一种旋转导向钻井工具的设计方法

摘要

本发明涉及一种旋转导向钻井工具的设计方法，其基本思路是以处于提离井底状态下的旋转导向钻井工具上的钻头、偏心稳定器、钻柱和上部稳定器作为研究对象，并以上部稳定器为嵌固端，建立一与其相应的悬臂梁力学模型。然后结合钻井的实际情况对上述悬臂梁进行力学分析，推导得出偏心稳定器的井壁推靠力与悬臂梁结构参数之间的函数关系，并定性和定量分析悬臂梁结构参数对偏心稳定器的井壁推靠力的影响规律，并根据所得规律对旋转导向钻井工具的结构进行优化设计，以提高旋转导向钻井工具的井壁推靠力。本发明提出的研究思路，为提高旋转导向钻井工具的造斜能力提供了设计理论依据。

主权项

一种提高旋转导向钻井工具造斜率能力的方法，它包括以下步骤：1)在旋转导向钻井工具提离井底状态下，将钻头、偏心稳定器、钻柱和上部稳定器组成整体视为一悬臂梁，以上部稳定器为悬臂梁的嵌固端，假设钻柱的质量连续均匀分布，假设井眼是刚性的；2)建立悬臂梁的直角坐标系：以上部稳定器的中心点为原点，以井眼的轴线为X轴，X轴正方向由原点指向井壁推靠力P的作用点，则Y轴过原点，Y轴正方向与所设井壁推靠力P的方向相反；3)基于上述假设和建立的直角坐标系，得到偏心稳定器的井壁推靠力P与悬臂梁结构参数的函数关系： P = 24 EIy + q sin α ( 6 l 2 x 2 - 4 lx 3 + x 4 ) 4 x 2 ( x - 3 l ) 式中：l为钻柱的长度[m]，      q为钻柱的单位长度重量[KN/m]，      E为钻柱的弹性模量，E＝2.058*105MPa，      I为钻柱的极惯性矩[cm4]，I＝3.14(R外径4‑R内径4)/64，      R外径为钻柱的外径[cm]，      R内径为钻柱的内径[cm]，      x为悬臂梁的长度[cm]，      y为悬臂梁的偏置位移量[cm]，      α为悬臂梁的井斜角[°]；4)定性、定量分析上式中与井壁推靠力P相关的悬臂梁的结构参数，其包括悬臂梁的长度x、偏置位移y和悬臂梁的井斜角α；5)根据步骤4)分析的结果，得出对处于提离井底状态下的旋转导向钻井工具的结构进行优化设计的结论，其包括以下三点：①偏心稳定器的井壁推靠力P与钻柱的长度l成反比，通过选择较短长度的钻柱，能够获得大的偏心稳定器的井壁侧向力P，从而提高旋转导向钻井工具的造斜能力；②偏心稳定器的井壁推靠力P与井斜角α成正比，通过增大井斜角，能够获得较大的井壁推靠力P，从而提高旋转导向钻井工具的造斜能力；③偏心稳定器的井壁推靠力P与钻柱的抗弯刚度EI成正比，通过增大钻柱的抗弯刚度，能够获得较大的井壁推靠力P，从而提高旋转导向钻井工具的造斜能力。