石油工程畢業(yè)論文--復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題目： 復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　專 業(yè)： 石油工程 </p><p>　　學(xué)

2、 院： </p><p>　　學(xué)習(xí)形式： </p><p>　　助學(xué)單位： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p><b>　

3、　2014年1月</b></p><p>　　復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜性能研究</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)在油田的應(yīng)用，可以提高機(jī)械鉆速、控制井眼軌跡、減少扭方位次數(shù)，并可大幅降低鉆井成本，從而提高油田開發(fā)速度。</p><p>　　木文對(duì)轉(zhuǎn)盤與螺桿鉆具聯(lián)合鉆進(jìn)時(shí)的防斜打

4、快機(jī)理進(jìn)行了分析，采用縱橫彎曲連續(xù)梁法，建立了這種下部鉆具組合的力學(xué)模型，利用該模型定量分析了其控制井斜的力學(xué)特性，從理論上分析了這種下部鉆具組合控制井斜的主要影響因素，為優(yōu)化這種鉆具組合和施工參數(shù)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。</p><p>　　對(duì)單彎螺桿防斜鉆具組合分析表明：穩(wěn)定器安放位置距鉆頭越遠(yuǎn)鉆頭側(cè)向力越大；鉆壓對(duì)鉆頭側(cè)向力影響不明顯；彎角和肘點(diǎn)位置對(duì)鉆頭側(cè)向力有明顯的影響，這對(duì)專用防斜螺桿鉆具的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了

5、理論依據(jù)；復(fù)合鉆進(jìn)在井斜角較大時(shí)顯示出大的側(cè)向力。</p><p>　　關(guān)鍵詞：復(fù)合鉆進(jìn)；穩(wěn)斜；縱橫彎曲法；鉆頭側(cè)向力</p><p>　　Steady inclined properties of composite drilling</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　That

6、the application of combined drilling technology in oil field can heighten drilling speed, control well trace, reduce the number of direction torsion and greatly reduce drilling cost which accelerate the oil field develop

7、ing speed.</p><p>　　This paper analyzed the mechanism of well straightening and improving ROP as turnplate and screw drill rotate together, Using continuous beam theory, the mechanical model of BHA is establ

8、ished. 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 theoret

9、ical ground for BHA optimization and the design of working parameters. </p><p>　　The analysis of complex drilling indicates that during the stable period, the longer the distance between the stabilizers and

10、bit, the bigger the side force will be. Bit weight has little effect on bit's side force. Angle and elbow position have much effect on bit's side force, and that is the theoretic base for designing special PDM ag

11、ainst well deviation. complex drilling on well straightening shows bigger the side force in big deviation angle. </p><p>　　Key words: complex drilling; hold angle; continuous beam theory; the lateral force&l

12、t;/p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　目 錄III</b></p><p><b>　　第1章 前 言1</b

13、></p><p>　　1.1 問題的提出1</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1</p><p>　　1.2.1 井眼軌跡控制理論1</p><p>　　1.2.2 下部鉆具組合力學(xué)方法研究3</p><p>　　1.3 井斜控制專用工具現(xiàn)狀4</p><p>　　1.

14、4 本文主要研究內(nèi)容6</p><p>　　第2章 復(fù)合鉆具控制井斜的機(jī)理8</p><p>　　2.1 影響井斜的原因8</p><p>　　2.1.1 地層及其各向異性8</p><p>　　2.1.2 鉆柱彎曲引起的鉆頭側(cè)向力9</p><p>　　2.1.3 鉆頭結(jié)構(gòu)引起的各向異性10</p&

15、gt;<p>　　2.2 復(fù)合鉆具提高機(jī)械鉆速的機(jī)理10</p><p>　　2.3 復(fù)合鉆具控制井斜的機(jī)理12</p><p>　　第3章 復(fù)合鉆具組合控制井斜力學(xué)模型的建立15</p><p>　　3.1 基本假設(shè)和力學(xué)模型[2，10，13-18]15</p><p>　　3.1.1 均布載荷和彎矩同時(shí)作用下的力學(xué)模

16、型16</p><p>　　3.1.2 集中載荷作用下的力學(xué)模型19</p><p>　　3.2 縱橫彎曲連續(xù)梁理論中的迭加原理和連續(xù)條件22</p><p>　　3.3 初始結(jié)構(gòu)彎角的等效處理23</p><p>　　3.4 單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合受力與變形分析24</p><p>　　3.4.1 一維分析

17、24</p><p>　　3.4.2 二維分析27</p><p>　　第4章 影響單彎螺桿控制井斜因素及油田實(shí)例30</p><p>　　4.1 單彎螺桿力學(xué)性能分析30</p><p>　　4.2 影響因素分析31</p><p>　　4.2.1 穩(wěn)定器安放位置31</p><p>

18、;　　4.2.2 鉆壓32</p><p>　　4.2.3 彎角32</p><p>　　4.2.4 肘點(diǎn)位置33</p><p>　　4.2.5 轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速33</p><p>　　4.2.6 井斜角34</p><p>　　4.3 油田實(shí)例35</p><p><b>　

19、　結(jié) 論36</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)37</b></p><p><b>　　致 謝39</b></p><p><b>　　第1章 前 言</b></p><p><b>　　1.1 問題的提出</b></p

20、><p>　　隨著鉆進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展，自20世紀(jì)80年代以來，導(dǎo)向技術(shù)得到迅速發(fā)展。導(dǎo)向鉆井技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)了大位移井，水平井和分支井鉆井技術(shù)的實(shí)施，保證了以較低的鉆井成本實(shí)現(xiàn)地質(zhì)目的。導(dǎo)向鉆井技術(shù)分為滑動(dòng)導(dǎo)向和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向兩種方式?；瑒?dòng)導(dǎo)向技術(shù)存在許多弊端，長時(shí)間滑動(dòng)鉆井會(huì)增加發(fā)生井下卡鉆等事故的風(fēng)險(xiǎn)。旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向需要先進(jìn)的、昂貴的、井下旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向工具，為此，國內(nèi)出現(xiàn)了復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)使用滑動(dòng)導(dǎo)向鉆具，根據(jù)鉆探要求，把滑動(dòng)

21、導(dǎo)向與旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向合理結(jié)合，達(dá)到導(dǎo)向目的。</p><p>　　在常規(guī)定向井、水平井鉆井鉆進(jìn)過程中，通常因改換鉆具組合而頻繁起下鉆，從而嚴(yán)重影響了鉆進(jìn)時(shí)效和其他先進(jìn)工藝的實(shí)施。復(fù)合鉆井技術(shù)在提高鉆頭機(jī)械鉆速的同時(shí)，可以減少鉆井過程中的起下鉆次數(shù)，提高鉆井時(shí)效。配合高效PDC鉆頭等先進(jìn)工具可實(shí)現(xiàn)一套鉆具組合一趟完成繞障、定向、增斜、穩(wěn)斜中靶鉆井施工，從而縮短鉆井周期。復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)已在國外廣泛使用，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

22、本文的重點(diǎn)研究目標(biāo)是如何使用單彎螺桿鉆具配合PDC鉆頭在實(shí)現(xiàn)更有效的穩(wěn)斜控制情況下提高鉆井速度。</p><p>　　1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 井眼軌跡控制理論</p><p>　　井眼軌跡控制問題，是鉆井工程的基本問題之一，在國內(nèi)外受到普遍重視。關(guān)于井眼軌道控制問題的研究，迄今已有四十多年的發(fā)展歷史。在這個(gè)歷史過程中，國內(nèi)外有關(guān)專家和

23、學(xué)者從鉆柱力學(xué)、鉆頭與地層相互作用及井眼軌跡預(yù)測(cè)方法等方面做了大量的研究工作，取得了許多科研成果，從而使井眼軌跡控制理論和技術(shù)不斷得到發(fā)展和完善。在50年代和60年目標(biāo)。進(jìn)入70年代后，隨著定向井的發(fā)展，研究的重心開始移向定向井井眼軌跡控制問題。在定向井井眼軌跡控制中，既要求對(duì)井斜角進(jìn)行控制，又要求對(duì)井斜方位進(jìn)行嚴(yán)格控制。因此，定向井軌跡控制問題，是一個(gè)更為復(fù)雜的研究課題[1-3]。</p><p>　　美國專家

24、Lubinski先生是研究井斜控制理論的著名學(xué)者。他從定量分析直井中的鉆柱屈曲問題入手（1950年），開創(chuàng)了鉆柱力學(xué)研究的新局面。接著他與Woods先生合作，首次以定量關(guān)系發(fā)表了地層的各向異性鉆井理論(后來，他們按地層的各向異性程度把地層造斜性分為21級(jí))，并結(jié)合鉆柱力學(xué)分析實(shí)現(xiàn)了對(duì)“平衡井斜角”的定量計(jì)算：他們還制定了解決井斜問題的實(shí)用圖版，并提出使用穩(wěn)定器控制井斜的有效方法。在井斜控制標(biāo)準(zhǔn)方面，Rollins認(rèn)為在許多情況下苛求對(duì)井

25、斜角的嚴(yán)格限制是不合算的，Lubinski也主張鉆井設(shè)計(jì)師應(yīng)充分利用地層的造斜特性，放寬對(duì)井斜叫的限制，以利解放鉆壓、提高鉆速和降低鉆井成本，同時(shí)要求對(duì)井眼曲率（俗稱“狗腿嚴(yán)重度”）作出嚴(yán)格限制，以防鉆柱的疲勞破壞，并給出了最大井眼曲率的計(jì)算模式和實(shí)用圖表。Hoch定量分析了一種“滿眼”鉆具組合（含有三個(gè)穩(wěn)定器），得到的結(jié)論是:這種鉆具組合可以消除井斜變化太快的問題，同時(shí)他還對(duì)使用的鉆挺橫向尺寸（外徑）提出了定量限制。實(shí)踐證明，盡管Ho

26、ch的理論分析有誤，但是他對(duì)控制狗腿嚴(yán)重度的認(rèn)識(shí)和對(duì)策是正確的。另外，還有其他人所進(jìn)行的應(yīng)用研究。應(yīng)該指出，Lu</p><p>　　Shell公司的研究員，在Lubinski研究的基礎(chǔ)上，也對(duì)井斜控制問題進(jìn)行過許多研究。Murphy分析了光鉆挺鉆具組合的兩維受力和變形，導(dǎo)出了預(yù)測(cè)這種簡單鉆具組合造斜率的計(jì)算模式。Mclamore和Bradley先后進(jìn)行了單楔齒破巖(層狀)實(shí)驗(yàn)，提出了“優(yōu)先成屑地層理論”，他們還

27、根據(jù)修正的Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，建立了一個(gè)偏斜力公式，試圖對(duì)井斜現(xiàn)象作出定量解釋。Fisher采用有限差分法對(duì)平面彎曲井眼中的鉆柱進(jìn)行了兩維靜力大撓度分析，編制了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)分析程序。Bradley從鉆柱力學(xué)、鉆頭結(jié)構(gòu)特性及地層特性等方面進(jìn)行了系統(tǒng)論述，試圖幫助鉆井工作者較全面的認(rèn)識(shí)影響井斜的重要因素。他還定量分析和闡述了在井斜控制中使用大重度高彈性模量（如金屬鎢等）鉆挺的優(yōu)點(diǎn)。Bradley等人的研究也僅限于兩維分析。&l

28、t;/p><p>　　Walker首先應(yīng)用最小勢(shì)能原理對(duì)常規(guī)下部鉆具組合進(jìn)行了兩維分析，繼而與Friedman合作建立了鉆柱靜力小變形的三維控制方程，并應(yīng)用變分法在計(jì)算機(jī)上對(duì)控制方程進(jìn)行了近似求解。Walker把鉆柱三維分析程序應(yīng)用與下部鉆具組合設(shè)計(jì)，從而提高了鉆速，降低了鉆井成本。他還對(duì)影響井斜變化和方位漂移的因素進(jìn)行了概括性論述。Walker的主要貢獻(xiàn)是在鉆柱力學(xué)研究方面。</p><p>

29、;　　在井眼軌跡控制理論和技術(shù)研究方面，英國專家Brown等人、法國專家Amara等人，也都做了一些有益的研究工作。當(dāng)然，我們還可以發(fā)現(xiàn)國外其他一些研究人員所做的工作，如Birades等人的研究結(jié)果。</p><p>　　在國內(nèi)，井眼控制理論和技術(shù)的研究起步較晚。剛進(jìn)入80年代時(shí)的水平還相當(dāng)?shù)?，理論研究工作是從唐俊才等人修改“霍奇公式”開始的。接著便是以白家祉為代表的一批專家和學(xué)者，在80年代作出了巨大努力，取得

30、了許多可喜的研究成果，為井眼軌跡控制理論和技術(shù)在國內(nèi)的大發(fā)展作出了重大貢獻(xiàn)。白家祉等人應(yīng)用三彎矩方程分析下部鉆具組合的受力和變形，并在Lubinski的地層各向異性鉆井理論的基礎(chǔ)上，提出了一個(gè)地層力公式；楊勛堯以主要解決井斜控制技術(shù)問題為目標(biāo)，通過求解簡單的力學(xué)模型，提出了設(shè)計(jì)下部鉆具組合的實(shí)用方法，他為了表達(dá)地層各向異性對(duì)井斜的影響，也提出了一個(gè)地層造斜力公式；國內(nèi)其他專家和學(xué)者的研究，從不同方面促進(jìn)了井眼軌跡控制理論和技術(shù)的發(fā)展，這

31、里就不作詳細(xì)介紹了。</p><p>　　1.2.2 下部鉆具組合力學(xué)方法研究</p><p>　　下部鉆具組合力學(xué)分析是井眼軌道控制理論的基礎(chǔ)和重要組成部分，也是優(yōu)化下部鉆具組合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選擇鉆井工藝參數(shù)的理論依據(jù)。從50年代初Lubinski用受縱橫載荷聯(lián)合作用的彈性梁模型求解下部鉆具組合受力與變形問題以來，這一問題的研究一直受到國內(nèi)外的重視，并取得了重大進(jìn)展，研究成果使鉆井工藝逐步發(fā)

32、展成為一門建立在理論分析基礎(chǔ)上的科學(xué)。其具有代表性的方法有Lubinski經(jīng)典數(shù)學(xué)微分方程法，K. K. Mi11em的有限元法，B. H. Walker的能量法，白家祉的縱橫彎曲法[1，4]。</p><p>　?。?）經(jīng)典數(shù)學(xué)微分方程法</p><p>　　經(jīng)典數(shù)學(xué)微分方程法是鉆具力學(xué)分析中應(yīng)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

33、想是在滿足經(jīng)典材料力學(xué)控制方程的前提下，建立起鉆柱受力變形的精確微分方程，利用特殊函數(shù)法、迭代法和有限差分法等給出方程的解答。A.Lubinski建立的力學(xué)模型，為后人的進(jìn)一步研究奠定了基礎(chǔ)，他所提出的假設(shè)基本上為后來研究者長期采用；他對(duì)光鉆挺鉆具性能作了詳盡研究，并發(fā)展到單穩(wěn)定器鐘擺鉆具，定性討論了多穩(wěn)定器鉆具，使人們對(duì)穩(wěn)定器效能的全面認(rèn)識(shí)和對(duì)后來多穩(wěn)定器滿眼鉆具的出現(xiàn)起到了引導(dǎo)作用。</p><p><

34、b>　　（2）能量法</b></p><p>　　1973年，B. H. Walker，應(yīng)用彈性力學(xué)的勢(shì)能原理求解鉆具組合受力合變形問題他把距鉆頭一定長度的位置C Walker取120ft作為BHA的上邊界，建立BHA彈性系統(tǒng)的勢(shì)能方程和約束條件，根據(jù)逆解法構(gòu)造解的形式（含有廣義系數(shù)的三角級(jí)數(shù)），由拉格朗日乘子法和最小勢(shì)能原理列方程，以確定廣義系數(shù)，并進(jìn)而確定BHA的受力和變形結(jié)果。</p

35、><p><b>　?。?）有限元法</b></p><p>　　1973年K. K. Millheim提出了有限元法進(jìn)行下部鉆具組合的力學(xué)分析。他把距鉆頭一定長度的鉆柱（一般150-400ft）視為下部鉆具組合，劃分為若千個(gè)計(jì)算單元，并取間隙單元來描述鉆柱與井壁的接觸狀況。通過建立單元?jiǎng)偠染仃嚥⒔M裝成總體剛度矩陣，借助聯(lián)系廣義節(jié)點(diǎn)力、節(jié)點(diǎn)位移和系統(tǒng)剛度的矩陣方程，得到一

36、組非線性方程組，用計(jì)算機(jī)多次迭代求解，可得出BHA的受力與變形結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明，由于沒有精確考慮鉆具組合變形的非線性以致在剛度矩陣中忽略了幾何矩陣的存在，因此計(jì)算結(jié)果有時(shí)與實(shí)際情況存在較大誤差。在我國“七五”期間，呂英明教授等人，也對(duì)此方法在鉆柱力學(xué)中的應(yīng)用作了較為系統(tǒng)的研究。</p><p>　?。?）縱橫彎曲連續(xù)梁法</p><p>　　縱橫彎曲連續(xù)梁法是由我國的白家祉教授在70年代

37、提出并研究完成的，也是一種解析方法，該理論將鉆柱組合的下部彎曲看作縱橫彎曲的連續(xù)梁，利用穩(wěn)定器處連續(xù)性條件導(dǎo)出三彎矩方程，以求解各穩(wěn)定器處的內(nèi)彎矩。這組方程是非線性代數(shù)方程組，從中可以清楚地看出影響鉆柱受力和變形的各個(gè)因素。</p><p>　　1.3 井斜控制專用工具現(xiàn)狀</p><p>　　井下專用工具研制是井眼軌道控制的核心部分，它常常使鉆井工藝和鉆井方式發(fā)生變化，也會(huì)導(dǎo)致井眼軌道控

38、制水平提高、鉆井成本下降，大的井下工具研制還會(huì)引起鉆井技術(shù)變革，如螺桿鉆具或渦輪鉆具的研制和應(yīng)用，使定向井鉆井技術(shù)和滑移鉆井方式下的導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)成為現(xiàn)實(shí)。但井下工具研制比較困難，這主要是因?yàn)榫鹿ぷ鳡顟B(tài)十分復(fù)雜（動(dòng)載荷大、溫度高、鉆井液介質(zhì)惡劣等）、細(xì)長井眼空間小、井下動(dòng)力來源較少（只有鉆井液壓力和鉆壓），另外，產(chǎn)品在井下試驗(yàn)時(shí)風(fēng)險(xiǎn)性較大。因此，井下專用工具的研制是一項(xiàng)十分耗時(shí)、耗財(cái)?shù)纳献?，只有通過不懈的努力和反復(fù)試驗(yàn)，才能獲得成果。迄

39、今，在井眼軌道控制中，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)主要的井下專用工具為動(dòng)力鉆具（渦輪和螺桿鉆具）、穩(wěn)定器（可變徑穩(wěn)定器）和伸縮鉆艇、可調(diào)彎接頭和特殊接頭、導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)（滑移和旋轉(zhuǎn)鉆井閉環(huán)控制系統(tǒng)）等。據(jù)國內(nèi)油田定向井鉆具使用情況的不完全統(tǒng)計(jì)，由于種種原因，這些井下專用工具的絕大部分沒有在鉆井中得到推廣應(yīng)用，仍需進(jìn)一步研究完善。</p><p><b>　　（1）滿眼鉆具</b></p><

40、p>　　滿眼組合是當(dāng)前常規(guī)防斜技術(shù)的典型組合。滿眼鉆具一般是山幾個(gè)外徑與鉆頭直徑相近的穩(wěn)定器及一些外徑較大的鉆挺構(gòu)成。其原理有二：一是由于滿眼鉆具比光鉆挺的剛度大，并能填滿井眼，在大鉆壓下不易彎曲，保持鉆具在井內(nèi)居中，減小鉆頭的偏斜角，從而減小和限制因鉆柱彎曲產(chǎn)生的增斜力；二是在地層橫向力的作用下，穩(wěn)定器能支撐在井壁上，限制鉆頭的橫向移動(dòng)，同時(shí)能在鉆頭處產(chǎn)生一個(gè)抵抗地層力的糾斜力。為了發(fā)揮滿眼鉆具的防斜作用，鉆具上至少要有二個(gè)穩(wěn)定

41、器，除靠近鉆頭有一個(gè)穩(wěn)定器外，其上還應(yīng)再安放兩個(gè)穩(wěn)定器，保持有二點(diǎn)接觸井壁，通過二點(diǎn)直線性來保持井眼的直線性和限制鉆頭的橫向移動(dòng)[5]。</p><p><b>　?。?）動(dòng)力鉆具</b></p><p>　　用于水平井作業(yè)的彎殼體螺桿鉆具與常規(guī)螺桿鉆具相比，具有造斜快、排量大、轉(zhuǎn)速低、扭矩高的特點(diǎn)，并能與其它配套工具組成導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)。國外從70年代后期研制出可調(diào)方向

42、的螺桿鉆具和一種可控正容積式渦輪馬達(dá)，并在墨西哥灣使用了帶偏心穩(wěn)定器的可控禍輪鉆具，使鉆井時(shí)間和費(fèi)用得到大幅度降低。</p><p>　　迄今，國內(nèi)外油田使用的動(dòng)力鉆具主要是螺桿鉆具，經(jīng)過幾十年的不斷研究和應(yīng)用，螺桿己由單頭發(fā)展到多頭，出現(xiàn)了彎外殼螺桿、中空螺桿、小尺寸短螺桿等產(chǎn)品，現(xiàn)有的各種螺桿鉆具基本上能夠滿足各種定向井的井眼軌道控制需要，己在鉆井中得到全面推廣應(yīng)用[6]。</p><p&

43、gt;　　（3）穩(wěn)定器、可變徑穩(wěn)定器、伸縮鉆鋌</p><p>　　國外從70年代未，研制了可調(diào)直徑穩(wěn)定器、伸縮短節(jié)，這些工具的應(yīng)用可減少起下鉆次數(shù)，提高井眼軌跡控制精度和效率。目前有一種自動(dòng)降斜，增斜和扭方位的井下工具，可用于鉆直井和定向井，該工具通過扶正器上可伸縮扶條的不對(duì)稱伸縮，使鉆具偏向一邊，起降斜、增斜及扭方位的作用。防止井眼偏斜的鉆具穩(wěn)定器，主要由扶正套、支承座、滾輪、平面軸承、固定帽和鉆具短節(jié)本體及

44、密封件組成，其特點(diǎn)是滾輪安裝在扶正套的內(nèi)部，鉆進(jìn)時(shí)支承座、扶正套與井壁配合，不隨鉆具一齊旋轉(zhuǎn)，滾輪在支承座上自轉(zhuǎn)，可避免摩擦井壁。</p><p>　　變徑穩(wěn)定器和伸縮鉆挺是定向井旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)，實(shí)施井眼軌道連續(xù)控制不可缺少的工具，由于鉆柱旋轉(zhuǎn)鉆井時(shí)工作狀態(tài)較復(fù)雜，而現(xiàn)有工具在結(jié)構(gòu)和控制方式中還存在一些不合理性，使得這些工具在國內(nèi)油田還沒有得到推廣應(yīng)用，仍需進(jìn)一步研究和完善。</p><p>

45、　　（4）可調(diào)彎接頭、特殊接頭</p><p>　　可調(diào)彎接頭：在70年代后期，為了提高軌跡控制的精度和節(jié)省鉆進(jìn)時(shí)間，對(duì)可調(diào)彎接頭進(jìn)行了大量的研制和試驗(yàn)。研制的電動(dòng)式、機(jī)械式和液壓式可調(diào)角度彎接頭，都具有及時(shí)控制井眼軌跡功能，但液壓式能與所有測(cè)斜工具配合使用，調(diào)節(jié)角度簡單迅速等優(yōu)點(diǎn)。SIB公司與法國石油研究所合作研制的多角度遙控彎接頭的主要特性、操作條件、應(yīng)用范圍和實(shí)例，該遙控彎接頭與井下液壓馬達(dá)配合，通過地面遙

46、控彎接頭的角度，就能實(shí)時(shí)控制井眼軌道。</p><p>　　特殊接頭：有一種多功能井下接頭，該接頭在起下鉆時(shí)能夠防溢泥漿，又具有防斜、糾斜、防偏磨功能，它不僅能提高鉆井速度，又可滿足鉆井過程中的造斜和防斜要求。</p><p><b>　?。?）導(dǎo)向鉆井系統(tǒng)</b></p><p>　　自從80年代初滑移導(dǎo)向鉆井技術(shù)在北海油田的成功試驗(yàn)，由聚晶

47、人造金剛石鉆頭（PDC鉆頭）、井下動(dòng)力鉆具（渦輪鉆具和螺桿鉆具）、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)（MWD系統(tǒng)）三位一體的滑移導(dǎo)向鉆井技術(shù)得到大規(guī)模研究和應(yīng)用。 </p><p>　　文獻(xiàn)[7]介紹了一種旋轉(zhuǎn)鉆井閉環(huán)控制系統(tǒng)，它主要由旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)組成，該系統(tǒng)能夠根據(jù)MWD測(cè)量值的反饋信息，自動(dòng)定位并施加給鉆頭一個(gè)側(cè)向力，實(shí)施井眼軌道的連續(xù)控制，其核心工具就是一個(gè)外殼不旋轉(zhuǎn)、芯軸傳遞扭矩、按指定方位能夠支撐井壁的專用工具。由于鉆柱旋

48、轉(zhuǎn)，使得定位和導(dǎo)向系統(tǒng)研究十分困難，但旋轉(zhuǎn)鉆井能夠克服滑移鉆井的許多缺點(diǎn)，如鉆柱摩阻大、鉆井液攜屑能力差、機(jī)械鉆速低等。這一技術(shù)是近幾年研究的主要方向，國外有研究成果和應(yīng)用報(bào)導(dǎo)，國內(nèi)只有研究報(bào)告，還沒有應(yīng)用報(bào)導(dǎo)。</p><p><b>　?。?）復(fù)合鉆具</b></p><p>　　國外目前采用這種技術(shù)比較普遍[8]。國內(nèi)也有所應(yīng)用，自20世紀(jì)80年代末期以來，中國

49、石油天然氣集團(tuán)公司石油勘探開發(fā)研究院鉆井所一直在致力于用復(fù)合鉆具進(jìn)行定向井軌道控制的理論與實(shí)驗(yàn)研究及技術(shù)推廣工作。這一技術(shù)以在水平井和更多的定向井上應(yīng)用成功，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和良好的井身質(zhì)量。將這一技術(shù)應(yīng)用于直井，可以作到開轉(zhuǎn)盤鉆直井（穩(wěn)斜）和定向糾斜，而不用起鉆更換鉆具組合[1]。</p><p>　　1.4 本文主要研究內(nèi)容</p><p>　　本文的研究思路是借鑒國內(nèi)外穩(wěn)斜取得的

50、研究成果，提出適合肇州油田需要的穩(wěn)斜技術(shù)，從理論到實(shí)踐中加以完善。主要的研究內(nèi)容有：</p><p>　　1．從理論上分析復(fù)合鉆具控制井斜的原理，證明利用復(fù)合鉆具控制井斜較傳統(tǒng)的控制井斜方法更有優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　2．用縱橫彎梁法分析復(fù)合鉆具在井下的力學(xué)性能。計(jì)算其控制井斜時(shí)，鉆頭側(cè)向力的大小，確定其控制井斜的能力。</p><p>　　3．分析復(fù)合鉆具控制

51、井斜時(shí)的控制因素，確定最優(yōu)的鉆具組合方式，使復(fù)合鉆具的應(yīng)用達(dá)到最佳的穩(wěn)斜效果。</p><p>　　4．在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)用，從實(shí)踐上來驗(yàn)證用復(fù)合鉆具控制井斜的可行性。</p><p>　　第2章 復(fù)合鉆具控制井斜的機(jī)理</p><p>　　2.1 影響井斜的原因</p><p>　　分析響井斜的原因是進(jìn)行井斜控制的前提，只有準(zhǔn)確地找出導(dǎo)致井斜

52、的原因，才能針對(duì)性地選擇控制井斜的方法。影響井斜的因素主要有以下幾種[3]。</p><p>　　2.1.1 地層及其各向異性 </p><p>　　造成井眼彎曲的地質(zhì)因素主要是地層的各向異性和軟硬交錯(cuò)。地質(zhì)因素在井眼的自然彎曲中起主要作用并具有一定的規(guī)律。地層的各項(xiàng)異性主要表現(xiàn)在巖石的各向異性和巖石軟硬交錯(cuò)兩個(gè)方面。</p><p>　　巖石在不同方向上具有不同強(qiáng)

53、度和硬度等力學(xué)性質(zhì)的現(xiàn)象稱為巖石的各向異性。巖石的各向異性與巖石的層理、片理、微裂隙性等構(gòu)造特征有著密切的關(guān)系。</p><p>　　a) b)</p><p>　　圖2-1 巖性變化對(duì)井斜的影響</p><p>　　當(dāng)鉆頭從軟地層進(jìn)入硬地層時(shí)，如圖2-1(a)所示。鉆頭在A側(cè)接觸到硬巖石，而

54、在B側(cè)還是軟巖石。這樣在鉆壓作用下，由于A側(cè)巖石的硬度大，可鉆性小，鉆頭刀刃吃入地層少，鉆速慢；而在B側(cè)巖石的硬度小，可鉆性大，鉆頭刀刃吃入地層多，鉆速快，這樣鉆出的井眼自然會(huì)偏斜。另外，由于鉆頭兩側(cè)受力不均，在A側(cè)的井底反力的合力比B側(cè)大，將產(chǎn)生一個(gè)彎矩M，扭轉(zhuǎn)鉆頭，使其沿著地層仁傾方向發(fā)生傾斜。</p><p>　　當(dāng)鉆頭由硬地層進(jìn)入軟地層時(shí)，如圖2-1(b)所示，開始時(shí)一由于地層在軟地層一側(cè)吃入多，鉆速快，

55、而在硬地層一側(cè)吃入少，鉆速慢，井眼有向地層下傾方向傾斜的趨勢(shì)。但當(dāng)鉆頭快鉆出硬地層時(shí)，此處巖石不能再支承鉆頭的重負(fù)荷，巖石將沿著垂直于層面方向發(fā)生破碎，在硬地層一側(cè)留下一個(gè)臺(tái)肩，迫使鉆頭回到地層上傾方向。所以鉆頭由硬地層進(jìn)入軟地層也有可能仍然向地層上傾方向發(fā)生傾斜。</p><p>　　2.1.2 鉆柱彎曲引起的鉆頭側(cè)向力</p><p>　　鉆進(jìn)時(shí)靠下放部分鉆柱重量給鉆頭施加鉆壓。在直井

56、中，鉆壓較小時(shí)下部鉆柱保持直線穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)鉆壓增至某一臨界值時(shí)，下部鉆柱發(fā)生失穩(wěn)彎曲并與井壁產(chǎn)生切點(diǎn)（見圖2-2），鉆頭及其相鄰連接部分鉆柱的中心線偏離井眼軸線而使鉆頭偏轉(zhuǎn)一個(gè)角度發(fā)生傾斜。鉆頭傾斜后對(duì)井底產(chǎn)生不對(duì)稱切削，這是產(chǎn)生井斜的重要因素。隨著鉆壓的進(jìn)一步增大，切點(diǎn)下移、鉆頭偏轉(zhuǎn)角度增大，對(duì)井斜影響更大。</p><p>　　在鉆斜并時(shí)，鉆挺與井眼下邊在切點(diǎn)處開始接觸，切點(diǎn)至鉆頭距離為切線長度L。切點(diǎn)以下鉆

57、柱由于自重的作用將產(chǎn)生一個(gè)鉆頭處的側(cè)向力F。</p><p><b>　　(2-1)</b></p><p>　　式中 F—鉆頭側(cè)向力，N； L一切線長度，m；</p><p>　　ωc—鉆鋌單位長度重，N/m； α—井斜角，° 。</p><p>　　圖2-2 直井中鉆柱的彎曲

58、 圖2-3 斜井中的下部鉆柱受力</p><p>　　因?yàn)樵摿κ咕劢敌?，為?fù)側(cè)向力。當(dāng)鉆頭受壓后，切點(diǎn)下移，側(cè)向力減少。鉆頭處鉆挺彎曲導(dǎo)致產(chǎn)生井眼偏斜的負(fù)荷增大（正側(cè)向力）。因此，隨著鉆壓增加，負(fù)側(cè)向力減少，正側(cè)向力增大?？倐?cè)向力矢量和軸向力將決定井眼的偏斜度。當(dāng)然，地層的各向異性也必須考慮。井下鉆具中穩(wěn)定器的位置也將影響鉆頭側(cè)向力的大小，因此將決定下部鉆具組合是增斜、穩(wěn)斜還是降斜。穩(wěn)定器直接安

59、放在鉆頭上方將產(chǎn)生一個(gè)支點(diǎn)，穩(wěn)定器上方鉆挺的重量使鉆頭產(chǎn)生增斜側(cè)向力。當(dāng)鉆頭和穩(wěn)定器間的距離增加時(shí)，鉆頭上的增斜側(cè)向力減少。當(dāng)穩(wěn)定器離鉆頭足夠遠(yuǎn)時(shí)，穩(wěn)定器以下鉆柱產(chǎn)生的鐘擺力將使鉆頭有降斜的趨勢(shì)。</p><p>　　2.1.3 鉆頭結(jié)構(gòu)引起的各向異性</p><p>　　在石油鉆井中，鉆頭主要是沿其本身軸線鉆進(jìn)，鉆頭設(shè)計(jì)者很少考慮鉆頭的側(cè)向切削問題。不過，在實(shí)際鉆井中所使用的鉆頭均有不同

60、程度的側(cè)切能力，并且它對(duì)鉆進(jìn)軌跡有一定的影響。例如鉆井中所使用的大多數(shù)牙輪鉆頭，在結(jié)構(gòu)上都有一定的移軸或牙輪超大，這就使得鉆頭的最大直徑不在井底而是在高于井底的某處，從而造成鉆出來的井底與圓柱形井筒之間有一段曲面狀的過渡區(qū)，結(jié)果牙輪的外圈齒以近似于銑削的方式切削這個(gè)過渡區(qū)，這便是牙輪鉆頭對(duì)井壁的側(cè)向切削，簡稱側(cè)切。如果鉆頭僅僅承受軸向載荷，井筒過渡區(qū)將同鉆頭旋轉(zhuǎn)體的外廓形狀一致。這個(gè)形狀取決于鉆頭的兒何結(jié)構(gòu)。當(dāng)牙輪鉆頭鉆進(jìn)時(shí)一，若還承受

61、一定方向的橫間力，則三個(gè)牙輪的外圈齒將輪番銑削井筒過渡區(qū)的某一側(cè)面，使鉆頭向下鉆進(jìn)的同時(shí)朝著橫向力的方向偏移。在實(shí)際鉆井中，鉆頭的軸向鉆進(jìn)能力與其側(cè)切能力之間存在差異，稱之為鉆頭各向異性，在井眼軌跡控制中應(yīng)考慮它的影響。由于鉆頭各向異性的影響，鉆頭即使在均質(zhì)各向同性地層里鉆進(jìn)，也不能按鉆頭機(jī)械合力方向運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，鉆頭轉(zhuǎn)角也對(duì)鉆進(jìn)方向產(chǎn)生影響。</p><p>　　2.2 復(fù)合鉆具提高機(jī)械鉆速的機(jī)理<

62、/p><p>　　在鉆井工作中，轉(zhuǎn)盤與螺桿鉆具進(jìn)行聯(lián)合鉆進(jìn)。即在螺桿轉(zhuǎn)子工作狀態(tài)下，轉(zhuǎn)盤在旋轉(zhuǎn)鉆柱以帶動(dòng)螺桿定子旋轉(zhuǎn)。此時(shí)鉆頭既由螺桿傳子帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)又由螺桿定子帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，形成復(fù)合運(yùn)動(dòng)模式[9，10]。</p><p>　　圖2-4 轉(zhuǎn)盤和螺桿聯(lián)合鉆進(jìn)示意圖</p><p>　　在兩種轉(zhuǎn)速的聯(lián)合作用下，鉆頭的絕對(duì)轉(zhuǎn)速可以明顯的提高。下面具體介紹聯(lián)合鉆進(jìn)時(shí)鉆頭的絕對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)

63、速度。</p><p>　　先以直螺桿為例介紹兩種轉(zhuǎn)速合成的情況，設(shè)螺桿鉆具轉(zhuǎn)子帶動(dòng)鉆頭的轉(zhuǎn)速為n1，鉆柱帶動(dòng)螺桿鉆具外殼的鉆速為n2, n1和n2都是按順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。設(shè)鉆柱與螺桿外殼均以角速度ω2繞垂直于井底的O軸轉(zhuǎn)動(dòng)，鉆頭則由螺桿轉(zhuǎn)子以均勻角速度ω1相對(duì)于外殼旋轉(zhuǎn)，如圖2-4所示。則ω1=πn1/30，ω2=πn2/30。在鉆頭邊緣上取一距中心為r的M點(diǎn)。在任意一瞬間，M點(diǎn)的牽引速度為v2=ω2r, M點(diǎn)的相

64、1.08e10-4對(duì)速度為v1=ω1r，其方向與鉆柱旋轉(zhuǎn)方向相同。</p><p>　　由運(yùn)動(dòng)學(xué)得知，在任意一瞬間，動(dòng)點(diǎn)的絕對(duì)速度等于牽引速度與相對(duì)速度的矢量和。于是有，M點(diǎn)的絕對(duì)速度v為：</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　因此，鉆頭上M點(diǎn)的絕對(duì)速度為：</p><p><b&g

65、t;　　(2-3)</b></p><p><b>　　從而得到：</b></p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　現(xiàn)在來考察轉(zhuǎn)盤和單彎螺桿鉆具聯(lián)合鉆進(jìn)時(shí)的情況。由于單彎螺桿鉆具的鉆頭中心和鉆柱中心不重合，從而存在鉆頭偏移量，使得速度的合成與直螺桿有一定的區(qū)別。如圖2-5所示。<

66、;/p><p>　　圖2-5 單彎螺桿和轉(zhuǎn)盤鉆聯(lián)合鉆進(jìn)鉆頭速度分析</p><p>　　角速度ω位于ω1、ω2之間，與鉆具本體軸線的夾角為γ1(γ1<γ)。圖2-5所示的ω是鉆具位于所示位置的絕對(duì)角速度。但鉆具以ω旋轉(zhuǎn)時(shí)，絕對(duì)角速度的方向在變化，其大小為：</p><p><b>　　(2-5)</b></p><p>

67、;　　顯然，鉆頭的合成轉(zhuǎn)速n為：</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p><b>　　由于鉆具的結(jié)構(gòu)角：</b></p><p><b>　　(2-7)</b></p><p>　　則上式可以簡化為和直螺桿一樣的表達(dá)式：</p><p

68、><b>　　(2-8)</b></p><p><b>　　(2-9)</b></p><p>　　由此得到與單彎螺桿相同的結(jié)論：鉆頭的絕對(duì)轉(zhuǎn)速等于螺桿鉆具轉(zhuǎn)速與鉆柱轉(zhuǎn)速之和。</p><p>　　采用這樣的近似誤差很小。取彎角γ=1°，n1=200r/min，n2=60r/min。</p>

69、<p>　　按精確公式計(jì)算得n=259.97188r/min。</p><p>　　與用n=200+60=260r/min的計(jì)算結(jié)果比較，其相對(duì)誤差僅為1.08e10-4，可見精度很高。因此在實(shí)際應(yīng)用中可以采用這樣的近似。從以上分析可以知道，當(dāng)轉(zhuǎn)盤和單彎螺桿鉆具聯(lián)合鉆進(jìn)時(shí)，鉆頭的絕對(duì)轉(zhuǎn)速是一個(gè)合成轉(zhuǎn)速，大于轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速和螺桿轉(zhuǎn)速的任何一個(gè)轉(zhuǎn)速。因此，導(dǎo)致機(jī)械鉆速有明顯的提高。</p><

70、;p>　　2.3 復(fù)合鉆具控制井斜的機(jī)理</p><p>　　從上節(jié)中的分析中己經(jīng)知道造成井斜的主要原因。其中的地質(zhì)環(huán)境因素只能認(rèn)識(shí)和加以利用而不能改變。能被操作者用來主動(dòng)進(jìn)行控制的是鉆具組合的類型與結(jié)構(gòu)、工藝操作參數(shù)（又稱鉆井措施）和鉆頭類型等三方面的因素。而在這三個(gè)可控因素中，鉆具組合的類型與結(jié)構(gòu)是首先要考慮的主要因素。因?yàn)榫笨刂频哪举|(zhì)實(shí)質(zhì)上是控制鉆頭的側(cè)向切削能力[10，11]。</p>

71、<p>　　這里提出使用單彎螺桿來控制井斜的思想就是從工具本身來考慮如何增大鉆頭側(cè)向力的。使用單彎螺桿來控制井斜有兩方面的好處：一是單彎螺桿在控制井斜時(shí)比鐘擺鉆具更加地穩(wěn)定，防斜效果更加明顯。二是用單彎螺桿鉆具控制井斜的同時(shí)，可以獲更高的機(jī)械鉆速，有效地解決利用傳統(tǒng)的鐘擺鉆具必須使用小鉆壓、鉆井速度偏低的問題[12]。</p><p>　　用單彎螺桿來控制井斜，類似一種偏心鉆具，利用單彎螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)中

72、產(chǎn)生的離心慣性力以增加鉆頭處的側(cè)向力，達(dá)到降斜的目的。這是利用單彎螺桿控制井斜的第一個(gè)原因。圖2-6是單彎螺桿示意圖。</p><p>　　圖2-6 單彎螺桿示意圖</p><p>　　單彎螺桿彎角的作用是讓其下部結(jié)構(gòu)軸心產(chǎn)生偏移，在鉆柱轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生一個(gè)較大的離心力，從而改變鉆頭處受力狀況?？疾鞆澖窃谏稀⑾戮趦蓚€(gè)特殊位置。當(dāng)彎角位于下井壁時(shí)，鉆頭傾角是沿井斜的方向；當(dāng)彎角轉(zhuǎn)到上井壁，鉆

73、頭傾角的方向發(fā)生變化，變?yōu)榕c井斜方向相反的方向。上井壁時(shí)改變鉆頭傾角是單彎螺桿控制井斜的第二個(gè)原因（見圖2-7）。</p><p>　　圖2-7 單彎螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)鉆頭傾角變化示意圖</p><p>　　單彎螺桿控制井斜的另一重要原因，就是動(dòng)力鉆具的高轉(zhuǎn)速可以提高單位進(jìn)尺鉆頭橫向切削井壁的次數(shù)。通常使用“單彎螺桿+PDC鉆頭”是因?yàn)镻DC鉆頭適用這種低鉆壓、高轉(zhuǎn)速的工作條件。同時(shí)，PDC鉆頭在

74、軟地層具有更強(qiáng)的切削能力。 </p><p>　　使用螺桿鉆具后，鉆進(jìn)相同的單位進(jìn)尺，PDC鉆頭切削下井壁的次數(shù)是普通鐘擺鉆具的2-4倍。單位進(jìn)尺相同條件下，鉆頭切削下井壁的次數(shù)十分關(guān)鍵，切削下井壁次數(shù)的增加，實(shí)際上也就是增加了鉆具糾斜的能力。</p><p>　　從上述分析可以得到以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：</p><p>　　1．當(dāng)單彎螺桿彎角位于上井壁時(shí)，鉆頭側(cè)向力最小，

75、鉆頭橫向切削能力小。但是鉆頭的傾角為負(fù)，鉆頭是沿井斜的反方向進(jìn)行鉆進(jìn)。此時(shí)的降斜主要是依靠鉆壓的作用。</p><p>　　2．當(dāng)單彎螺桿彎角位于下井壁時(shí)、鉆頭側(cè)向力變大，鉆頭的橫向切削能力最大。雖然鉆頭傾角變?yōu)檎?，使鉆頭沿井斜方向運(yùn)動(dòng)。但是由于鉆頭側(cè)向力的作用，可以降低這種趨勢(shì)。</p><p>　　3．單彎螺桿在轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，鉆頭傾角的正負(fù)交替變化，可以抵消鉆頭傾角導(dǎo)致井斜。</p

76、><p>　　4．“單彎螺桿+PDC鉆頭’，的鉆具組合，增加了鉆頭在單位進(jìn)尺的橫向切削次數(shù)，更有效地發(fā)揮鉆頭側(cè)向力的降斜作用。</p><p>　　第3章 復(fù)合鉆具組合控制井斜力學(xué)模型的建立</p><p>　　縱橫彎曲法是把一個(gè)帶有多穩(wěn)定器的下部鉆具組合看成為一個(gè)受有縱橫彎曲載荷的連續(xù)梁，然后利用梁柱的彈性穩(wěn)定理論導(dǎo)出相應(yīng)的三彎矩方程組，以求解BHA的受力與變形。在縱

77、橫彎曲法中，首先是把BHA從支座處(穩(wěn)定器和上切點(diǎn)等)斷開，把連續(xù)梁化為若干個(gè)受縱橫彎曲載荷的簡支梁柱，用彈性穩(wěn)定理論求出每跨間支梁柱的端部轉(zhuǎn)角值，利用在支座處轉(zhuǎn)角相等的連續(xù)條件和上切點(diǎn)處的邊界條件列寫三彎矩方程組。三彎矩方程組是一系列以支座內(nèi)彎矩和最上一跨長度（表征上切點(diǎn)位置）為未知數(shù)的代數(shù)方程組，對(duì)其進(jìn)行求解即可得到BHA的受力和變形。</p><p>　　3.1 基本假設(shè)和力學(xué)模型[2，10，13-18]&

78、lt;/p><p>　　在對(duì)下部鉆具組合進(jìn)行靜態(tài)小撓度分析時(shí)，一般都應(yīng)遵循如下的基本假設(shè)：</p><p>　　（1）彎接頭以下的動(dòng)力鉆具組合簡化為等效鉆挺（均勻、連續(xù)的等圓環(huán)截面梁柱）；</p><p>　?。?）鉆頭底面中心位于井眼中心線上，鉆頭和地層間無力偶作用；</p><p>　　（3）鉆壓為常量，作用在鉆頭中心處的井眼軸線的切線方向；

79、</p><p>　?。?）井壁為剛性體，井眼尺寸不隨時(shí)間變化；</p><p>　　（5）穩(wěn)定器(偏心墊塊)與井壁的接觸為點(diǎn)接觸；</p><p>　　（6）上切點(diǎn)以上鉆柱一般因自重而躺在下井壁上；</p><p>　?。?）鉆具組合在變形前后，其彎接頭彎角頂點(diǎn)處的兩條切線保持不變；</p><p>　?。?）不考慮

80、轉(zhuǎn)動(dòng)和震動(dòng)等動(dòng)態(tài)因素的影響；</p><p>　?。?）二維井身曲線為平面內(nèi)的一段圓弧曲線，井眼軌道的橫截面為圓形。</p><p>　　而對(duì)變截面梁柱串的力學(xué)分析，通常是采用從變截面的臺(tái)階處截開，與相鄰的穩(wěn)定器構(gòu)成兩跨縱橫彎曲簡支梁柱，即把臺(tái)階截面視為一個(gè)支座，再用彈性穩(wěn)定理論求出每跨簡支梁柱的端部轉(zhuǎn)角值和變截面處的剪力，利用連續(xù)梁柱在支座處轉(zhuǎn)角相等和上切點(diǎn)處的邊界條件及變截面處剪力和位

81、移相等的條件來列出三彎矩方程組和求解的未知數(shù)（截面處內(nèi)彎矩和撓度），方程是定解的。</p><p>　　3.1.1 均布載荷和彎矩同時(shí)作用下的力學(xué)模型</p><p>　　圖3-1 軸向載荷與橫向均布載荷及彎矩聯(lián)合作用情況</p><p>　　根據(jù)靜力平衡關(guān)系可求得左右兩端的支座反力為：</p><p><b>　　(3-1)<

82、;/b></p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　可求得任一點(diǎn)X處的彎矩如下：</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　梁柱變形的撓曲線微分方程

83、為：</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p><b>　　(3-6)</b></p><p><b>　　邊界條件：</b></p><p><b>　　(3-7)</b></p><p><b>

84、　　(3-8)</b></p><p><b>　　連續(xù)條件：</b></p><p><b>　　(3-9)</b></p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　微分方程的通解如下：</p><p><b&g

85、t;　　(3-11)</b></p><p><b>　　(3-12)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　(3-13)</b></p><p><b>　　(3-14)</b></p>

86、<p>　　根據(jù)(3-11)、(3-12)可求得：</p><p><b>　　(3-15)</b></p><p><b>　　(3-16)</b></p><p>　　由式(2-11)~(2-16)式及邊界條件和連續(xù)條件有：</p><p><b>　　(3-17)<

87、/b></p><p>　　方程組(2-17)中：</p><p><b>　　(3-18)</b></p><p><b>　　(3-19)</b></p><p><b>　　(3-20)</b></p><p>　　解方程組(2-17)可解得

88、：</p><p><b>　　(3-21)</b></p><p><b>　　(3-22)</b></p><p><b>　　(3-23)</b></p><p><b>　　(3-24)</b></p><p><b&

89、gt;　　式中：</b></p><p>　　可求得均布載荷和彎矩同時(shí)與軸向載荷聯(lián)合作用下的變截面（變剛度）梁柱端部轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　(3-25)</b></p><p><b>　　(3-26)</b></p><p><b>　　式中：<

90、;/b></p><p><b>　　(3-27)</b></p><p><b>　　(3-28)</b></p><p><b>　　(3-29)</b></p><p><b>　　(3-30)</b></p><p>

91、<b>　　(3-31)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p><b>　　(3-32)</b></p><p>　　以上推導(dǎo)軸向力P>0，即受壓的情況，若軸向力P<0，即為拉力時(shí)，則</p><p>　　，

92、 (3-33)</p><p>　　， (3-34)</p><p>　　，， (3-35)</p><p><b>　　，，(3-36)</b></p><p>　　這里 Ma，Mb—分別為A端和B端彎矩，N

93、·m；</p><p>　　La，Lb，L—分別為A跨、B跨和總長度，m；</p><p>　　ka，kb—分別為A跨和B跨曲率，rad/m；</p><p>　　Ia，Ib—分別為A跨和B跨截面慣性矩，m4；</p><p>　　qa，qb—分別為A跨和B跨均布載荷，N/m；</p><p>　　P —端部

94、軸向力，N；</p><p>　　C —A跨和B跨曲率之差絕對(duì)值，rad/m； </p><p>　　E —彈性模量，Pa。</p><p>　　利用公式(3-33~3-36)將相應(yīng)的公式代人(3-11~3-32)可求得P<0各計(jì)算式。</p><p>　　3.1.2 集中載荷作用下的力學(xué)模型</p><p>　

95、　對(duì)于螺桿鉆具組合，如不加上穩(wěn)定器或上穩(wěn)定器為變徑穩(wěn)定器處于最小工位時(shí)，則因螺桿鉆具的抗彎剛度和其上所加鉆具的抗彎剛度一般不相等，便成為為一個(gè)變剛度問題。同時(shí)由于螺桿鉆具存在結(jié)構(gòu)彎角，可根據(jù)彎矩相等將其等效為有一等效集中載荷作用在結(jié)構(gòu)彎角處來進(jìn)行處理。其力學(xué)模型為：</p><p>　　圖3-2 軸向載荷與集中載荷聯(lián)合作用情況</p><p>　　根據(jù)靜力平衡關(guān)系可求得左右兩端的支座反力為

96、：</p><p><b>　　(3-37)</b></p><p><b>　　(3-38)</b></p><p>　　可求得任一點(diǎn)處的彎矩如下：</p><p>　　， (3-39)</p><p>　　， (3-40)</p&g

97、t;<p>　　梁柱變形的撓曲線微分方程為：</p><p>　　， (3-41)</p><p>　　， (3-42)</p><p>　　， (3-43)</p><p><b>　　邊界條件：</b&g

98、t;</p><p><b>　　(3-44)</b></p><p><b>　　連續(xù)條件：</b></p><p><b>　　(3-45)</b></p><p><b>　　(3-46)</b></p><p><b&

99、gt;　　(3-47)</b></p><p><b>　　(3-48)</b></p><p><b>　　(3-49)</b></p><p><b>　　式中：</b></p><p>　　， (3-50)&

100、lt;/p><p>　　根據(jù)式(2-47)~(2-49 )可求得：</p><p><b>　　(3-51)</b></p><p><b>　　(3-52)</b></p><p><b>　　(3-53)</b></p><p>　　由式(2-47)~

101、(2-53)及邊界條件和連續(xù)條件有：</p><p><b>　　(3-54)</b></p><p>　　由方程組(2-54 )可解得：</p><p><b>　　(3-55)</b></p><p><b>　　(3-56)</b></p><p>

102、;<b>　　(3-57)</b></p><p><b>　　(3-58)</b></p><p><b>　　(3-59)</b></p><p><b>　　(3-60)</b></p><p>　　求得橫向集中載荷與軸向載荷聯(lián)合作用下的變截面（變剛

103、度）梁柱端部轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式如下：</p><p><b>　　(3-61)</b></p><p><b>　　(3-62)</b></p><p>　　若軸向力P<0，即為拉力時(shí)，則</p><p>　　， (3-63)</p>

104、;<p><b>　　(3-64)</b></p><p><b>　　(3-65)</b></p><p>　　式中Q — 集中載荷，N； </p><p>　　Lc — 集中載荷距A端（左支座）的距離，m。</p><p>　　3.2 縱橫彎曲連續(xù)梁理論中的迭加原理和連續(xù)條件&

105、lt;/p><p>　　（1）迭加原理[2]</p><p>　　文獻(xiàn)[2]指出了，當(dāng)有多個(gè)橫向載荷同時(shí)作用于軸向受壓的梁柱時(shí)，梁柱的總變形（撓度、轉(zhuǎn)角）可由每個(gè)橫向載荷分別與軸向載荷共同作用所產(chǎn)生的變形（撓度、轉(zhuǎn)角）線性迭加得到。</p><p>　　由此，受多種橫向載荷的縱橫彎曲間支梁柱都可以分解為橫向均勻載荷q與軸向載荷P共同作用、左端有力偶Mi與軸向載荷P共同作

106、用、右端有力偶Mi+1與軸向載荷P共同作用、橫向集中力Q與軸向載荷P共同作用四種情況之和。</p><p><b>　　（2）連續(xù)條件</b></p><p>　　對(duì)跨連續(xù)梁中的第支座，其左右兩端轉(zhuǎn)角的絕對(duì)值必然是相等的，即</p><p>　　—第i跨梁柱的右端(R)轉(zhuǎn)角，rad；</p><p>　　—第i+1跨梁柱

107、的右端(L)轉(zhuǎn)角，rad。</p><p>　　3.3 初始結(jié)構(gòu)彎角的等效處理</p><p>　　按照文獻(xiàn)[6]對(duì)結(jié)構(gòu)上存在初始彎曲的處理方法，即用一當(dāng)量橫向集中載荷Qd作用在彎曲點(diǎn)處的直梁柱代替它初始彎曲對(duì)曲梁柱變形的影響。Qd所產(chǎn)生的彎矩圖應(yīng)與軸向力P由于初始彎曲所產(chǎn)生的彎矩圖相同，由彎矩相等[19][2]：</p><p><b>　　(3-66)

108、</b></p><p>　　圖3-3 彎曲影響及處理</p><p><b>　　由此得：</b></p><p><b>　　(3-67)</b></p><p>　　把求出的當(dāng)量橫向集中載荷Qd附加作用在直梁柱上（作用點(diǎn)在原來的彎點(diǎn)處，作用線位于彎角平面內(nèi)且與直梁柱垂直），即可用直

109、梁取代原來的曲粱進(jìn)行變形分析。單彎的等效處理，即把存在一個(gè)彎角的曲梁柱，用一集中載荷作用在彎角處的直梁代替，且設(shè)在結(jié)構(gòu)彎角處的初始橫向位移a為，參考圖3-4可得：</p><p><b>　　(3-68)</b></p><p>　　因?qū)蜚@具的結(jié)構(gòu)彎角通常不大于3°，則有</p><p><b>　　(3-69)</

110、b></p><p><b>　　(3-70)</b></p><p>　　將(3-70)代入(3-67)：</p><p><b>　　(3-71)</b></p><p>　　圖3-4 一個(gè)彎角影響及處理</p><p>　　3.4 單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合受力與變形分

111、析</p><p>　　3.4.1 一維分析</p><p><b>　?。?）一維問題</b></p><p>　　裝置角Ω=0，井眼曲率K=0</p><p><b>　　上邊界條件為：</b></p><p><b>　　(3-72)</b><

112、;/p><p><b>　　連續(xù)條件為：</b></p><p><b>　　(3-73)</b></p><p>　?。?）三彎矩方程的建立</p><p>　　鉆頭和穩(wěn)定器與井壁之間的接觸關(guān)系可視為簡單支座。鉆具組合在鉆壓PB和鉆柱自重的作用下發(fā)生變形。下部鉆具組合因重力作用，一般情況上端點(diǎn)與下井壁

113、相切，而點(diǎn)以上的鉆挺與下井壁相貼，因而可認(rèn)為它與井身軸線具有相同的曲率。將鉆具組合從鉆頭O，穩(wěn)定器S1，和上切點(diǎn)T處斷開，并附加內(nèi)彎矩M0, M1和MT (M2)，即鉆頭、穩(wěn)定器及上切點(diǎn)把鉆具組合分為2跨受縱橫彎曲載荷的簡支梁柱。如圖3-5單彎單穩(wěn)螺桿鉆具組合在斜直井中所示，穩(wěn)定器處彎矩M1和上切點(diǎn)位置L2為待求的未知量。</p><p>　　圖3-5 單彎單穩(wěn)鉆具組合的彎曲與變形示意圖</p>&

114、lt;p><b>　　第一跨右端轉(zhuǎn)角為：</b></p><p><b>　　(3-74)</b></p><p><b>　　第二跨右端轉(zhuǎn)角為：</b></p><p><b>　　(3-75)</b></p><p><b>　　(3-

115、76)</b></p><p>　　把公式(3-75) (3-74)代入(3-73)，(3-76)代入(3-72)得三彎矩方程組</p><p><b>　　(3-77)</b></p><p><b>　　(3-78)</b></p><p>　　，為彎角在梁柱端部產(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)角<

116、;/p><p>　　三彎矩方程組中共有2個(gè)方程，其中未知數(shù)為M1和L2，共2個(gè)，因而是定解的。</p><p>　?。?）鉆頭側(cè)向力和鉆頭傾角的計(jì)算</p><p>　　圖3-6 鉆頭側(cè)向力和鉆頭傾角</p><p><b>　　(3-79)</b></p><p><b>　　(3-80)

117、</b></p><p>　?。?）附加轉(zhuǎn)角，的計(jì)算</p><p>　　根據(jù)初始彎角的處理方法，在彎角處附加一集中載荷Qd1，如圖3-5。由于Qd1的存在，在曲梁的左右兩端分別產(chǎn)生附加的轉(zhuǎn)角和，將(3-71)代入集中載荷引起的轉(zhuǎn)角公式(3-61)，(3-62)，結(jié)合圖3-7的幾何尺寸，梁柱左右兩端的附加轉(zhuǎn)角計(jì)算如下：</p><p>　　圖3-7 單彎

118、單穩(wěn)鉆具幾何關(guān)系圖</p><p>　　圖3-7中，L1是鉆頭底面至下穩(wěn)定器中點(diǎn)的距離，m1是從下穩(wěn)定器中點(diǎn)至彎點(diǎn)的距離，m2是從彎點(diǎn)到螺桿頂端的距離。</p><p>　　， (3-81)</p><p>　　， (3-82)</p>&