复合钻具组合力学分析

3复合钻具组合

3.1复合钻具组合简介

复合钻进技术，即螺杆+PDC钻头或牙轮钻头钻井技术，但是一般应用螺杆+PDC钻头，目前在油田被广泛使用。其原因包括：一是高效PDC钻头对付某些地层的优势明显大于牙轮钻头；二是近年来螺杆钻具的质量不断提高，寿命大大加长，所以和PDC钻头匹配，可充分发挥PDC钻头的效能；三是在深井、小井眼中常规钻井的动力损耗很大，并且容易出现套管磨损及钻杆疲劳破坏，而复合钻进技术是利用井底马达直接驱动钻头，动力损耗很小，改善了钻具在井下的工况，从而提高了钻井的安全性。螺杆钻进的同时，启动转盘有以下目的:防止钻具被卡，减少钻具“偷压”直井中防止井斜，维持钻头沿垂直力方向钻进，在定向井中的稳斜段维持钻头沿原井斜和方位钻进(使用弯螺杆)；协助螺杆辅助钻进。

3.2纵横弯曲法对弯接头-螺杆钻具组合受力变形分析的理论扩展

与钻具钻井底部钻具组合不同，使用弯接头-井下动力钻具组合钻进时，由于存在工具面和装置角（又称工具面角）Ω，当Ω0

时，即使钻具组合位于一维井身或二维井身内，问题的性质也是三维的。也就是说，此时不仅存在钻具组合因弹性变形而造成的钻头造斜力，同时也存在相应的钻头变方位力。再加上造斜段的井斜角一般较小，于是更易造成方位漂移。所以，从理论上定量分析这种造斜力和变方位力，从而悬着、控制井斜变化率和方位变化率，对于定向钻井尤其是从式钻井是非常重要的。但要用纵横弯曲法求解弯接头-螺杆钻具组合的受力和变形，还必须进行理论上的扩展。

1.问题的性质及处理方法

在对弯接头-螺杆钻具组合进行受力与变形的分析计算时，由于其结构上的特点，将和对钻盘所用的井底钻具组合存在以下主要区别：

（1）钻盘所用的井底钻具组合，自钻头到第一个稳定器间的部分（第一跨）一般是由同种规格的钻铤所组成（不计钻头和钻铤的配合接头），并且沿轴向具有相同的抗弯刚度；而井下动力钻具却因自身的结构（如对螺杆钻具，自下而上由传动轴总成、万向轴、单螺杆马达总成和旁通阀组成），其抗弯刚度沿轴向是变化的，因此直接采用纵横弯曲法存在困难。

（2）钻盘所用的井底钻具组合，在受力变形前其轴线为直线，不存在结构

弯角；而弯接头-井下动力钻具组合因存在弯接头而造成的结构弯角，因而也不能按前面所述的那样来分析这种钻具组合。

（3）弯接头-井下动力钻具组合因存在结构弯角，所以弯接头上、下俩部分的轴线决定了一个平面，即工具面。在采用弯接头-井下动力钻具组合进行钻进时，如果定向不准或扭方位就存在装置角问题，如图3-5所示。

图3-5 装置角与平面P、R、Q间的关系

装置角定义如下：从钻头上方向看由井斜平面P顺时针旋转而达到工具面所转过的角度，即为装置角（又称工具面角）。

显然由于装置角Ω的存在和变化，增加了问题分析的复杂性和难度。这是对弯接头-井下动力钻具组合进行受力分析和变形分析时所面临的又一特殊问题。

因存在上述三点差异，所以必须进行如下几方面的相应处理，然后方能用纵横弯曲法分析弯接头-井下动力钻具组合的受力与变形。

2.井下动力钻具的等效截面惯性矩、等效抗弯刚度和临界侧向力的实验测定

为了用纵横弯曲法分析弯接头-井下动力钻具组合的受力和变形，须首先进行如下简化处理：把该钻具组合（BS-DHM）的第一跨（即弯接头弯点以下的部分，包括钻头、配合接头、动力钻具和弯接头的一段）视为一根等效钻铤。等效钻铤在以下几个方面与原钻具组合的第一跨总体等效。

（1）外径；

（2）长度；

（3）重量（或线重量）；

（4）受力后产生的弯曲挠度。

等效钻铤是一个均匀、连续、具有相同的圆环横截面的梁柱，其截面轴惯性矩（d I ）和等效抗弯刚度（d EI ）分别称为动力钻具的等效截面惯性矩和等效抗弯刚度。引入等效钻铤假设后，即可采用纵横弯曲法进行受力变形分析。

由于涡轮钻具和螺杆钻具内部结构比较复杂，不仅截面形状和尺寸随轴向长度发生变化，而且材料也有变化（钢、橡胶等），因此，也需要从理论上不易准确计算其等效抗弯刚度和等效截面轴惯性矩，须由实验确定。

另外，由于动力钻具的传动轴部分可能存在橡胶扶正轴承（如LZ165型螺杆钻具），当有侧向力作用于钻头时，必然会存在因橡胶大变形而产生的临界侧向力；当侧向力连续增加时，才比较真实地反映简支梁的受力变形关系。因此，也需要从理论上进一步确定该临界侧向力值的大致范围。

下面以国产LZ165-1型螺杆钻具为例，进行下述两项实验。其实验原理和方法也适用于其他类型的螺杆钻具和涡轮钻具。

1）实验1 （1）目的。

用实验方法测定LZ165-1型螺杆钻具的等效抗弯刚度和等效截面轴惯性矩。 （2）原理。

根据材料力学，图3-6（c ）所示简支梁的受力与变形等于(a)、(b)两图的叠加。

(a)

(b)

（c ）

图3-6 动力钻具等效抗弯刚度测定原理

因此

312f f f =+

而

3

248d PL f f EI =∆=

则

3

48d PL EI f

=

∆ 和

3

48d PL I fE

=

∆ （3-19） 所以只要能测出f ∆即可求出EI d 和I d 。为简便起见，设等效钻铤材料为钢，

6252.110/ 2.05810MPa E kgf cm =⨯=⨯。 （3）实验方法与步骤（见图3-7）

图3-7 动力钻具等效抗弯刚度测定的实验方法

①把螺杆钻具加提升短节（代替钻头）后水平放置在固定液平台上的两个台钳上，加紧以消除钳口机构存在的间隙；

②把5个百分表放于图中位置，记下表的读数0(1~5)j f j =；

③在螺杆钻具（包括提升短节）的中点系钢丝绳，连弹簧拉力计并和天车吊钩相连，启动提升机构，产生向上的拉力i P ，记下百分表读数ji f ；

④由百分表读数计算()ji f ∆和()d ji I

11()()i

d j d ji I I i =∑

1

1()j

d d j I I j =∑

例如在实验中，梁跨中点的百分表的测量数据如表3-1所示。其f P ∆-的关系曲线如图3-8，可见二者存在较好的线性关系。

图3-8实验1的f P ∆-曲线