水平段大段取心钻具力学分析与设计
GXD-5S型千米级水平岩心钻机动力头的设计与分析
G X D -5S 型水平岩心钻机动力头的设计与分析黄晓林1,耿晓西2,吴金生1(1.中国地质科学院探矿工艺研究所,成都 611734;2.四川金地探矿机械有限公司,四川广汉 618300)摘 要:针对千米级水平绳索取心钻进工艺对桅杆式钻机动力头的要求,阐述了G X D -5S 型千米级水平岩心钻机动力头的设计思路和设计方案,介绍了动力头变速㊁减速的传动结构;采用三维虚拟样机技术在S o l i d -w o r k s 软件中对动力头进行快速设计建模,并在S i m u l a t i o n 环境中对传动齿轮副㊁主轴㊁动力头箱体等关键零部件进行有限元分析,具有较高的设计效率和直观明了的分析校核结果,F E A 分析结果与传统校核计算公式所得结论一致㊂关键词:水平取心钻机;动力头;结构设计;有限元分析中图分类号:P 634.3 文献标识码:A 文章编号:1009282X (2022)01000906D e s i g n a n d A n a l y s i s o f P o w e r H e a d o f G X D -5S C o r e D r i l l i n g R i gH U A N G X i a o l i n 1,G E N G X i a o x i 2,WU J i n s h e n g11.I n s t i t u t e o f E x p l o r a t i o n T e c h n o l o g y ,C A G S ,C h e n gd u 611734,C h i n a ;2.S i c h u a n J i n d i E x p l o r a t i o n M a c h i ne r y C o .,L t d .,G u a n gh a n ,S i c h u a n 618300,C h i n a A b s t r a c t :I n v i e w o f t h e r e q u i r e m e n t s o f t h e p o w e r h e a d f o r k i l o m e t e r -l e v e l h o r i z o n t a l r o p e c o r e d r i l l i n g t e c h n o l o g y ,t h e d e s i gn i d e a s a n d d e s i g n s c h e m e s o f t h e p o w e r h e a d o f t h e G X D -5S t y p e k i l o m e t e r -l e v e l h o r i z o n t a l c o r e d r i l l i n g r i g ar e d e s c r i b e d ,a n d t h e t r a n s m i s s i o n s t r u c t u r e o f t h e p o w e r h e a d s v a r i a b l e s p e e d a n d d e c e l e r a t i o n i s i n t r o d u c e d .T h e 3D v i r t u a l p r o t o t y p i n g t e c h -n o l o g y i s u s e d t o q u i c k l y d e s i g n a n d m o d e l t h e p o w e r h e a d .P e r f o r m f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s o n k e y c o m po n e n t s s u c h a s t r a n s -m i s s i o n g e a r p a i r ,m a i n s h a f t ,p o w e r h e a d b o x ,e t c .i n t h e S i m u l a t i o n e n v i r o n m e n t .W i t h h i g h d e s i g n e f f i c i e n c y an d i n t u i t i v e a n a l y s i s a n d c h e c k r e s u l t s .T h e F E A a n a l ys i s r e s u l t s a r e c o n s i s t e n t w i t h t h e t r a d i t i o n a l c a l c u l a t i o n f o r m u l a .K e yw o r d s :h o r i z o n t a l c o r i n g r i g ;p o w e r h e a d ;s t r u c t u r a l d e s i g n ;f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s 收稿日期:20211110基金项目:中国地质调查局地质调查项目(编号:D D 20190644) 作者简介:黄晓林(1987-),男,江西全南人,硕士,机械工程专业,工程师,主要从事钻探技术研究和开发工作,E -m a i l:515661320@q q.c o m ㊂0 引言川藏铁路建设的前期需要对拟建设的铁路沿线进行大量地质勘察工作以查明地质条件,但拟建设的铁道线路多处于川藏高原深山峡谷,地理位置及地层情况比较特殊,长大隧道数量较多,采用从山顶㊁山坡布勘察孔,隧道顶部钻孔深度大,取心勘察效果差,多数区域钻探设备搬迁运输困难㊂因此,高原山区的铁路㊁公路等重大工程建设的地质勘察孔设计为超长水平或近水平倾斜孔,可以减少勘察孔数量,避免密集布浅孔,可以减小对环境的破坏,实现高效快速钻探,达到精准查明工程地质条件的目的㊂为适应此类国内重大工程建设工程地质勘察的需求,中国地质科学院探矿工艺研究与中铁二院工程集团有限责任公司联合研发了一款G X D -5S 型千米级水平岩心钻机,该钻机主要用于工程地质勘察及固体矿藏取心钻探工程,特别是铁路㊁高速公路地质勘察的超长水平孔钻探取心作业,适用金刚石绳索取心㊁普通金刚石回转取心等多种钻探工艺㊂G X D -5S 型钻机的动力头适用于采用基于绳索水平钻探的勘察技术,在铁路㊁公路等重大工程的隧道工程勘察中能很好地实现沿隧道轴心千米级水平取心,高效获得目标地层岩心,取得连续水平地层整合接触信息㊂1动力头总体方案设计1.1动力头的设计要求动力头是桅杆式钻机的核心部件,其主要功能是通过钻杆给孔内钻具㊁钻头提供足够的转矩和转速,使孔底钻头能连续破碎岩石和延伸钻孔深度,其结构和性能必须满足多种钻进工艺的要求[1],特别是需要具备处理孔内复杂工况的能力㊂对动力头的设计要求主要包括:(1)动力头的转速和转矩应满足多种钻进工艺的需求㊂由于钻进过程中所需的转速和转矩是根据所用钻头直径㊁所钻岩层的性质以及钻进方法的规程要求而变化的,因此,要求动力头提供的转速和转矩是实时可调的,而且调节的范围应与所用的钻进工艺相适应㊂(2)动力头应具有反向旋转的功能,以满足卸扣㊁处理钻孔事故和其他辅助工作的需求㊂(3)动力头主轴应为中空结构且其通孔直径应能通过多种钻进工艺相配套的钻杆,以适应从动力头前后装㊁卸钻杆的需求㊂(4)动力头的回转运动应平稳,各零部件结构安全可靠,其振动㊁噪声㊁发热均应满足7级传动机械设计要求,且具有长寿命㊂1.2动力头设计方案通过对绳索取心长钻孔工艺方案的调研发现,钻孔深度ȡ1500m时,需要采用多级钻孔的结构,钻孔孔径可设定为122m m㊁96m m㊁76m m等口径且逐级变小,设计孔深越深开孔口径越大㊂绳索取心工艺要求76~122m m不同孔径的转速为300~800r/m i n,口径越小需要转速越高,以满足钻头切削刃线速度的要求,因此,取动力头最高输出转速为860r/m i n㊂76m m口径正常钻进转矩一般需要ȡ400N∙m,设定可靠性系数为3,则动力头的额定扭矩应ȡ1200N∙m,预留处理钻进事故需要的转矩ȡ4800N∙m(事故处理系数取4),因此取动力头最大输出扭矩为5600N∙m㊂同时,根据千米级绳索水平取心钻孔工艺要求,经过计算并与国内外同类钻机性能参数做优化比较,确定G X D-5S型千米级水平岩心钻机的主要技术参数见表1㊂设计其动力头时以输出转速20~ 860r/m i n㊁最大输出转矩5600N∙m作为主参数开展各传动副的设计计算㊂表1G X D-5S型钻机的主要技术性能参数T a b l e1M a i n t e c h n i c a l p e r f o r m a n c e p a r a m e t e r s o f G X D-5Sd r i l l i n g r i gN Q口径钻进深度/m1500动力头输出转速/(r∙m i n-1)20~860动力头输出扭矩/(N∙m)0~5600动力头行程/m3.36钻进角度/(ʎ)-5~90给进力/k N102起拔力/k N216柴油机额定功率/k W179根据动力头的设计要求和输出转速㊁扭矩范围, G X D-5S型钻机动力头的总体方案设计为以两级机械变速箱结构为主体,采用柱塞液控变量马达驱动的两级机械变速箱,液压控制马达排量与变速箱机械换挡相结合,实现20~860r/m i m输出转速范围内多挡位无级变速㊂动力头主轴(输出轴)采用大通径中空结构,钻杆柱能从其中通过,以实现快速起下钻;主轴后端设置钻杆卡盘,卡盘设计为往复液压缸楔形夹紧卡瓦结构,卡瓦动作灵活,夹持钻杆牢固可靠,液压缸设置高压油实时补偿系统,在卡瓦和钻杆磨损的情况下能补偿夹紧㊂1.3动力头驱动马达与传动方案以N Q(76m m)绳索取心快速钻进时钻机所能输出的最高转速860r/m i n和扭矩1200N∙m为基础,兼顾钻机处理复杂孔内事故时所需的大扭矩,在国内外岩心钻机常用液压马达类型中进行选型,选择46~160m L/r排量可调的L Y-A6V变量柱塞马达,该马达带有次级液力控制器,通过控制其先导油口X的压力可以无级调节马达的排量,可实现转速宽幅输入的调节[2]㊂L Y-A6V变量柱塞马达46~160m L/r排量变化对应的扭矩常数为7.33~25.44N∙m/M P a,最大排量时扭矩常数为25.44N∙m/M P a㊂在钻机液压系统设定的额定压力为28M P a时,当马达最大排量160m L/r状态下,其最大输出扭矩为712N∙m㊂在相同流量的情况下,马达输出转速与其排量并非成线性关系,当排量ɤ121m L/r时,马达最大输出转速限定为3500r/m i n且输出扭矩ɤ538.7N∙m;另外,马达油道的大小限制了输入流量,所以当最大输入流量下马达排量>121m L/r时,其最大输出转速将<3500r/m i n,最大排量160m L/r状态时,最高输出转速只有2650r/m i n㊂G X D-5S型钻机动力头初选传动比i=4,不考虑传动损失,则主轴最高输出转速为875r/m i n,动力头输出扭矩可达到1220N∙m,能满足常用口径的绳索取心千米级深度钻进的要求和上述动力头技术参数的要求㊂为了提升钻机大口径取心钻进的能力,增加钻进工艺适应性和保证处理孔内复杂事故的能力,增加一级变速挡位,扩大传动比(i2=8.8),使动力头具有两挡可换传动比㊂考虑钻机液压系统能力和传动效率,通过计算得大传动比挡位动力头可输出最高转速为398r/m i n,额定输出扭矩可以达到2700N∙m,最大输出扭矩5600N∙m(马达最大排量,低速状态)㊂动力头的传动方案为设计为L Y-A6V变量柱塞马达输入功率经过具有换挡功能的两级减速箱减速后从主轴输出,详细传动路线为:一挡,马达 输入轴 换挡轮 Z3 Z4 中间轴 Z5 Z6 主轴;二挡,马达 输入轴 换挡轮 Z1 Z2 中间轴 Z5 Z6 主轴,如图1所示㊂图1动力头传动方案示意图F i g.1S c h e m a t i c d i a g r a m o f p o w e r h e a d t r a n s m i s s i o n s c h e m e2动力头结构设计2.1机械变速结构设计动力头机械变速采用两级传动,第一级传动设计成具有两种传动比的变速箱结构,第二级传动设计成一对高强度直齿轮副减速箱结构[3,4],液压卡盘安装在二级传动输出轴的顶端,如图2所示㊂第一级传动的变速换挡结构采用结构工艺成熟的滑动齿轮花键拨叉变速结构形式,输入轴两端各1.柱塞马达;2.变速箱体;3.主动小齿轮;4.从动大齿轮;5.换挡拨叉;6.挡位齿轮花键套;7.输入轴;8.薄壁深沟球轴承;9.主动大齿轮;10.中间轴;11.从动小齿轮;12.深沟球轴承;13.齿轮轴;14.减速箱体;15.主轴大齿轮;16.主轴;17.圆锥滚子轴承;18.卡盘芯轴;19.卡瓦导向套;20.夹紧液压缸;21.卡瓦;22.推力球轴承图2G X D-5S型钻机动力头机械结构图F i g.2M e c h a n i c a l s t r u c t u r e o fG X D-5S d r i l l p o w e r h e a d 设置一个大小不同的主动齿轮,两个主动齿轮分别通过两组薄壁深沟球轴承安装在输入轴上,轴中间采用花键结构形式安装一组拨叉挡位齿轮花键套;中间轴通过轴承支撑安装在变速箱箱体上,从动大齿轮和从动小齿轮固定安装在中间轴;变速箱箱体通过螺钉安装在下一级减速箱箱体上,中间轴与减速箱的轴齿轮通过花键联接㊂在挡位齿轮花键套设计一组拨叉,通过拨叉转动使齿轮花键套上下滑移,选择与大主动齿轮或小主动齿轮内啮合,将扭矩和转速通过从动小齿轮或从动大齿轮传递给中间轴,从而传递给第二级传动㊂第二级传动设计成简洁的一级齿轮减速结构,齿轮轴通过深沟球轴承安装在减速箱箱体中,主轴(输出轴)通过两组大载荷圆锥滚子轴承安装在箱体上,主轴大齿轮以中间分布形式通过键固定在主轴上㊂该级传递扭矩较大,采用高强度硬齿面结构齿轮㊂为了使传动平稳㊁改善齿轮受力情况㊁减小噪音,该级传动可设计为斜齿轮传动㊂2.2液压卡盘的设计在钻孔施工中卡盘直接与钻杆接触,把动力头所输出的转速和扭矩传递给钻杆,卡盘的夹紧作用克服它们之间相对旋转运动和轴向相对滑动两种运动趋势㊂在钻孔施工中若卡盘与钻杆发生轴向相对滑动非常危险,很可能造成钻孔事故㊂因此,液压卡盘采用图2所示的楔面传力夹紧机构,液压卡盘提供一定的(预)夹紧力,夹紧的钻杆若有向下滑动的趋势时,楔面夹紧机构将会自动补偿径向夹紧力夹住钻杆,减小因液压系统意外供压不足或泄压造成钻杆向下滑动的几率㊂液压卡盘的芯轴采用中空结构,能够通过ȡ114m m 直径的钻杆,卡盘芯轴下端通过螺钉与动力头主轴连接,卡盘芯轴中部设置一组环状往复液压缸,往复液压缸上端通过深沟球轴承和推力球轴承与楔面卡瓦导向套连接,多个楔面式卡瓦均匀分布在卡盘芯轴上端的卡槽中,卡瓦导向套内设置的楔面与卡瓦紧密贴合㊂环状往复液压缸在液压油的作用下往复运动,当高压油进入上腔时夹紧液压缸向上运动,推动卡瓦导向套向上运动,因卡瓦轴向自由度被限制,此时卡瓦径向向内运动收缩夹紧钻杆,夹紧力的大小与液压油压力大小正相关,调节上腔压力控制夹紧力大小,设定一个限定阀值,避免夹紧力过大把钻杆夹变形;环形往复液压缸下腔充液压油时夹紧液压缸向下运动,在环形卡瓦弹簧的作用下卡瓦径向向外运动,松开钻杆㊂3动力头关键零件的有限元分析校核钻机的设计采用三维虚拟样机技术能很大程度地提升设计效率,完成三维样机的设计后,使用C A E技术能快速对所设计的零部件进行仿真分析,分析结果清晰直观,可以与传统的机械设计校核公式所得结论相互印证㊂首先采用S o l i d W o r k s软件对G X D-5S型钻机动力头进行设计与建模,形成三维虚拟样机,如图3所示㊂然后采用C A E技术在S o l i d W o r k s软件的S i m u l a t i o n环境中模拟动力头工作的极端工况进行分析校核,如处理可能遇到的钻头泥包㊁卡钻㊁烧钻等事故时动力头的受力情况进行安全分析㊂根据动力头整体结构的特点,主要针对传递扭矩较大㊁受力情况复杂的二级传动的关键零部件进行分析,如啮合齿轮副㊁主轴和减速箱箱体的有限元分析㊂3.1动力头二级减速箱齿轮副分析校核3.1.1仿真分析使用S o l i d W o r k s软件对二级传动减速箱的大图3G X D-5S型钻机动力头三维虚拟样机F i g.33D v i r t u a l p r o t o t y p e o fG X D-5S d r i l l p o w e r h e a d 扭低速齿轮副进行三维建模,按齿轮传动特征进行装配,然后进入其集成的有限元分析模块S i m u l a-t i o n环境中进行齿轮啮合传动接触应力的分析㊂该级减速传动齿轮副设计为硬齿面传动,材料选用20C r M n T i,表面采取硬化处理,参考国标G B/ T3480.1 2019规范中常用材料性能表读取材料特性数值,通过相应计算得此条件下齿轮表面的接触疲劳许用应力为1450M P a,在S i m u l a t i o n分析的材料选项中填入传动齿轮的材料参数㊂模拟齿轮啮合传动工作工况特点给齿轮添加约束,加载扭矩,划分合适的网格,进行分析运算,分析结果见图4所示㊂该级减速传动齿轮副等效应力分布结果显示,最大应力为769M P a,出现在中间啮合的接触面处,等效应力分布显示该处的应变也是最大的,但在安全范围内,结果显示最小安全系数为1.89ȡ1[5]㊂3.1.2采用经典公式校核齿轮啮合弹性力学H e r t z公式:σH=F nπb㊃1ρ1ʃ1ρ21-μ21E1+1-μ22E2(1)式中:σH为接触应力,M P a;μ1㊁μ2分别为大小齿轮泊松比,取值μ1=μ2=0.3;E1㊁E2分别为大小齿轮弹性模量,取值E1=E2=2.06ˑ105M P a;综合曲率半径按节圆处两齿廓的曲率半径计算1ρ1ʃ1ρ2=2d1s i nα㊃i+1i(2)其中,i为齿数比,d1位小齿轮分度圆直径,α为压力角,α=20ʎ㊂F n为齿轮啮合法向力图4主轴齿轮啮合有限元分析结果F i g.4F i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s r e s u l t s o f s p i n d l e g e a r m e s h i n gF n=2T1d1c o sα(3)其中,T1为小齿轮处扭矩,取值1400N∙m㊂引入载荷系数K,取值1.1,代入相关数据计算可得σH=766.46M P a,该数值小于安全系数为1时计算的接触疲劳许用应力1450M P a,校核通过㊂S o l i d W o r k s软件自带的有限元分析模块S i-m u l a t i o n仿真结果与经典计算公式校核结果的数值非常接近,且S o l i d W o r k s软件的有限元分析结果直观明晰,在设计过程中可快速借鉴该功能分析结果进行设计调整与优化[6-9]㊂3.2动力头主轴分析校核在S o l i d W o r k s软件中完成主轴三维建模,无缝导入有限元分析模块S i m u l a t i o n环境中进行快速静态算例分析,主轴选用40C r材料进行调质处理,其抗拉强度1000M P a,弯曲疲劳极限485M P a,屈服点785M P a㊂模拟主轴工作工况给主轴添加约束,加载齿轮传动径向力㊁矩扭和起钻轴向拉力,划分合适网格,进行分析运算,分析结果见图5所示㊂主轴应力分布结果显示最大应力为142M P a,集中在键槽底部边缘,小于主轴的失效屈服值且安全系数大于5.5,与传统计算公式所得弯曲应力校核㊁安全系数校核结果一致,校核通过㊂最大变形位移为0.046m m,出现在键槽顶部边缘,可以忽略,与传统计算公式所得扭转刚度㊁弯曲刚度校核结果一致,校核通过㊂图5主轴有限元分析结果F i g.5F i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s r e s u l t s o f s p i n d l e3.3动力头箱体分析校核动力头减速箱箱体结构复杂,目前没有有效的快速校核公式,采用S o l i d W o r k s软件有限元分析模块S i m u l a t i o n对其仿真分析,建立三维模型,简化焊接部位,减速箱箱体材料采用Q345,其抗拉强度510M P a ,屈服强度352M P a ㊂模拟减速箱体工作工况给箱体添加约束,箱体主要受钻孔所需的给进与起拔力作用,最大起拔力216k N ,在箱体轴承固定端面加载该力,划分网格,进行分析运算,分析结果见图6所示㊂等效应力分布结果显示,最大应力为315M P a,集中在箱体底板上面板的加强筋上端,区域面积较小,在许用安全范围内㊂等效变形位移图显示在最大受力情况下变形最大位移为0.7m m ,出现在上面板远离底板端,是相对于固定底板发生的变形,在允许范围内㊂图6 动力头箱体有限元分析结果F i g .6 F i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s r e s u l t s o f po w e r h e a d b o x 4 结语(1)G X D -5S 型钻机的动力头采用液控变量柱塞马达和机械换挡调速相结合的方式,很好地兼顾了高转速输出实现快速钻进和具有较强的事故处理能力这两项功能㊂(2)动力头传动方案成熟,变速箱与减速箱相结合,在变量马达的排量控制的介入下变扭调速灵活,齿轮传动可靠㊂(3)液压卡盘采用楔面传力夹紧机构,向下具有自锁功能,具有夹紧液压压力补偿功能,工作可靠㊂(4)动力头结构设计采用三维虚拟样机技术,在S o l i d W o r k s 软件环境中快速对零部件细化设计并进行有限元分析校核,实时发现设计错误及时改进优化,有效缩短设计周期,确保结构安全有效㊂(5)国内外岩心钻机的动力头结构形式多样,建议今后的动力头设计可借鉴各自优点充分利用电液技术简化动力头结构,优选动力头设计方案㊂采用三维虚拟样机技术快速设计建模,通过C A E 技术进行仿真分析,建议进行热场分析和拓扑优化,避免动力头发热升温过高和结构过冗余厚大㊂参考文献:[1] 冯德强.钻机设计[M ].武汉:中国地质大学出版社,1992.[2] 吕冰.Z Y W -1200煤矿用全液压钻机动力头设计[J ].矿业安全与保护,2010,37(4):5152,55.[3] 黄锡恺,郑文纬.机械原理[M ].北京:人民教育出版社,1981.[4] 成大先.机械设计手册[M ].北京:化学工业出版社,1993.[5] 孙贤初,党新安.C A D /C A E 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阶梯水平井钻具力学计算的开题报告
阶梯水平井钻具力学计算的开题报告一、项目背景阶梯水平井是一种重要的油气开采方法，具有输送能力强、油气井眼长度长、渗透系数高、产油效果好等优点。
该井型在开采过程中需要进行水平井钻井作业，而阶梯水平井钻具力学计算则是评估钻井作业效率及风险的重要途径。
目前，国内外在阶梯水平井钻具力学计算方面已有很多研究成果，但由于钻井条件的复杂性和井深的加深，需要依靠高精度的计算方法进行研究，这也是本项目的意义所在。
二、研究目的本项目旨在研究阶梯水平井钻具的力学行为及力学参数，通过建立数学模型，计算分析钻具的受力情况，以及在不同地质条件下的钻井参数分析，以提高钻具的效率和安全性。
三、研究内容1. 分析阶梯水平井钻井中的关键受力点及受力形式，建立数学模型。
2. 基于钻具力学分析方法，研究并计算阶梯水平井钻具的力学参数，包括强度、失效、振动等。
3. 根据现场实际情况，分析不同地质条件下的钻井参数，如切削速度、压力和转速等，着重研究钻具在不同地质条件下的受力情况。
4. 基于计算结果，优化钻具的设计，提高钻具效率和安全性。
四、研究方法本研究将采用理论计算和现场实验相结合的研究方法。
1. 理论计算：通过数学模型，建立阶梯水平井钻具力学行为的数学模型，包括受力情况、受力形式、力学参数等。
通过MATLAB等软件进行计算分析。
2. 现场实验：利用实验设备，对不同地质条件下的阶梯水平井钻井实验进行观察和测试，获取实验数据并进行数据分析。
五、研究预期成果1. 建立阶梯水平井钻具力学行为的数学模型，研究钻具受力情况和受力形式。
2. 计算分析钻具的力学参数，如强度、失效、振动等，并结合实验数据进行分析。
3. 分析不同地质条件下的钻井参数，如切削速度、压力和转速等，着重研究钻具在不同地质条件下的受力情况。
4. 通过计算结果，优化钻具的设计，提高钻具效率和安全性。
六、研究计划本研究计划分为以下步骤：1. 研究前期调研和文献综述：收集国内外在阶梯水平井钻具力学计算方面的文献，并进行综述和调研。
超短半径水平井柔性钻具设计及力学分析
超短半径水平井柔性钻具设计及力学分析面临着我国老油田的开发已经进入中后期的严峻形势,油井产油量严重下跌,如何研究应用新方法挖潜剩余油藏,提高油井产油量,已经成为各大油田迫切需要解决的任务。
面对着国内各油田产油量日益下滑的趋势,在老井中采用超短半径开窗侧钻水平井工艺技术开发剩余油技术越来越受到各大油田的青睐,而超短半径开窗侧钻水平井工艺技术的核心就是是否有一套科学合理的柔性钻具设计。
柔性钻具的主要部件是导向筛管和柔性钻杆,故导向筛管和柔性钻杆结构设计以及力学分析是否合理直接影响柔性钻具在钻井过程中能否成功进行造斜钻进和水平钻进。
为此,本文根据超短半径水平井技术特点,对超短半径水平井柔性钻具进行了结构设计,并进行了力学分析。
采用理论分析方法,考虑导向筛管开槽结构,对导向筛管每节长度、竖缝的夹角、竖缝的长度、竖缝宽度和横缝宽五个主要参数进行设计,建立导向筛管强度评价准则,提出最优结构。
考虑导向筛管与井壁的接触,以导向筛管和井壁为研究对象,采用梁单元,建立导向筛管和井壁接触非线性有限元模型,并对其进行力学分析,得到导向筛管危险截面载荷;为评价导向筛管强度,取单节导向筛管为研究对象,采用实体单元,建立单节导向筛管局部有限元模型,将整体模型得到的危险截面载荷加到局部模型上,对其进行强度评价,得到开窗点轴向力为40kN,钻进90°导向筛管满足强度要求。
考虑柔性钻杆能够通过一定曲率半径的井眼,根据几何关系和强度条件,对单节柔性钻杆的长度、球头柱键的直径、球头连杆和上球座的内径等主要参数进行结构设计。
考虑球头柱键与球头连杆凹槽、上球座与球头连杆球头的接触,取单节柔性钻杆为研究对象,采用实体单元建立单节柔性钻杆接触非线性有限元模型,对其进行强度评价,得到造斜段柔性钻杆能承受小于2kN?m的扭矩,水平段柔性钻杆能承受小于40kN的钻压和小于2kN?m的扭矩。
长水平段水平井钻井技术分析
长水平段水平井钻井技术分析在石油工业中，长水平段水平井钻井技术是一种重要的技术手段，其通过在地下水平段部分进行钻井，来增加储层产能和油气开采效果。
本文将从长水平段水平井钻井技术的定义、特点、应用领域、技术步骤和技术分析等方面对其进行详细的介绍。
长水平段水平井钻井技术是指在砂岩、碳酸盐岩等成岩层中，通过沿储层水平方向进行钻井，形成水平段井筒，从而增大了储层的接触面积，提高了开采效果。
该技术主要用于油田、气田的勘探开发中。
长水平段水平井钻井技术具有以下几个特点：1. 增大储层接触面积，提高产能：通过沿着储层水平方向钻井，可以使井筒与储层接触面积增大，有效提高了油气开采效果。
2. 提高油气储量的产量：长水平段水平井可以在储层中穿过多个层次，使得井筒经过的产层更多，从而增加了油气储量的产量。
3. 减少油田开采的面积：采用长水平段水平井钻井技术可以减少采油厂区域面积，达到节省开发费用、增加单井产能的效果。
4. 降低井距，提高采收率：长水平段水平井的钻井井距相对较小，可以使井网图案更加紧密，提高了采收率。
长水平段水平井钻井技术的具体步骤主要包括以下几个环节：1. 选取目标储层：根据勘探地质资料和储层分布情况，确定适宜的目标储层。
2. 编制施工方案：根据目标储层的特点和工程要求，制定详细的施工方案，包括井筒设计、钻井液配方、钻具选型等。
3. 钻井准备：对钻井设备和钻具进行检查和调试，确保工作正常。
将钻井液组织起来，并进行实验测试，以确保其符合要求。
4. 钻进井段：根据施工方案，进行钻进井段作业，包括钻井液循环、钻具下入井口、井斜段钻进等。
5. 长水平段钻进：在达到预定的井斜度和井深后，开始进行长水平段的钻进作业，包括定向井斜段的钻进和水平段的钻进。
6. 完井和产能测试：完成钻井作业后，进行完井作业，包括套管和水泥固井。
然后进行产能测试，验证其产能和开采效果。
对于长水平段水平井钻井技术的分析，需要注意以下几个方面：1. 储层的物性和构造特点是选择钻井技术的关键因素，需要对目标储层进行详细分析和评估。
水平井钻具设计
水平井钻具设计对设计一口水平井来说在确定了最优的造斜曲率剖面设计以后，下一个要解决的问题是水平井段能够钻多长，这个问题涉及到阻力和扭矩。
在一个给定的井眼条件下，当钻进到已经不能再转动钻具而且钻压已不能连续维持钻进时，所能钻达的即为最大水平段长度。
如果要达到或超过这个长度，设计者首先必须弄清的是扭矩和阻力问题，其次是钻具的弯曲问题，再者是钻具设计中的一些考虑。
这三方面的考虑就是钻具的设计内容。
1. 磨擦扭矩和阻力许多作业者第一步所采取的方法是划定水平段的长度范围，他们的概念是水平段长度为500ft 最稳妥，1000ft 为最合适，2000ft 为雄心勃勃，4000ft 相当于创记录。
如果水平井段长度达到1000ft 未必真正是阻力和扭矩的限制。
在这个长度内与阻力、扭矩有关的作业问题还可以是其他问题，如岩屑的沉淀或井壁的粘卡等。
当我们在作一口水平井的最优化费用预算时，必须掌握实际的限制因素。
影响扭矩和阻力限制的因素有以下几点：1. 水平段的长度；2. 钻具设计；i) 加重钻杆ii) 在水平段的钻杆iii) 所需钻压3. 磨擦系数，钻井液类型；4. 钻井设备的能力；i) 扭矩ii) 提升能力iii) 顶部驱动5．水平井钻井工艺；i) 地面旋转ii) 可控马达系统如果设计的水平段长度为2000ft ，则需要考虑磨擦扭矩和阻力对钻进的影响，扭矩阻的力分析必须包括预测钻具未接触井底旋转时的阻力和磨擦扭矩，及地面旋转钻井，可控马达钻进和起下钻时的阻力因素，而且还要知道钻具的各部分在井眼弯曲段由于弯曲负荷产生的应力。
1) 磨擦扭矩和弯曲符合计算 有效重量的分析图1物理量关系式如下：式中 F C —接触力。
lb;F A —轴向力，lb;W m —在泥浆中的重量，lb;θ—倾斜角。
（1）不带工具接头的管材在倾斜井中临界弯曲力的计算θsin m C W F =θcos m A W F =图1其计算如下：式中 F c —临界弯曲力，lb ；E —杨氏模量，30*106psi (钢材)；I — 管体的惯性矩，in 4；W m —管体在钻井液中的重量，lb/in ；R —管体与井眼的径向间隙，in ；θ—井眼的倾角。
浅析水平井上部钻柱和底部钻具组合受力研究
浅析水平井上部钻柱和底部钻具组合受力研究摘要：水平井在钻井期间，钻柱产生的摩阻力给钻压传导性能带来直接影响，一般境地钻压比预定施加的钻压低，导致钻井工作效率变慢。
对钻压传导进行合理地分析，精准地计算井底钻压非常重要，是确保水平井钻进效率的必要条件。
本文给出了钻井液对钻柱轴向力的计算方法。
能够按照井口大钩荷载，算出井底的实际钻压，对水平井钻压传导的分析，以及指导钻井施工作业具有重要价值。
随着科技的发展，水平井在社会诸多领域得到广泛地推广。
然而，因受到特殊井眼轨迹的局限性，在非垂直段的钻进作业中，钻柱的摩阻给钻压传导造成了一定的阻碍，直接降低了钻井效率。
1983年，相关专家第一次建立了预测钻柱的拉力与扭矩的软杆模型。
五年后，研究人员根据大变形的相关原理，提出了混合模型。
上世纪末，马善洲等结合定向井的自身特征，提出了钻柱摩阻分段计算方法，并对底部钻具组合(BHA)与上部钻柱进行受力分析，研究了钻井液性能，如黏滞力，以及钻柱的刚性效应加以分析，构建了钻柱与钻具组合轴向力的计算方法，从而为水平井的钻井作业提供重要的技术支持，有利于提升钻井工作效率。
1钻井液对水平井的钻柱轴向力造成的影响水平井钻井过程中，钻柱轴向力除受到井壁或套管约束产生的摩阻力外，由于存在钻井液流体与钻柱的相对运动，钻柱轴向力还受到钻井液茹滞力的影响。
此外，若钻井液液柱压力与地层压力之间存在正压差，钻柱与井壁或套管接触后，该正压差也会形成一定的摩阻力而影响钻柱轴向力。
1.1钻井液的黏滞力钻井液的黏滞力与钻井液本身的性能具有密切关系。
一般情况下，钻柱中钻井液的黏滞力方向顺着轴向向下，环空钻井液的黏滞力方向顺着轴向向上，相关计算公式如下：为了精准地算出钻井眼内钻柱摩阻与轴向力分布情况，应在钻压传导分析过程中，进行以下假设：①井壁刚性；②钻柱和井壁有效地接触，钻柱的轴线和井眼的轴线相符；③计算钻柱单元体是空间斜平面的一段等曲率圆弧；④钻柱单元体受到的正压力、重力、钻井液黏滞力、摩阻力及压差均匀分布；⑤起下钻时的动载荷影响忽略不计。
钻具的受力分析
五、水平井钻具的受力分析水平井钻具的受力分析是一个比较复杂的力学问题，在水平井摩阻与扭矩分析和计算的基础上，我们可以定性的分析在一定井眼条件和一定钻井参数情况下，不同钻具组合对井眼轨迹控制的能力。
钻柱与井壁产生的摩阻和扭矩, 用滑动摩擦理论计算如下:Ｆ ＝μ×ＮＴr ＝μ×Ｎ×Ｒ式中:Ｆ 一 摩擦力μ 一 摩擦系数Ｎ 一 钻柱和井壁间的正压力Ｒ 一 钻柱的半径Ｔr 一 摩擦扭矩从上式可以看出，μ 和 N 是未知数，通过大量现场数据的回归计算求出：μ＝0.21（钻柱与套管）μ＝0.28～0.3（钻柱与裸眼）同时我们对正压力也进行了分析和计算。
1、 正压力大小的计算(1) 弯曲井眼内钻具重量和井眼曲率引起的正压力Ｎ1现有的摩阻和扭矩计算模式是根据"软绳"假设建立起来的，即钻具的刚度相对于井眼曲率可忽略不计．设一弯曲井眼上钻柱单位长度的重量为Ｗ，两端的平均井斜角为Ｉ，两端的平均方位角为 A 。
如果假定Ｙ轴在垂直平面内,•Ｘ轴在侧向平面内,把Ｎ1沿Ｘ和Ｙ轴分解,则: Ｎ1y=Ｔ×sin Ｉ + Ｗ×sin ＩＮ1x=Ｔ×sin Ａ×sin Ｉ(2) 钻柱弯曲产生的弯曲正压力Ｎ2钻柱通过弯曲井段时,由于钻柱的刚性和钻柱的弯曲,便产生了一种附加的正压力Ｎ2。
如图所示:Ｒ ＝ 18000/Ｋ/pi (m)Ｌ ＝ Ｒ×2×ΦΦ ＝ 2×Ｌ/ＲＬ1 ＝ 2×Ｒ×sin Φ (m)根据力学原理:Ｍ ＝ Ｅ×Ｉm ×Ｋ/18000*piＭ ＝ Ｎ2×(Ｌ1/2)-Ｔ×Ｌ1×sin Φ则有:Ｎ2 ＝ 2×Ｔ×sin Φ +2×Ｅ×Ｉm ×Ｋ/1719×Ｌ1这里:Ｋ － 井眼曲率 (°/100米)Ｌ － 井段长度 (米)Ｌ1 － Ｌ的直线长度 (米)IA T SINi w I T N sin sin )sin (1⨯⨯+⨯+⨯=Ｎ2 －附加正压力 (KN)Ｅ－弹性模量 (KN/m)Ｉm －截面惯性矩 (m^4)2、摩擦系数的确定在设计一口水平井时,我们可以利用邻井摩擦系数来预算摩阻和扭矩。
水平孔绳索取心钻进技术在金矿坑道勘探中的应用
水平孔绳索取心钻进技术在金矿坑道勘探中的应用常江华;凡东;刘庆修;史海岐;刘建林;杨伟峰【摘要】随着浅部可采资源越来越少,对老矿山进行深部和外围资源勘探的需求越来越迫切,坑道勘探是在老矿区进行深部资源勘探的一个捷径.结合太白县某金矿坑道勘探的钻孔需求,采用了绳索取心水平钻进工艺,合理选择钻机、钻具及辅助装备,完成了勘探工作,为国内采用水平孔绳索取心钻进工艺施工坑道勘探钻孔提供参考.【期刊名称】《探矿工程-岩土钻掘工程》【年(卷),期】2012(039)001【总页数】4页(P40-43)【关键词】水平孔;绳索取心;坑道;钻探【作者】常江华;凡东;刘庆修;史海岐;刘建林;杨伟峰【作者单位】中煤科工集团西安研究院,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院,陕西西安710077;中煤科工集团西安研究院,陕西西安710077【正文语种】中文【中图分类】P634.5太白县某金矿位于西秦岭中带，陕西省宝鸡市境内，矿区经历了自太古宙以来的多期造山构造运动，具有复杂的构造演化史，矿床受大型剪切带以及大型剪切带内或旁侧的剪切褶皱和剪切断裂的控制，属于较为典型的造山型金矿床。
矿石类型以破碎带蚀变岩型、构造蚀变岩型和石英脉型为主。
该矿目前正处于勘探阶段，已探明的矿带成扁豆形分布，矿带狭窄处不过几公分，但是金矿品位较高、易采、易选，主要赋存于黄铁矿和铁白云石中，伴生大量石英矿。
矿区以往采用的坑道炮掘勘探成本高、进度慢，难以满足该矿快速完成勘探、投入生产的急切需求。
矿方急需更加方便、低成本的勘探方法。
钻探取心勘探方法是一种相对方便、低成本的勘探方法，坑道钻探取心除了需要钻进垂直向下钻孔以外，经常需要沿矿床层带钻进近水平孔，取心方法有提钻取心和不提钻取心两种。
提钻取心虽然工艺施工简单，但随钻孔加深，所用时间及劳动量递增，不适用中深孔取心钻进。
水平井上部钻柱和底部钻具组合受力分析
收 稿 日期 ： ２ Ｏ ｌ ３ 一Ｏ ４ —１ ８
作者简介 ： 徐彦 （ １ ９ ７ ６ 一） ． 男， 助理工程师 。 现 工作 于大庆油田有 限责任公 司采油五厂三矿 注入 队。
２ ０ １ ３ 年第 １ ４ 期
徐彦 水平井上部钻柱和底部钻具组合受力分析
ｎ为计算 钻 柱微 元段 的段 数 。 ２ 上部钻 柱 轴 向力计 算
２ ． １ 基 本 假 设
１ ５ １
在 正 压差 ， 钻柱 与 井壁 或套 管 接触 后 ， 该 正压 差也会 形 成 一定 的摩 阻力 而影 响 钻柱 轴 向力 。
１ ． １ 钻 井液黏 滞 力
钻井 液 黏 滞力 主 要受 钻井 液 性 能 的影 响 ， 钻柱
为 了能够 准确 地计 算实 钻井 眼 中钻柱摩 阻及轴
热 量高 ， 平均 １ ８ ２ １ ｃ ａ ｌ ／ ｇ ； 油页 岩其 他工 业指 标 良好 ；
本 区资 源量储 量较 大 ； 具有 很好 的开 发潜 力 。
表６ 本 区 油 页 岩 剥 采 比分 析
［ 参 考文 献］
图 ２ 本 区油 页岩 资 源 量 估 算 示 意 图
［ １ ］ 施 国泉 ．油页岩 和 页岩 油［ Ｍ］ ．中国石化 出版
内钻 井 液黏 滞 力 方 向 沿轴 向 向下 ， 环 空钻 井 液 黏滞 力 方 向沿 轴 向向上 ， 具 体计 算 公式 如下 ：
钻柱 内钻井 液 黏滞 力 为 ：
Ｈ
向力 分布 ， 在 钻压传 导 分析 中作 如下基 本假设 ： ①井 壁 为刚性 ； ② 钻柱 与井 壁连 续接 触 ， 钻 柱轴线 与井眼 轴 线一 致 ； ③计 算 钻 柱 单 元体 为 空 间斜 平 面上 的一 段 等 曲率 圆 弧 ； ④ 钻 柱 单 元 体所 受 重力 、 正 压力 、 摩 阻力 、 钻井 液 黏滞力 和 压差 均匀 分布 ； ⑤ 不考虑 起下
长水平段水平井钻井技术难点分析及对策
长水平段水平井钻井技术难点分析及对策郭元恒;何世明;刘忠飞;敬承杰【摘要】长水平段水平井拥有直井和一般水平井无法比拟的技术优势。
然而由于其水平段较长、钻遇岩性的复杂多样、钻井液和钻具与地层接触时间长等因素使得在钻进和固井过程中存在很多技术难题。
为提高长水平段水平井的钻井技术水平，首先对钻进和固井中的技术难题做了归纳总结，再对不同的技术难题做了原因分析，认为长水平段水平井的钻进技术难题主要由水平段过长造成，而固井技术难题主要是由水平段延伸方向与套管和水泥浆的重力方向垂直或近似垂直造成；最后结合现场实践提出了优化井眼轨迹，优化钻井液、水泥浆性能，优化钻进、固井工具组合，优化套管下入方法等技术措施，提高了钻进效率和固井质量，对今后长水平段水平井的钻进和固井施工有一定的指导作用。
%Long lateral-section horizontal wells play an important role in exploiting oil and gas reservoir. Compared with vertical well and general horizontal well, it has unparalleled technical advantages. However, because of some factors such as long lateral-section, complex rock lithology, and long contacting time by drilling liquids or drilling tools and formation, many technical problems rise in the process of drilling and cementing. To raise the drilling level of long lateral-section horizontal wells, the paper summarizes these problems firstly, and analyses the reasons of drilling and cementing difficulties secondly. It concludes that the drilling difficultiesof long lateral-section horizontal wells are caused by thelong lateral-section, and the cementing difficulties are mainlycaused by the status of horizontal-section being vertical or approximately vertical to the gravity direction of pipe and slurry. Finally the paper proposes some measures such as optimizing well trajectory, optimizing the performance of drilling liquids and cement liquids, optimizing drilling and cementing tools, and optimizing the tripping method of casing, which raises the quality of drilling and cementing and brings some guid-ance on the drilling and cementing of long lateral-section horizontal wells.【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2013(000)001【总页数】5页(P14-18)【关键词】长水平段;水平井;钻井技术;钻井液;水泥浆【作者】郭元恒;何世明;刘忠飞;敬承杰【作者单位】中石化石油工程技术服务有限公司，北京 100101;西南石油大学石油工程学院，四川成都 610500;西南石油大学石油工程学院，四川成都 610500;塔里木油田塔中项目部，新疆库尔勒 841000【正文语种】中文【中图分类】TE22随着国内外石油与天然气勘探开发的不断深入，一些油气藏的开发效果很不理想，如：低孔低渗、垂直裂缝、小型圈闭、多层系、海上等油气藏，底水或气顶油藏、页岩气藏［1］。
某金矿水平绳索取心钻进钻头选型及试验分析
Ｂ ｃ ｕ ｅ ｏ ｅ ｃ ｍｐ ｅ ｅ ｌｇｃ ｌｃ ｎ ｉ ｏ ｓ ｈ ｓ ｄ ｂｔｗ ｓｎ ｔ ｌ ａ ａ ｔｄ ｔ ｍａ ｅｇ ｏ ｒ ｌ ｇｒ ｓ ｌ ．Ｔ ｒ ｕ ｈ ｔ ｅ ｅ ａ ｓ ｆｔ ｏ ｌ ｘ ｇ ｏ ｏ ｉａ ｏ ｄｔ ｎ ，ｔ ｅ ｕ ｅ ｉ ａ ｏ ｌ ｄ ｐ ｅ ｏ ｈ ｉ ｗｅ ｋ ｏ ｄ ｄ ｌ ｎ ｅ ｕｔ ｉ ｉ ｓ ｈ ｏ ｇ ｈ ｓ ｌ ｃｉ ｎ ｔ ｓ ｏ ｍｐ ｅ ｎ ｔ ｄ ｄ ａ ｎ ｉ ａ ｄ ｔｅ ｄ ｌ ｎ ｒ ｃ ｅｅ ｔ ｅ ｔ ｆｉ ｒ ｇ ａｅ ｉｍｏ ｄ ｂ ｔ ｎ ｈ ｒ ｌ ｇ ｔａ ｋ，ａ ａ ｙ ｉ ｗａ ｄ ｎ ｔ ｅ ｉ ａ ｔｏ ｏ ｚ ｎ ａ ｄ ｉ ｉｇ ｏ ｏ ｉ ｉ ｎ ｌ ｓ ｓｍａ ｅ ｏ ｈ ｍｐ ｃ ｆｈ ｒ ｏ ｔｌ ｒｌ ｎ ｎ ｓ ｉ ｌ ｔ ｅ ｂ ｔ Ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｏ ｅ ｏ ｅ ｔ ｃ ｈ ｉ ． ａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｂ ｒ ｈ ｌ ｒ ｋ，ｒ ｖ ｒｅ ａ ａ ｙ ｉ ｗ ｓ ｍａ ｅ ｏ ｈ ｅａｉ ｎ ｈ ｐ ｏ ｏ ｚ ｎ ａ ｒ ｌ ｇ ａ ｄ ｂ ｒｈ ｌ ａ ｅ ｅ ｓ ｎ ｌ ｓ ａ ｄ ｎ ｔ ｅ ｒ ｌｔ ｓ ｉ ｆ ｈ ｒ ｏ ｔ ｌｄ ｉ ｉ ｎ ｏ ｅ ｏｅ ｓ ｏ ｉ ｌｎ
２１ ０ １年第 ３ 第 ７期 ８卷
探 矿工 程 （ 土钻 掘 工程 ） 岩
中东某碳酸盐岩油田3000m超长水平段优化设计
54尽管目前国内外石油勘探的重点逐步转向深层油气资源，但随着技术的进步，水平井延伸极限不断被突破，超长水平段逐渐成为国内外非常规油气资源规模效益开发的重要手段[1]。
美国在2016年5月钻出了目前世界水平长度最长的页岩气井Purple Hayes 1H，水平段长达5652.2m [2]；中国长庆油田在2021年6月钻出亚洲水平段最长纪录的H90-3井，水平段长达5060米[3]。
由于超长水平段水平井技术能大幅提高单井产量和最终采收率[4]，因此该类井型就成为开发中浅部油气藏的可选手段之一。
相比直井和常规水平井，超长水平段更加有利于油气资源的高效开发，但它同时也给后期钻井施工带来了诸多技术难点。
如何在装备和工具资源受限的前提下，在白垩系灰岩储层段完成3000m水平段就成为钻井技术人员需要思考的问题。
本文拟通过调研和软件模拟，从轨迹优化、钻柱优选、参数优化和完井管柱下入等方面进行分析比对，为中东某油田碳酸盐岩储层试钻3000m 水平段制定优化方案。
1 基本情况简介目标油田处于弱伸展构造环境，其浅部构造形成了一系列NW-SE走向的断层和长轴背斜。
该油田近期沿最大水平主应力方向钻多口水平井，水平段未发生井壁失稳。
目标井设计为四开次井身结构，其中二开直井段以黏土为主，含细粉砂岩，局部石膏含量高达90%以上，易坍塌和缩径；三开造斜段，岩性复杂，含钙质白云岩、泥晶、鲕粒状灰岩、泥质石灰岩夹杂页岩，部分井段为脆性页岩，易坍塌、掉块，已钻井局部页岩曾发生周期性坍塌；四开水平段钻白垩系碳酸盐岩。
选择本井为试验井，设计延长水平段至3000m，最大程度增加边部单井控制储量，由构造高部向低部延伸。
初步设计造斜点KOP @ 1900m，造斜段采用“增-稳-增”的轨迹方案，控制狗腿度小于4°/30m；在2699m以88.33°倾角着陆；水平段方位116.85°，段长3000m，靶前位移424m，水平段呈89°下倾，水平段控制狗腿度小于2°/30m。
水平孔绳索取心钻进技术在金矿坑道勘探中的应用
水平孔绳索取心钻进技术在金矿坑道勘探中的应用而绳索取心则有着地质效果理想、施工效率高的优势，还能够显著降低工人的工作压力，是一种理想的钻进方法，使用水平孔绳索钻进技术能够在深部资源钻进中取得理想的经济效益，本文主要分析水平孔绳索取心钻进技术在金矿坑道勘探中的应用方式。
标签：水平孔绳索取心钻进技术；金矿坑道勘探；应用【Abstract】and wire line coring is a geological effect is ideal，high construction efficiency advantages，but also can reduce the working pressure，the drilling method is an ideal，the use of horizontal hole drilling technology can obtain the ideal rope in deep drilling in economic benefits，this paper mainly analyzes the horizontal hole rope coring drilling technology in prospecting for gold in the tunnel application.【Key Words】horizontal hole wire line coring drilling technology in tunnel exploration；gold deposit；application钻探取心勘探法是一种新型勘探模式，该种勘探模式有着成本低廉以及施工便捷的优势，在取心时不仅需要垂直向下的钻孔，还需要水平方向的钻孔，取心方式主要包括提钻取心与不提钻取心两种形式。
前者施工方式简单，但是随着钻孔深度的加深，需要的劳动量与钻孔时间也越来越大，因此，其应用范围也受到一些限制。
杏6-1-平35井水平段取心钻具设计
摘
要 ： ６ 一平 ３ 井取心属水平段长距离取心， 心钻 具设计需 满足取心和井 眼轨道控制要 求．考 虑取心钻 杏 —１ ５ 取
具 结 构 ， 用 取 心 钻 具 力 学 分 析方 法 ， 析 转 盘 和 螺 杆 复 合 驱 动 的 ３种 取 心 钻 具 组 合 （ 斜 、 斜 、 斜 ） 优 选 稳 定 器 外 采 分 稳 降 增 ，
文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ０—１ ９ （０ ７ ０ ０ ７ １０ ８ １２ ０ ）６— ０４—０ ３
中图 分 类 号 ： Ｅ ４ Ｔ ２３
０ 引 言
、
、
杏 ６ 一平 ３ —１ ５井 位 于松 辽盆 地 中央坳 陷 区大 庆 长垣 杏 树 岗背 斜 构造 ， 井设 计 要 求在 ４ ６ ２ｍ 水 钻 ９．
采 用 取心钻 具力 学分 析方 法 ， 计和优 选 能够满 足水 平段 长距 离取 心的钻 具组合 ． 设
１ 水 平 段 取 心 钻 具 力 学分 析
选 取取 心钻 具组 合为研 究对 象 ， 形前 钻具 轴线 为 已钻井 眼的轴 线形 态 ， 般 由测 斜数 据经数 学 回归 变 一 得出， 是一 条任 意 曲率 的空 问螺 旋线 ； 钻具 的几 何结构 主要 是环 状 的轴对称 结构 ， 其环形 可 以任 意变化 ， 钻
作 者简 介 ： 邹
・
野 （ ９ ６ ） 男 ， 级工 程 师 ， １５一 ， 高 主要 从 事 钻 井 工 程 方 面 的研 究
７ ・ ４
维普资讯
第 ６期
邹
野等 ： ６ 一平 ３ 杏 —１ ５井 水 平 段 取 心钻 具 设 计
和拼 装过 程 ， 到取 心钻 具 的总体 平衡 方程 为 得
不同曲率井段的取芯筒长度优选
４３ ７
的变形 ， 因此可将井 壁作为 刚体处理 ， 井壁 单元选 用
Ｓ ＬＤ ８ Ｏ Ｉ １５单元 ， 采用 提高井壁 弹性 模量 的方 法来 模 拟刚体 ， 型 中共 创建 ２个 接触对 ， 模 分别是 取芯 钻具 外上表 面与井筒 高边之 间的接触对 和取芯 钻具外 下 表面与井 筒低边之 间的接 触对 （ 图 ３ 。 见 ）
分析时必须 给予考虑 。用虚位移 原理建 立有 限元 平
的支持 力 Ⅳ 作 用 。其 中井 底 对 机 组 的 约 束 反 力 Ｆ ＝Ｆ ＋Ｇ ｏ ｆ， 为井筒 轨迹 的井 斜角 。由于 ｃｓ ０一 ０ 取芯钻具 在弯 曲井 筒 内的变 形 属 于大 变形 范 围 ， 其
几何方程 是非线性 的 ， 以又称 为几何 非线 性 问题 ， 所
第一作者简介 ： 李治淼 （９ ６ ） 黑龙江省 五常市人， １７ 一 ， 讲师 ， 硕士／ 博 士研究生 ， 研究方 向： 油气田管柱力学与井下工 具研 制。Ｅ ｍ ｉ ｌ — ．ａ ：ｍ ｌｚ
ｄ ＠ １ ３． ｏ ｉ ｑ ６ ｔｎ 。
２ 期
李 治 淼 ， ： 同 曲率 井 段 的取 芯 筒 长 度优 选 等 不
关键 词 曲率段
取芯筒
弯 曲应力
长度优选
中图法分类号
Ｔ ２ ４ Ｅ４ ；
文献标志码
Ａ
较长 的取 芯筒 可 以提 高 取 芯作 业 效 率 ， 由于 但 水平井 井眼 曲率变化大 、 螺杆钻 具定 向钻井 段长 ， 在
将取 芯钻具下 至水 平 井 中通 过 曲率 段 时 ， 钻具 会 发 生较 大 的 弯 曲变 形 、 承受 较 大 的 弯 曲应 力 … ， 重 严
２０ ０９年 １ Ｏ月 ９ Ｅ收 到 ｔ 国家 自然 科 学 基 金项 目 （０ ７０ ７ 资 助 １６ ２３ ）
合水油田水平井水平段取心工艺技术与应用
合水油田水平井水平段取心工艺技术与应用田逢军;王万庆;倪华锋;杨光;周朏【期刊名称】《钻采工艺》【年(卷),期】2018(041)002【摘要】长庆油田近几年大量施工水平井,但储层非均质性强,迫切需要开展水平井水平段取心及其后续分析工作,精确掌握储层展布规律,为后期油藏整体有效开发提供理论依据和技术支撑,决定在合水油田GP41-65井进行水平井水平段取心试验.为减少取心施工风险,在该井设计阶段甲方、设计单位与施工方沟通交流,优选取心井段,设计水平井轨迹有利于取心.施工方优选取心工具,精准控制井眼轨迹,优化钻井液性能,优选钻具结构、钻井参数.积极试验螺杆钻具加取心工具钻具组合取心,水平段连续取心8趟取心进尺53.53 m,收获率100%,取心质量及井身质量合格,该水平井水平段取心成功,为2015年长庆油田水平井钻井技术新突破,为后续水平井水平段取心具有重要的指导意义.【总页数】3页(P125-126,129)【作者】田逢军;王万庆;倪华锋;杨光;周朏【作者单位】川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司;川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司;川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司;川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司;川庆钻探工程有限公司长庆钻井总公司【正文语种】中文【相关文献】1.合水油田长6油藏水平井结蜡机理研究 [J], 潘瑞娟;郑建刚;李继彪;王牧;张桓2.合水油田长6油藏水平井清防蜡剂研究 [J], 李继彪;魏江玲;代莎;马文庆;潘瑞娟3.长庆油田陇东超1500水平段油井水平井钻井工艺技术 [J], 易磊;谭学斌;李秀明4.合水油田水平井常规压井技术 [J], 苏明健;赵远航;槐洁;王月萍;5.套管水平井多级多段分注工艺技术与应用——以红河油田A井为例 [J], 熊佩因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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水平段大段取心钻具力学分析与设计
油田开发后期有大量的剩余油,水平井取心可以为剩余油分布规律的科学描述提供重要资料,对油田后续开采具有指导意义。
本文建立了取心组合钻具受力变形分析的三维有限元模型。
应用ANSYS软件的大变形、接触非线性理论对取心钻具在不同井身剖面的受力变形进行分析计算,对不同曲率井段的取心筒长度进行了优选,为取心钻具的通过能力评价提供了新的研究方法。
根据水平段取心时钻具工作状态,对取心筒进行了弯曲刚度等效,考虑了满筒和空筒的重量、钻具结构与井壁的间隙和接触状态、井眼曲率等因素的影响,建立了取心钻具受力变形分析模型。
针对钻具与井壁在不同井深和不同井眼圆周方向上的随机接触摩擦,应用“多向接触摩擦间隙元”和空间梁单元对取心组合钻具非线性力学问题进行了有限元分析,得到取心组合钻具与井壁的接触状态和钻头处的受力变形值。
应用“水平段取心钻具组合设计与力学分析”软件,依据取心钻具力学分析与钻具造斜性能计算结果,设计出适合于转盘和螺杆复合驱动进行取心作业的稳斜、微降、单稳定器增斜和双稳定器增斜4种钻具组合,计算了井眼尺寸、稳定器外径等因素对钻具造斜性能的影响规律。
在杏6-1-平35井实验中应用了3种钻具组合,共取心58筒,取心总进尺339.31m,总芯长为336.41m,总收获率99.15%,3种钻具在水平段取心时的井眼轨迹预测准确率为92.88%,完全满足了水平段大段取心时井眼轨迹控制技术要求,为水平段大段连续取心的钻具设计提供了可靠的理论分析方法和实用的钻具组合。