连续导向钻具组合三维准动力学分析模型及其导向力变化规律_刘夏荣

　[收稿日期]20050920

　[作者简介]刘夏荣(1968),男,1991年大学毕业,高级工程师,硕士生,现主要从事钻井工程方面的研究与管理工作。

连续导向钻具组合三维准动力学分析模型

及其导向力变化规律

刘夏荣　

长江大学地球科学学院,湖北荆州434023

塔里木油田分公司外事与装备处,新疆库尔勒841000

王新海　(长江大学地球科学学院,湖北荆州434023)

唐　艳　(濮阳市双发实业有限责任公司,河南,濮阳457001)

张建成　(新疆石油管理局机械制造总公司,新疆克拉玛依834000)

[摘要]对于连续导向钻具组合来说,由于其弯螺杆的存在,使得其在任何一个瞬态的受力变形都有其独特的特征。连续导向钻具组合旋转钻井时其特点可以归纳为一个工具面不断有规律改变的过程,其总体导向效果可以用钻柱旋转一周内的钻头上的合侧向力矢量来表述。[关键词]钻具组合;连续导向;动力学分析模型;导向力[中图分类号]T E921.2[文献标识码]A [文章编号]10009752(2006)01013202

对于连续导向钻具组合来说,由于其弯螺杆的存在,使得其在任何一个瞬态的受力变形都有其独特的特征[1～4]

。这个特征主要来源于螺杆的弯曲面。在滑动导向钻具组合连续导向钻井技术中,这个弯曲面就是导向工具面,这里定义为工具面,其相对于井眼高边的夹角(从高边顺时针计)定义为工具面角。这样,连续导向钻具组合旋转钻井时其特点可以归纳为一个工具面不断有规律改变的过程,其总体导向效果可以用钻柱旋转一周内的钻头上的合侧向力矢量来表述

[5～7]

。

1　准动力学模型

设连续导向钻具组合在某一时刻的工具面角为ω,在这一工具面角位置可计算出钻头上的造斜力为F α(ω),方位力为F (ω)。取钻具组合旋转一周为研究对象,ω的取值范围为0～2π,均匀取值。设计算点数为n ,则工具面角变化步长为Δω=2π/n 。计算点数应大于或等于36。钻具组合旋转一周内在钻头上作用的导向合力F s 为:

F s =1

n

F 2s α+F 2

s

(1)

式中,F s α为合造斜力,F s α=

∑2π

ω=0

F

α(ω)

,kN ;F s 为合方位力,F s =

∑2π

ω=0

F

(ω)

,kN ;F α

(ω)和F (ω)由静力学模型求解。

导向合力方向角(导向合力与高边的夹角)为:

αs =arctan (F s /F s α)

(2)

2　主要参数对连续导向钻具组合复合钻井导向力的影响规律

钻具组合为:215.9PDC 钻头+稳定器+单弯螺杆+165DC +214m m 稳定器+165DC (81m )+127DP 。近钻头稳定器与钻头的距离为L 1=1.2m ;弯点与近钻头稳定器中部的距离为1.2m 。2.1　井斜角的影响

计算条件为:钻压60kN ,转盘转速60r /min ,钻井液密度1.02g /cm 3

,稳定器间距L 2=20m ,弯

132 石油天然气学报(江汉石油学院学报)　2006年2月　第28卷　第1期

Jo urnal of Oil and Gas Technology (J .JP I )　Feb

.2006　Vol .28　No .1

表1　稳定器偏心为1mm 时不同井斜角情况下的导向力大小

α/(°)1216203045F s /kN

3.13

4.59

6.02

8.77

10.61

角大小0.75°,井斜角12°。利用SABH A 计算软件,可以计算出稳定器偏心为1mm 时的导向力及其方向角,结果见图1和表1。导向力方向指向井眼高边方向

。

图1　带双稳定器的连续导向钻具组合

同样可以求得稳定器偏心为2mm 时不同井斜角情况下的导向力,结果见表2。导向力方向指向井眼高边方向。

计算结果表明,随着井斜角增加,导向合力增加;近钻头稳定器偏心距增加,导向合力减小,可见井径扩大或稳定器外径磨损,都将迅速降低这种钻具组合的导向能力。2.2　不同钻压时的导向合力仿真结果利用SABH A 软件,可以求得不同钻压时的导向合力,结果见表3(稳定器偏心为2mm ,α=45°,L 2=20m )。导向力方向指向井眼高边方向。

结果表明,钻压增加,导向力微增,可见在正常钻压范围内,钻压影响不大。2.3　螺杆弯角的影响

同样,可以计算得到螺杆弯角对导向力的影响,见表4。计算条件为:稳定器偏心1mm ,α=20m m ,W =60kN ,L 2=20m 。表2　稳定器偏心为2mm 时不同井斜角情况下的导向力大小

α/(°)1216203045F s /kN

1.95

3.36

4.59

7.23

8.96

从计算结果可以看出,尽管在某一特定的工具面角条件下(某一瞬态),钻头上的侧向力随弯角的增加而增加,但在转盘旋转一周内钻头作用在井壁上的导向合力随弯角的增加出现减小的趋势。

表3　不同钻压时的导向合力仿真结果

W /kN 406080F s /k N

8.85

8.96

9.07

表4　不同螺杆弯角时的导向合力仿真结果

弯角/(°)0.7511.251.5F s /k N

6.02

4.69

3.61

1.37

[参考文献]

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[编辑]　苏开科

133 第28卷第1期刘夏荣等:连续导向钻具组合三维准动力学分析模型及其导向力变化规律