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（dI）和等效抗弯刚度（dEI）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

312fff

而

3248dPLffEI

则

348dPLEIf

和

348dPLIfE （3-19）

所以只要能测出f即可求出EId和Id。为简便起见，设等效钻铤材料为钢，6252.110/2.05810MPaEkgfcm。

（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)jfj；

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iP，记下百分表读数jif；

④由百分表读数计算()jif和()djiI

11()()idjdjiIIi

11()jddjIIj

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fP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fP曲线

表3-1LZ165-1型螺杆钻具等效抗弯刚度测定实验数据记录

i 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Pi,kgf 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450

33,10ifcm 0 51 94 157 201 275 336 380

427 479

由表3-1中数据可求出

43(I)2258()dcm

对5个百分表的测量数据进行计算，求出的总体等效截面轴惯性矩Id值与此相近。

总体等效抗弯刚度

92102EI4.741810()4.64710(N)dkgfcmcm

2）实验2

（1）目的。

用实验方法确定LZ165-I型螺杆钻具钻头侧向力与钻头侧向位移间的关系，以消除传动轴扶正轴承橡胶大变形对动力对动力钻具刚度的影响，找出传动轴外壳参与钻具整体变形的侧向力临界值，为动力钻具的力学计算提供依据。

（2）原理。

传动轴总成部分的受力简图如图3-9所示。钻头侧向位移和侧向力之间的关系曲线应该由两部分组成：第一部分为曲线（非线性关系）；第二部分为直线（线性关系），线性关系的起始点所对应的侧向力即为所求的临界值。

（3）实验方法与步骤。

○1把螺杆钻具加提升短节（代替钻头）放置在钻具拆装架上（如图3-10），并加紧以消除钳口机构存在的间隙；

○2把百分表放置在图示位置并调零；

○3用天车和弹簧拉力计产生拉力iP，并记下相应的百分表读数if；

○4重复上述加载过程。

图3-9 动力钻具侧向临界值的测定原理

图3-10 动力钻具侧向力临界值的测定实验方法

表3-2列出了有关的实验数据记录，作fP曲线如图3-11所示，可以看出A点对应的侧向力值即为临界侧向力cP，50kgf490cPN。当 P>50kgf时，测点位移与力显示了良好的线性关系。

表3-2

LZ165-I型螺杆钻具钻头侧向力临界值测定实验数据记录

i 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17

Pi,kgf 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 450 400 450 500 550

Δfi,10-3cm 0 107 154 184 214 249 286 318 340 375 415 447 477 544 608 673 740 808

图3-11 实验2的fP曲线

（4）数据分析。

应该指出，实验2中的钻具是呈水平放置在拆装架上，在加载过程中，拉力P中的一部分用以客服传动轴自重的影响。钻具放置的位置不同，所测出的临界侧向力值也将不同。当钻具水平放置时，所测出的cP值最大，max50cPkgf；当钻具铅垂放置时（传动轴自重对cP的影响将不存在）所测出的cP值最小。根据螺杆钻具的结构情况，此时min25cPkgf。

螺杆钻具在井下进行造斜和扭方位作业时，将处于不同的井斜角条件下，因此可取 25~50cPkgf

考虑到大多数工况中井斜角较小，所以，一般认为cP略大于25kgf。实验表明，只要施加给钻头的侧向力大于临界值cP，钻头的位移、钻具的挠度和钻头侧向力间即具有良好的线性关系，而在实际钻进过程中，钻头上的侧向力远大于cP。这一事实说明把井下动力钻具简化为等效钻铤这一方法是合理的，其结果对工程计算具有足够的精确性。

3.基本假设和力学模型

在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时，采用如下的基本假设：

（1）弯接头以下的动力钻具组合被简化为等效钻铤（均匀、连续的等圆环截面梁柱）。

（2）钻具组合在变形前后，其弯接头弯角顶点处的两条切线保持不变。

（3）井壁呈刚性，且弯接头肘点与井壁为点接触。

（4）钻头中心在井眼中心线上，且井眼轨道为等截面圆柱体。

（5）钻压为常量，其方向沿钻头处井身中心线的切线。

（6）不考虑钻头动载、转动和钻具振动等动态因素的影响。

（7）不考虑地层力和地层力偶的作用。

以上的7条基本假设，除（1）、（2）两条外，其余均为用纵横弯曲法在分析转盘钻井底钻具组合时所采用的常规假设，也是其他几种分析方法所共同遵循的。

弯接头-井下动力钻具组合受力与变形的力学模型如图3-12所示。图中为二维井身，自上切点T往下的弯接头-井下动力钻具组合被简化为双跨纵横弯曲连续梁oBT，aP为井壁作用于钻头的侧向反力。

图3-12 用纵横弯曲法分析弯接头-井下动力钻具组合的力学模型