一种钻井状态的旋转导向钻井工具的设计方法

摘要

本发明涉及一种钻井状态的旋转导向钻井工具的设计方法，其基本思路是以处于钻井状态下的旋转导向钻井工具上的钻头、偏心稳定器、钻柱和上部稳定器的整体作为研究对象，并以上部稳定器为嵌固端，建立一与其相应的悬臂梁。然后通过对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的结构参数之间的计算表达式，并定性和定量分析影响偏心稳定器的井壁推靠力的悬臂梁结构参数，再根据上述悬臂梁的结构参数与偏心稳定器的井壁推靠力的关系优化设计旋转导向钻井工具的结构。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

1.一种提高钻井状态下旋转导向钻井工具造斜率能力的方法，其特征在于，它包括以下步骤：1)在旋转导向钻井工具处于钻井状态下，将由钻头、偏心稳定器、钻柱和上部稳定器组成的整体视为一悬臂梁，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：式中：S为钻头受到井底的轴向钻压[KN]，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，其包括钻头所受的轴向载荷S、钻柱的单位重量q、钻柱的长度l、钻柱的弹性模量E、钻柱的极惯性矩I、悬臂梁的井斜角α和偏置位移量y；5)根据步骤4)分析的结果，得出对处于钻井状态下的旋转导向钻井工具的结构进行优化设计的结论，其包括以下四点：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l的钻柱，能够获得大的偏心稳定器的井壁推靠力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α，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与轴向钻压S成正比，通过增大轴向钻压S能够增大井壁推靠力P，从而提高旋转导向钻井工具的造斜能力；④偏心稳定器的井壁推靠力P随钻柱的R_外径的减小而减小，通过选择较大R_外径的钻柱，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。