隨鉆擴(kuò)眼工具結(jié)構(gòu)及與之相匹配的鉆具組合設(shè)計(jì)方法研究.pdf

1、隨鉆擴(kuò)眼鉆井工藝是一種用于井身結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提高固井質(zhì)量、提高鉆井效率、降低作業(yè)成本等方面的應(yīng)用技術(shù)，但由于對(duì)隨鉆擴(kuò)眼工具的結(jié)構(gòu)、鉆具組合設(shè)計(jì)、階梯井眼巖石特性等方面認(rèn)識(shí)的不足，限制了該工藝的應(yīng)用和推廣。從目前鉆井技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r來(lái)說(shuō)，即便是使隨鉆擴(kuò)眼鉆進(jìn)的效率和每米鉆井成本達(dá)到目前常規(guī)鉆進(jìn)的水平，該項(xiàng)技術(shù)也可為鉆井工程帶來(lái)重大的效益和進(jìn)步。因此，進(jìn)行隨鉆擴(kuò)眼工具結(jié)構(gòu)及與之匹配的鉆具組合設(shè)計(jì)方法研究，具有很高的應(yīng)用價(jià)值和實(shí)際意義。 首先

2、從隨鉆擴(kuò)眼工具力學(xué)模型出發(fā)，應(yīng)用有限元方法，計(jì)算出擴(kuò)眼工具的受力和變形情況，作為其底部鉆具組合模型建立的依據(jù)。應(yīng)用彈性力學(xué)基本原理，得出了雙體隨鉆擴(kuò)眼工具可以作為剛體，其領(lǐng)眼鉆頭與擴(kuò)眼體之間臨界長(zhǎng)度的計(jì)算表達(dá)式。根據(jù)縱橫彎曲梁理論，得到了適合于隨鉆擴(kuò)眼工具底部鉆具組合的力學(xué)參數(shù)求解方法，結(jié)合鉆頭與地層各向異性理論，建立了底部鉆具組合參數(shù)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法。 其次，為解決隨鉆擴(kuò)眼鉆進(jìn)時(shí)領(lǐng)眼和擴(kuò)眼井底鉆壓分配比的計(jì)算問(wèn)題，根據(jù)彈性力學(xué)原

3、理及巖石力學(xué)理論，通過(guò)對(duì)階梯形井底巖石力學(xué)特性的分析，提出了“階梯效應(yīng)指數(shù)”的概念，并根據(jù)巖石破壞的應(yīng)變能密度準(zhǔn)則推導(dǎo)出了“階梯效應(yīng)指數(shù)”的計(jì)算表達(dá)式，得出了用階梯效應(yīng)指數(shù)與擴(kuò)眼工具結(jié)構(gòu)參數(shù)為變量表示的階梯井底鉆壓分配比計(jì)算方法。結(jié)果表明隨鉆擴(kuò)眼形成的階梯式井底巖石要比領(lǐng)眼井底巖石接近屈服狀態(tài)，實(shí)際鉆壓分配比小于幾何結(jié)構(gòu)定義的鉆壓分配比。 采用理論和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)隨鉆擴(kuò)眼工具動(dòng)力學(xué)問(wèn)題進(jìn)行了研究。根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)原理，建立了隨

4、鉆擴(kuò)眼工具底部鉆柱彎曲振動(dòng)以及縱向振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型和解法，研究表明，偏心鉆頭型擴(kuò)眼工具使得鉆柱彎曲振動(dòng)最大位移增加，領(lǐng)眼井底與階梯井眼的雙激勵(lì)縱向振動(dòng)形成疊加，產(chǎn)生較大的振動(dòng)位移。鉆柱結(jié)構(gòu)一定時(shí)，鉆柱上存在穩(wěn)定的縱向振動(dòng)位移為零的點(diǎn)，可以作為擴(kuò)眼器安放的參考位置。模擬實(shí)驗(yàn)研究表明，實(shí)際鉆壓分配比小于按照幾何結(jié)構(gòu)定義的鉆壓分配比，偏心擴(kuò)眼鉆頭組合對(duì)應(yīng)的最大橫向位移及縱向振動(dòng)位移大于常規(guī)鉆頭鉆具組合，與理論方法結(jié)果一致。 最后，根據(jù)