纵横弯曲法对钻具组合的三维分析

定向井的井身曲线在曲率上的变化是由于钻头在钻进时受到有侧向力作用的结果。“纵横弯曲法”把一个多稳定器的钻具组合当成为一个连续梁柱来分析。本文则将此法扩充应用于组合的三维分析而把一个较为复杂的三维问题分解为两个简单的二维问题以解出两个侧向力分量,其中一个要造成井斜角的变化,一个要造成方位角的变化。

定向钻井过程中的三维井身随钻修正设计与计算

在定向钻井中,由于诸多因素的影响将使实钻井眼轨道偏离设计轨道。为了保证准确钻达靶区,当实钻井眼离开原设计曲线已有较大偏差时,在钻井过程中有必要进行轨道的修正设计。这种设计一般是三维的。本文论述了这种三维随钻设计的性质,提出了两种修正方案,并对每种方案推导了具体的方程组,运用牛顿迭代法编程,可在微型计算机上运算求解。文中给出了两则算例,结果表明,这种设计计算方法简单精确,便于普及应用。

硬脆性泥页岩井壁稳定问题研究

含节理裂隙的硬脆性泥页岩井壁坍塌是钻井工程中的难题。本文应用损伤力学理论，从岩体的变形能出发，建立了节理裂隙岩体的弹性损伤——断裂力学模型。由裂纹变形能推导出含节理裂隙的硬脆性泥页岩等效弹性损伤柔度张量，并推导出含节理裂隙岩体的真实应力求法。此力学模型将节理面几何特性与宏观力学特性联系起来。在预测此类岩石保持井壁稳定的泥浆密度时，只需知道损伤参数和完整岩石的强度参数，即可求出防止井壁坍塌的泥浆密度。

考虑井壁岩石损伤时保持井眼稳定的泥浆密度

钻井施工中保持并眼稳定的措施之一是确定合适的钻井液密度。本文采用摩尔－库仑屈服条件，考虑材料损伤后的应变软化特性，对井壁岩石进行力学分析，给出维持井壁稳定的泥浆密度。

用纵横弯曲法对弯接头——井下动力钻具组合的三维分析

对弯接头-井下动力钻具组合进行三维分析,可确定钻头上的变井斜力和变方位力,以满足对定向井井眼轨道进行定量预测和控制的需要,本文用纵横弯曲法建立了弯接头——井下动力钻具组合的力学模型,提出了关于连续条件的一般命题和处理弯接头弯角的两种等效方法,提出了等效钻铤假设并用力学实验方法确定动力钻具的等效抗弯刚度,推导了装置角为任意值时的计算弯角公式,建立了在三维井身条件下弯接头-井下动力钻具组合受力分析的普遍方程以及在一维、二维分析中的简化形式。这些结果可用来定量计算各种带有动力钻具的井底组合在各种井身条件下的钻头变井斜力和变方位力、钻头倾角、各点挠度、支点处内弯矩和转角值等。本文进一步分析了钻具结构参数、井身几何参数和工艺操作参数对钻头侧向力的影响,其中影响最大的是下部组合长度、弯角和装置角。现场验证证实了上述理论分析的正确性。

定向井轨道控制中的地层力分析与验证

地层力是影响定向井井眼轨道的一个重要因素.为了预测和控制井眼轨道,必须对地层力进行定量分析.本文提出了钻头各向切削指数、钻头各向切削异性指数和综合切削各向异性指数等新慨念,在此基础上,考虑实际钻头的各向切削异性、地层各向异性、地层倾角、钻压、钻头倾角、体积破碎和表面破碎等因素,推出了地层自然造斜力的普遍表达式和各种简化条件下的相应计算公式。本文运用钻压圆锥方法,考虑地层走向的影响,进一步导出了在定向钻井中计算地层变井斜力F_α和地层变方位力Fφ的一组公式。导出了临界地层倾角方程,对钻头趋向问题的经验说法作出了定量解释。文中给出多例验证,表明了上述理论分析与钻井实践具有较高的相符程度。

定向井控制技术中套筒型钻井变向器的理论分析

提出了用套筒型变向器钻具组合控制井眼轨道钻井新工艺,可以避免应用井下动力钻具,提高钻井速度和质量,是钻井工艺革新的方向之一。应用纵横弯曲理论提出对变向器的三维力学定量分析方法,并进行全面理论分析。结果表明,改变变向器有关参数能调整及提高变向能力;采用变向器下端接小角度弯接头等方法,可以克服井眼扩大所产生的不利影响,同时提高变方位和造斜能力,从而推演出影响新工艺的内在规律,显示了变向器具有宽广的应用前途。通过在大庆等油田进行现场试验,获得满意的试验效果。反映了理论与实际的一致性。

大斜度井围岩应力和位移的粘弹性分析

大斜度井井眼钻成后，由于岩石蠕变而常发生井眼缩径，使钻具、套管和测井仪器难以下到井底。本文应用粘弹性理论，对大斜度井井眼周围岩石的应力和位移进行了分析，推导出井眼径向位移与井斜角、井眼方位、稳定周期及钻井液密度的关系式，并导出在给定条件下，求解钻井液密度和稳定周期的计算公式。本文的分析和给出的计算公式对钻井设计和施工具有指导意义。

斜直井井壁张性裂纹的位置及走向与井眼压力的关系

预测井眼内张性裂纹的位置和走向是十分重要的。油气田开发人员可以根据裂纹的位置和走向布置开发井和注水井井网。钻井施工人员可以根据井眼破裂时的井眼压力选择安全的钻井液密度和确定套管下入深度。本文应用弹性力学理论,给出了井壁周围的应力分布公式。由最大有效主应力准则确定张性裂纹的位置和走向,以及井眼压力、井斜角和方位角对裂纹的起裂和走向的影响。由裂隙断裂条件分析了垂直于井眼轴向破裂的情况。由上述分析可以确定井壁可能发生的张性破坏形式。