61、中海石油研究中心]可控偏心器旋转导向钻具组合的性能分析

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1、可控偏心器旋转导向钻具组合的性能分析李汉兴1'姜伟'高德利2（1冲海石油研究中心2.中国石油大学，北京102249）【扌商要】根据可控偏心器旋转导向钻井工具系统的结构特点，运用纵横弯曲法建立了可控偏心器BHA性能分析模型，从理论上分析了井斜、钻压、BHA结构参数等对BHA力学性能的影响。计算结果表明：可控偏心器的造斜能力受井斜和钻压的影响较小，而偏心量的大小、可控偏心器至钻头面的距离等影响较大。当进行增/降斜作业时，可通过调整可控偏心器的结构参数和稳定器位置，同时控制钻头压降，便可达到定向控制目的。旋转导向钻井技术，是20世纪90年代初发展起來的一项自

2、动导向控制井眼轨迹的钻井新技术，它不同于传统的井下动力钻具滑动导向控制方式，不仅能够在旋转钻进过程中自动调整井斜和方位，而且可以有效地提高钻井速度和井眼轨迹控制质量，从而受到国内外普遍关注和欢迎°国外钻井实践证明，在复杂深井及复杂结构井工程中推广应用旋转导向钻井技术，既提高了控制精度和钻井速度，又减少了井下事故和降低了钻井成本。IT前，国外主耍有3种类型的旋转导向钻井系统投入商业应用，即：AutoTrak旋转闭环钻井系统、PowerDrive调制式全旋转导向钻井系统和Geo-Pilot旋转导向钻井系统。为打破国外技术垄断，降低钻井作业费用，国内学者也对

3、该技术进行了攻关研究。在“十五”期间，屮海石油研究屮心联合西安石油学院、屮油集团勘探开发研究院、西南石油学院、屮海油田服务有限公司、屮海油天津分公司等单位，承担了国家“863计划”研究项目“可控三维轨迹（闭环）钻井技术"课题,研制和开发了我国第一套具有自主知识产权的旋转导向钻井系统，并进行了陆地和海上现场试验，取得了初步效果。现场试验表明，底部钻具组合（bottomholeassembly,简称“BHAT对工具的造斜率影响较大。如何合理配置可控偏心器旋转导向钻井工具底部钻具组合，是实现旋转导向钻进的关键z—。木文旨在通过BHA分析，对可控偏心器旋转导向

4、钻井系统合理配置BHA提出一些建议。1数学模型可控偏心器旋转导向钻井系统如图1所示。可控偏心器安放在靠钻头位置，其后面串接1个或多个钻柱稳定器，为了减小上部的钻柱力学性能对底部钻具组合导向性能的影响，可串接1根柔性短接。在旋转导向过程屮，可控偏心器偏心产生的钻头侧向力和钻头转角起主要的导向作用⑴。如图2所示。钻头可控偏心器稳定器柔性矩接MWD+LWD稳定器钻熒（3）钻头可挂偏，漓稳定器MWD+LWD稳定器钻诞(b)图1可控偏心器旋转导向钻井系统底部钻具组合Q平面A图2可控偏心器装置角示意图可控偏心器装置角的定义：从钻头上方向下看，从井斜平面P平面顺时针

5、旋转到偏心量矢量方向所转过的角度，即为装置角Q也称工具面角)。设可控稳定器使钻柱中心相对于井眼中心产生的偏心量为△，规定指向井眼高边时为正，指向井眼低边时为负，装置角为Q,则可控偏心器产生的偏心量在井斜平面P上的分量为：=AcosQ(1)可控偏心器产生的偏心量在方位平面Q上的分量为：=Asiifl(2)通过调节偏心量在井斜平面上的分量的大小及方向就可以控制钻头的造斜力大小及方向。而钻头的变方位力的大小及方向主要受到偏心量在方位平面上分量的调节。因此可控偏心器井下钻具组合的三维力学问题被转化为二维问题来分析。本文将通过对井斜平面内可控偏心器钻具组合的受力

6、及变形分析，确定不同井斜情况下，井斜平而内的偏心量与钻头造斜力的关系。而方位平面内的偏心量与钻头变方位力的关系可以依照类似方法建立。按照纵横弯曲法建立可控偏心器［2］井底钻具组合三弯矩方程如下(图1(b))：Z(“+(翕y(w.)+拾如2)Mj+厶6E/,24EA2(3)对于可控偏心器处，有：=0对于笫一固定稳定器处，有:L26EI；£畑)+£[3EI2-3EI,“)”+盒如网+籍X")(4)I*厶)'24E/,对于第二固定稳定器处，有:為Zg)M,+6E/3Ix(“)++硕®)+对于切点处，有：34$3一)‘2>7->3(5)=0上述各式中,必JX(

7、陶)+丄姓Y(ut)+Z(uT)Mf+为—必=KyL24EItt3EI.『6EItt3Lr吩’(6)Nf—上切点处的内弯矩Mp=KPEI、TP"+1Ui、X(Ui)、Y(Ui)、Z(u.)——的稳定系数和放大因子;第i个稳定器处的y坐标⑵；y=^L}+^121(7)y.(8)i=2,3(9)D()——井眼直径；Dsi——第i个稳定器的外径通过对以上方程组编程计算，就可以得到可控偏心器位移与造斜力之间的关系。钻头处的造斜力Pa⑵为：Pa=PbN_Miq、L(10)钻头倾角［21：(11)2带可控偏心器的BHA分析ID:e45iranID:e76iran

8、0.7in3.7m12.7m图3带可控偏心器的BHA°216mm呼字号叫216俪0D:①188