防斜力時的施工參數(shù)(即鉆壓和轉(zhuǎn)速)。鉆頭上的動態(tài)防斜力計算流程見圖4，具 體方法如下預彎曲動力學防斜打快鉆具組合在井眼中的特征可以近似用圖5表示，兩個穩(wěn)定器 間的中點處鉆鋌橫截面的投影見圖6。以該位置對應(yīng)的井眼軸線為原點建立直角坐標系o-j<^， oz指向井底方向，oy指向井眼高邊方向。預彎曲短節(jié)的存在、加工制造過程 中的誤差和可能存在的彎曲變形，使得鉆柱的質(zhì)心與其幾何中心有偏差。質(zhì)心相對幾何中心的偏差用偏心距e。表示，如圖7所示。用直角坐標(;c ,y)和極坐標可描述出 鉆柱的幾何中心的位置，則質(zhì)心的直角坐標位置可表示為(x + eQcos(Qf)，y + e0sin(n0)，其中n為鉆鋌旋轉(zhuǎn)速度，f為時間。鉆鋌運動時所受的慣性力包括兩部分鉆鋌旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力(作用于鉆鋌的質(zhì)心 上)；鉆井液運動產(chǎn)生的慣性力作用于幾何中心，可用下式表示 F附= 一(加+附/■) + wiQ2en cos(Qf)(11)式中w為鉆鋌的等效質(zhì)量；；n,為鉆井液的等.效質(zhì)量。此外，流體拖拽會產(chǎn)生一個 阻力&=力>'2+/2) (12)c""'2+y'2) / (13)式中c,為流體等效粘滯系數(shù)。穩(wěn)定器和井壁接觸會導致一個恢復力&，如果忽略摩擦，恢復力指向井眼中心。然 而，由于摩擦力的作用，使恢復力的方向變?yōu)槲粗Ｈ鐖D8所示，穩(wěn)定器幾何中心的角 位移和鉆鋌的幾何中心的角位移相差一個;3角。若假設(shè)穩(wěn)定器沿著井壁滑動，P就可消失。假定摩擦系數(shù)為//,根據(jù)庫侖準則，可得到穩(wěn)定器與井壁接觸力與接觸點法線之間的夾角-:—tan-(14)-為摩擦角?；謴土杀硎緸镕t=-^7 (15)其與井壁接觸力大小相等，方向相反。根據(jù)圖8，可得到恢復力的徑向、切向分量的極 坐標表達式&cos(>3) F" = -—ln(;ff)式中t為所研究鉆鋌部分的等效抗彎剛度系數(shù)，p為鉆鋌幾何中心與穩(wěn)定器中心的距離p = g COS(;ff) + 51。 COS(力=g C0S(y5) - S。 COS(-) (17)A "如圖8所示。qr為鉆鋌幾何中心的徑向變形，J。為穩(wěn)定器與井壁之間的間隙So,-D')/2 (18) 式中A為井徑，D,為穩(wěn)定器外徑。由受力平衡關(guān)系i^ = 0 ，可推導得預彎曲動力學防斜打快鉆具組合的動力學模型[W '+W '+2i 伊-W2) + W) +込]exp(W) (i9)=(s +《)72 exp(i力r +《o) - igs式中，r = qr/c0/9二(OT + ffiy)/m<5 = s0/c0， s = e0/c0, w-i2/a;《二c,c。/附 r = fl>fc。為鉆鋌與穩(wěn)定器之間的間隙c。=(Z)A-￡>。)/2 。《s,/c。， s,為BHA預彎曲造 成的初始撓度，fl為鉆桿初始撓度對轉(zhuǎn)子質(zhì)心的影響因子，若假設(shè)初始彎曲為正弦曲線 時fl-2/;r，其反映預彎曲程度的影響。ffl為鉆鋌的固有頻率《 = 井斜角",的 影響由0g表示2g=-'On")/"" (20) 込為反映恢復力影響的項，有以下三種情況1) 當0《r" + f時，込=0 (21)2) 當5 + ^ <"1時，込"-(5-； + zV(5-32〃) (22)3) 當r〉l時，込=r - " _/ 0 + (1 + !S//C -1) + ur' (23)式中t;是一個無量綱化井壁阻尼系數(shù)，它與彈力恢復系數(shù)有關(guān)。S為符號函數(shù)，其表 達式為S = sign(0' + 77/ c) (24)假設(shè)開始時系統(tǒng)處于靜止狀態(tài)，根據(jù)方程式(19) (24)即可確定后繼時刻的K,) 和P(/)，并將它們作用到代表下部鉆具組合的三維運動梁模型上(見圖9)，由此求得井壁對鉆頭的反力(鉆頭防斜力的反作用力)F6=/[r(C(f);￡/,，Z,，^], hl，2,3; _/ = 1，2 (25)式中￡/,為各段梁的抗彎剛度，丄,為各段梁的長度，^為扶正器與井壁的間隙。在圖9所示的模型上，鉆頭簡化為球型鉸約束，在上扶正器以上的長度丄3由丌始時上部鉆柱與井壁相切的條件(撓角為零)確定，并且在后繼時刻保持上端的撓角為零。 扶正器的長度不計，井壁對扶正器的約束為動態(tài)約束，接觸與否和r(O的大小有關(guān)，在每個時間歩都要進行判斷。r(f)的作用點與鉆鋌的預彎曲形狀有關(guān)， 一般在預彎曲短節(jié) 附近。此外，系統(tǒng)中與質(zhì)量有關(guān)的動力學效應(yīng)、以及碰撞效應(yīng)，已經(jīng)包含在從式U9) (24)解出的KO和0(O之中。鉆頭動態(tài)防斜力的計算流程見圖4。確定具有最大防斜力的施工參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn) 速)的方法如下固定結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)置轉(zhuǎn)速為60r/min，使鉆壓分別為50kN， 60kN，70kN,...,200kN， 計算對應(yīng)的動態(tài)防斜力，找出具有最大動態(tài)防斜力的鉆壓值；固定結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，設(shè)置鉆壓為50kN，使轉(zhuǎn)速分別為30r/min, 40r/min, 50r/min,150r/min，計算對應(yīng)的動態(tài)防斜力，找出具有最大動態(tài)防斜力的轉(zhuǎn)速值；5、 根據(jù)動態(tài)防斜力值和實際鉆井條件，確定合理施工參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速)； 考慮實際鉆井設(shè)備的承受能力和可能提供的鉆井施工參數(shù)，結(jié)合具有最大動態(tài)防斜力的施工參數(shù)，確定合理的施工參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速大小)。其中鐘擺極限鉆壓是最大的 限制因素， 一般以鐘擺極限鉆壓的1.5倍來確定實際鉆壓大小。6、 確定防斜打快作業(yè)操作規(guī)程?？紤]防斜打快目的和作業(yè)的安全性、可實施性，確定防斜打快作業(yè)操作規(guī)程，包括 參數(shù)調(diào)整方法、井斜監(jiān)測安排、防止復雜情況出現(xiàn)的措施等。本發(fā)明與已有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實質(zhì)性特點和顯著優(yōu)點本發(fā) 明采用帶預彎曲結(jié)構(gòu)鉆具組合，以地面旋轉(zhuǎn)驅(qū)動方壓，從鉆頭的防斜力和變化規(guī)律出發(fā)， 確定鉆具和工藝操作規(guī)程，在實際作業(yè)中使用，在控制住井斜的同時，鉆壓比鐘擺極限鉆壓提高50%以上，機械鉆速得到較大幅度提高，最高達700%，提高了生產(chǎn)效率。


圖1是本發(fā)明一個實施例用的鉆具組合的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明的防斜打快鉆井方法流程圖。 圖3是靜態(tài)防斜力計算流程圖。 圖4是動態(tài)防斜力計算流程圖。 圖5是井眼中的鉆具組合的示意圖。 圖6是圖5中A-A處截面投影圖。 圖7是渦動鉆柱橫截面示意圖。 圖8是渦動鉆柱橫截面位置坐標圖。 圖9是鉆柱三維運動梁模型圖。 圖IO是非等力合成模型計算的防斜力曲線圖。 圖11是鉆鋌形心的渦動軌跡圖。 圖12是鉆鋌形心的渦動速度時程曲線圖。 圖13是鉆頭動態(tài)測面力時程曲線圖。
具體實施方式
本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例結(jié)合附圖詳述如下參見圖1，本預彎曲動力學防斜打快鉆井方法采用圖1所示的帶預彎曲結(jié)構(gòu)的鉆具 組合是 一個鉆頭(1)連接一個下穩(wěn)定器(2)，下穩(wěn)定器連接一個預彎短節(jié)(3),預 彎短節(jié)(3)通過一根短鉆鋌(4)與一個上穩(wěn)定器(5)連接，上穩(wěn)定器(5)通過鉆鋌 (6)與上部鉆柱連接。上部鉆柱一般是由鉆鋌、鉆桿及其它井下工具連接構(gòu)成。 參見圖2，本預彎曲動力學防斜打快鉆井方法的具體步驟如下1、 根據(jù)待鉆地層的井斜特征情況，根據(jù)經(jīng)驗初步確定一套鉆具組合鉆具組合結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:啦15.9mm特制穩(wěn)定器+ 0159mm預彎短節(jié)(1.0。)x0.6m + 0)159mm鉆鋌xfim + (D214n皿穩(wěn)定器+ 0178mm鉆鋌+.........。可用鉆井液密度為1.2g/m3。當前位置井斜角為3。。根據(jù)以上參數(shù)計算靜態(tài)防斜力的大小。靜態(tài)防斜力大小計算結(jié)果見圖10。從圖 中可以看出該鉆具組合具有較大的防斜力《=-11.091$^。2、 確定對應(yīng)最大靜態(tài)防斜力的結(jié)構(gòu)參數(shù)。具體優(yōu)化結(jié)果如下近鉆頭穩(wěn)定器外徑I^-210mm，距鉆頭端面距離l!-lm: 雙穩(wěn)定器外徑Dsl =214mm;距近鉆頭穩(wěn)定器距離A = 16m;彎角大小6 = 1°，距近鉆頭穩(wěn)定器位置丄21 = 1.1111。3、 根據(jù)井場儲備和上面確定的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定鉆具組合如下(D215.9mm鉆頭x0.25m詢210特制穩(wěn)定器xl.8m + <D159mm預彎短節(jié)(1.0。) x().6m + (D159mm短鉆鋌x6m +①214mm穩(wěn)定器xl.6m+①178mm鉆鋌x81m十.........。4、 計算動態(tài)防斜力，并確定具有最大動態(tài)防斜力的施工參數(shù)； 計算結(jié)果見圖11~圖13，鉆頭動態(tài)側(cè)向力為^^=-5.46751^^。圖11示出鉆鋌等效質(zhì)量中心所在橫截面的幾何中心(簡稱形心)的渦動軌跡圖。圖12示出鉆鋌渦動角速度時程曲線。這兩個圖反映的是預彎曲動力學防斜打快 鉆具組合的渦動特征。圖13示出鉆頭上的動態(tài)側(cè)向力的時程曲線。反映出預彎曲動力學防斜打快鉆具 組合的渦動在鉆頭上形成了大小不一致但具有很強規(guī)律性的側(cè)向沖擊載荷，對上井壁 的沖擊載荷在數(shù)值上明顯小于對下井壁的沖擊載荷。正是這種動態(tài)沖擊載荷的不均衡 性，導致這種鉆具組合具有較好的防斜能力。優(yōu)化的鉆井施工參數(shù)為鉆壓『-100kN;轉(zhuǎn)速iV-60r/min。5、 根據(jù)動態(tài)防斜力值和實際鉆井條件，確定合理施工參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速)； 實際鉆井設(shè)備的承受能力對上述鉆壓和轉(zhuǎn)速沒有限制，但該地區(qū)的鐘擺極限鉆壓只有50kN，因此最后可確定的合理施工參數(shù)為 鉆壓『-75kN; 轉(zhuǎn)速iV-60r/min。6、 確定操作規(guī)程；根據(jù)鉆具組合及施工參數(shù)，建立如下操作規(guī)程 由于螺桿及預彎曲短節(jié)處于較為復雜的工作條件,因而必須注意使用安全問題，特別是防脫扣、防掉； 嚴密監(jiān)測井眼軌跡，剛開始時加密測斜，定向井每30m測斜一次，直井每50m測斜一次，待摸清規(guī)律后可以放寬測斜井段，以便盡可能地保證井身質(zhì)量一次合格； 起始井斜角應(yīng)控制在2°以內(nèi)，如不滿足應(yīng)設(shè)法達到這一指標； 施工方和井隊必須十分重視此項試驗。施工方必須派專人負責進行該項試驗工作，井隊必須密切配合； 每根單根劃眼一次，并適當循環(huán)，保證井眼清潔，確保井眼安全，防止卡鉆等事故的發(fā)生； 保證泥漿性能，搞好泥漿的潤滑性、造壁性、懸浮性、攜帶性、抑制性，含砂必須控制在0.3%以下； 每鉆150 200m短拉一次，短拉遇阻嚴防提死，控制遇阻噸位小于100kN,保證井眼的暢通。 如使用螺桿時，在泥漿泵的進出口和鉆桿上使用濾清器，嚴防膠皮等雜物進 入螺桿。在井口應(yīng)對螺桿進行試運行，下鉆要嚴格控制速度，防止螺桿倒轉(zhuǎn) 倒開鉆具，同時觀察泥漿的返出情況，如返出量增大，說明旁通閥被堵，此 時每下500m灌漿一次； 如鉆遇夾層，應(yīng)及時調(diào)整鉆井參數(shù)，保護鉆頭，待穿過夾層后恢復正常鉆井。
權(quán)利要求
1.一種預彎曲動力學防斜打快鉆井方法，其特征在于采用帶預彎曲結(jié)構(gòu)的鉆具組合，以地面驅(qū)動的方式，從鉆頭的防斜力和變化規(guī)律分析出發(fā)，確定鉆具組合、工藝操作規(guī)程、安全性分析和檢測，實現(xiàn)防斜打快鉆井；具體步驟如下a.根據(jù)待鉆地層的井斜特征情況和實際經(jīng)驗初步確定一套鉆具組合，并確定其靜態(tài)防斜力大??；b.在固定其它參數(shù)情況下，改變?nèi)我唤Y(jié)構(gòu)參數(shù)，確定對應(yīng)的靜態(tài)防斜力大小，并找出最大靜態(tài)防斜力對應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)；結(jié)構(gòu)參數(shù)是指穩(wěn)定器外徑、穩(wěn)定器位置、彎角大小和位置；c.根據(jù)具有最大靜態(tài)防斜力的結(jié)構(gòu)參數(shù)和井場現(xiàn)有工具儲備，確定鉆具組合；d.針對確定的鉆具組合，計算在不同鉆壓和轉(zhuǎn)速時的動態(tài)防斜力，并找出具有最大動態(tài)防斜力時的施工參數(shù)，即鉆壓和轉(zhuǎn)速；e.根據(jù)動態(tài)防斜力值和實際鉆井條件，確定合理施工參數(shù)，即鉆壓、轉(zhuǎn)速；f.確定防斜打快作業(yè)操作規(guī)程。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的預彎曲動力學防斜打快鉆井方法，其特征在于所述的 帶預彎曲結(jié)構(gòu)鉆具組合是 一個鉆頭(1)連接一個下穩(wěn)定器(2)，下穩(wěn)定 器(2)連接一個預彎短節(jié)(3)，預彎短節(jié)(3)通過一根短鉆鋌(4)與一 個上穩(wěn)定器(5)連接，上穩(wěn)定器(5)通過鉆鋌(6)與上部鉆柱連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的預彎曲動力學防斜打快鉆井方法，其特征在于所述的 步驟l中的確定其靜態(tài)防斜力大小，由下列公式(1) (5)計算。 下部鉆具組合三維小擾度靜力分析微分方程組為五乂C/,"" = —M,,K,"' + (仏/cosa, — 5,)C/," + g,C/: cosa, +仏sina, (1)五,/,r;"' = M"t/,"' +(仏/咖《,—咖《, (2)鉆頭旋轉(zhuǎn)過程中某一瞬時的側(cè)向力計算模型為s,,=五a";"(o)+mj;'(o)+丑〃;(0) (3)Syl = -五W(O) + M"t/;'(0) - W(O) (4)鉆頭旋轉(zhuǎn)一周的合導向力為公式(1) (5)中的參數(shù)含義為式中")'4()、41，()、41，()，、41產(chǎn)l風,鳴-斧fxz 乂=1二 ， 2v / 。扣2+(<)2'^4v2 +(wZ)w)2/-------沿鉆柱軸線的曲線坐標，以i段鉆柱的底端為起點；五,------i'段鉆柱的彈性模量；/,------:'段鉆柱的截面慣矩；——z'段鉆柱所受扭矩，z' =1時為鉆頭扭矩；《------段鉆柱在鉆井液中的線重度；a,------z'段鉆柱所在井段的井斜角；C/,------z'段鉆柱在x方向的位移或坐標；K------f段鉆柱在y方向的位移或坐標；5,------f段鉆柱下部z方向的壓力，壓為正，1' = 1時為鉆壓;丄,------_/段鉆柱的長度；W,------j'個穩(wěn)定器與井壁的接觸壓力；/-------穩(wěn)定器與井壁的摩擦系數(shù)；V-------鉆速；(5)w-------鉆柱自轉(zhuǎn)角速度；Dw------井徑。
4.根據(jù)權(quán)利要求l所述的預彎曲動力學防斜打快鉆井方法，其特征在于所述的 歩驟2中的確定對應(yīng)最大防斜力的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括穩(wěn)定器外徑、穩(wěn)定器位 置、彎角大小和位置，具體是指a. 其它參數(shù)不變，使下穩(wěn)定器(2)外徑分別比井徑小0咖，lmra， 2mm,…，10mm, 計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，找出具有最大靜態(tài)防斜力的下穩(wěn)定器外徑；b. 其它參數(shù)不變,使上穩(wěn)定器(5)外徑分別比井徑小0咖，l鵬，2mm,…，IO腿， 計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，找出具有最大靜態(tài)防斜力的上穩(wěn)定器外徑；c. 其它參數(shù)不變，使下穩(wěn)定器(2)距鉆頭(1)端面距離分別為0. 5m， 0. 6m, 0.7m，…，1.0m，計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，找出 具有最大靜態(tài)防斜力的下穩(wěn)定器(2)距鉆頭(1)端面距離；d. 其它參數(shù)不變，使下穩(wěn)定器(2)與上穩(wěn)定器(5)之間距離分別為6m， 7m, 8ra，…，20m，計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，找出具有最大靜態(tài)防斜力的下 穩(wěn)定器(2)與上穩(wěn)定器(5)之間距離；e. 其它參數(shù)不變，使預彎短節(jié)(3)或單彎螺桿(8)彎點距下穩(wěn)定器(2) 的距離分別為l.Om， 1.2m， 1.3m，…，1.6m，計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，找 出具有最大靜態(tài)防斜力的彎點距下穩(wěn)定器(2)的距離；f. 其它參數(shù)不變，使預彎短節(jié)(3)或單彎螺桿(8)的彎角分別為0.5。 ，0.55 ° ，0.6° ,…，1.5。，計算對應(yīng)的靜態(tài)防斜力，找出具有最大靜態(tài)防斜力 的彎角大小。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的預彎曲動力學防斜打快鉆井方法，其特征在于所述的 歩驟5中即對已確定的鉆具組合進行動態(tài)防斜力計算，確定具有最大動態(tài)防 斜力時的施工參數(shù)一鉆壓、轉(zhuǎn)速的具體方法。結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，轉(zhuǎn)速為60r/min，使鉆壓分別為50kN, 60kN， 70kN,…，200kN， 計算對應(yīng)的動態(tài)防斜力，找出具有最大動態(tài)防斜力的鉆壓值；結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，鉆壓為50kN，使轉(zhuǎn)速分別為30r/min， 40r/min, 50r/min，…，150r/min，計算對應(yīng)的動態(tài)防斜力，找出具有最大動態(tài)防斜力的轉(zhuǎn)速 值；動態(tài)防斜力特征按方程(6)計算F6 =/[r,0]， !■ = 1,2,3; _/= 1,2 (6)公式(6)中r、 0為彎點處形心的動態(tài)運動半徑和相位角，隨時間t動態(tài)變 化，由(7)式計算<formula>formula see original document page 5</formula> (7)　化式(7)中式中，r = g/c。， g為鉆鋌幾何中心的徑向變形，c。為鉆鋌與穩(wěn)定器之間的間隙c。=(z>A-/)。)/2 ， A為井徑，A為穩(wěn)定器外徑；/ = (/ + wi,)/i ， w為鉆鋌的等效質(zhì)量；W,為鉆井液的等效質(zhì)量；5 = s。/c。， s0 為穩(wěn)定器與井壁之間的間隙J。-(i^-I),)/2 ，Di為穩(wěn)定器外徑。e = e。/c。， e0 為質(zhì)心相對鉆柱幾何中心的偏差；/7 = /2/ ， Q為鉆鋌旋轉(zhuǎn)速度，ffl為鉆鋌的固 有頻率必=7^， A為所研究鉆鋌部分的等效抗彎剛度系數(shù)；《=c,c。/m， C/ 為流體等效粘滯系數(shù)；r = 4"-J,/c。， A為BHA預彎曲造成的初始撓度；a為鉆桿初始撓度對轉(zhuǎn)子質(zhì)心的影響因子，若假設(shè)初始彎曲為正弦曲線時 a = 2/;r，其反映預彎曲程度的影響；2g =-加仏sin(",)/(c。" ， a,為井斜角，/6為浮力系數(shù)；0t為反映恢復力影響的項，有以下三種情況當0《r《5 + f時，<formula>formula see original document page 5</formula>當"i時，<formula>formula see original document page 5</formula>式中u是一個無量綱化井壁阻尼系數(shù)，它與彈力恢復系數(shù)有關(guān)。S為符號 函數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求l所述的預彎曲動力學防斜打快鉆井方法，其特征在于所述的步驟6中確定防斜打快作業(yè)操作規(guī)程① 注意安全問題，特別是螺桿及預彎曲短節(jié)防脫扣、防掉；② 嚴密監(jiān)測井眼軌跡，定向井每30m測斜一次，直井每50m測斜一次； @起始井斜角控制在2°以內(nèi)；④ 施工方與井隊配合此項試驗；⑤ 每根單根劃眼一次，并適當循環(huán)，確保安全；⑥ 保證泥漿性能，含砂控制在0.3%以下；⑦ 每鉆150 200m短拉一次，控制遇阻噸位小干100KN;⑧ 使用螺桿時，在泥漿泵的進出口和鉆桿上使用濾清器，每下500m灌漿一次；⑨ 如鉆遇夾層，應(yīng)及時調(diào)整鉆井參數(shù)，保護鉆頭，待穿過夾層后恢復正常鉆井。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種預彎曲動力學防斜打快鉆井方法。它是采用帶預彎曲結(jié)構(gòu)鉆具組合以地面驅(qū)動方式，從鉆頭的防斜力和變化規(guī)律分析出發(fā)，確定鉆具組合、工藝操作規(guī)程、安全性分析和檢測，實現(xiàn)防斜打快鉆井。本發(fā)明的防斜打快鉆井方法，在實際作業(yè)中使用，鉆壓比鐘擺極限鉆壓提高50％以上，機械鉆速得到較大幅度提高，最高達700％。
文檔編號E21B7/04GK101260783SQ200810034089
公開日2008年9月10日 申請日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者朱衛(wèi)平, 狄勤豐 申請人:上海大學