CN103939094A - 地层造斜力测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于测量油气井钻进过程中钻遇地层对钻具的横向作用力的地层造斜力测量装置及方法。本发明的主要技术方案为：一种地层造斜力测量装置及方法，是由微机芯片(1)、信号传输线(2)、应力感应片(3)、钻柱(4)、球型铰(5)、钻头(6)及发电机和脉冲装置等相关部件组成，特点是钻头中轴的中部为圆球铰，钻头中轴上端与应力感应片相连接，应力感应片与微机芯片通过信号传输线相连接，钻头不是通过接头固定在钻柱上，而是由钻头中轴中部为圆球铰和感应片固定基质固定的，感应片固定基质与钻头中轴的间隙为刚好接触。本发明的主要作用是测量地层造斜力，获得钻遇地层的地层造斜力大小及方向，准确地预测组合在所钻地层的特性。

Description

地层造斜力测量装置及方法

技术领域

本发明涉及一种地层造斜力测量装置及方法，具体地说，是一种用于测量油气井钻进过程中钻遇地层对钻具的横向作用力的测量装置及方法，属于石油矿场机械的专用钻井机械工具和方法。

技术背景

地层造斜力是引起钻井井斜的一个重要因素，它使钻具沿地层力方向飘移。目前已有许多成熟的技术防止井斜，如钟摆法井斜控制技术等，让所选择的钻具的侧向力大于所钻遇地层的地层造斜力，使井眼轨迹向所控制的方向钻进。一般，根据钻时的地层造斜力和钻具侧向力，预测出井眼的井斜变化率和方位变化率，结合井斜控制技术，优选钻具，进行有效地控制井眼轨迹。钻头的侧向力已有办法获得，根据纵横弯曲理论和静力平衡条件，不论有多少个稳定器，都可以对第一个稳定器取力矩来确定钻头侧向力。但是，到目前为止，在钻井工程中尚未出现地层造斜力的测量装置，不能获得钻遇地层的地层造斜力，准确的预测组合在所钻地层的特性，进行井眼轨迹变化的预测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量钻遇地层对钻具的横向作用力的地层造斜力测量装置及方法。

本发明的技术方案是：一种地层造斜力测量装置及方法，是由钻头、应力感应片、信号传输线、微型芯片、螺杆发电机、脉冲发生装置等组成，其特征在于其特征在于钻头中轴中部为圆球铰，钻头中轴上端与应力感应片相联接，应力感应片与微机芯片通过信号传输线相连结。钻头不是通过接头固定在钻柱上，而是由钻头中轴中部为圆球铰和感应片固定基质固定的。感应片固定基质与钻头中轴的间隙为刚好接触。

利用钻柱力学的研究成果可以分析计算各种组合在特定钻井条件下钻头上的偏斜力或者合力角，从而对组合的特性作出评价。利用地层造斜力的计算式，就可能对组合在特定钻井条件下(包括地层倾角和各向异性指数)钻头上的总的偏斜力进行定量的分析。在这个基础上能够比较准确的预测组合在所钻地层的特性。

实践表明，如果钻头突然出现严重偏斜，往往造成井斜急剧增加。当采用钟摆钻具(特别是用扶正器作支点的钟摆钻具)钻井时，钻头偏斜对井眼曲率的影响很小，可以忽略，下部钻柱弯曲引起的偏斜力F_B是不能忽略的，这时可以近似的把钻头合力方向当作钻头钻进方向，但是如果采用满眼组合，钻头偏斜对井眼曲率的影响就显著得多，钻头的实际钻进方向不一定是合力的方向。这时就要综合考虑钻头偏斜和钻头在总的横向偏斜力的作用下的侧向切削影响。

按照W.B.勃莱特雷提出的光钻挺下部钻柱的小车模型，钻头上的横向偏斜力F_T应为弯曲引起的偏斜力F_B和钟摆力F_P之和，同时考虑钻头与岩石的相互作用力，则钻头上总的横向偏斜力F_T应是地层造斜力F_f，弯曲偏斜力F_B和钟摆力F_P三部分的代数和：

F_T＝F_f+F_B+F_P    (1)

于是，地层造斜力为：

F_f＝F_T-(F_B+F_P)    (2)

根据钻柱力学：

$F_P=\frac{1}{2}L\·q\sin \mathrm{\α}---\left(3\right)$

F_B＝Psinθ_B    (4)式中：

L——切点以下钻锭长度；

q——钻艇单位长度的重量；

θ_B——钻头偏斜角。

取X轴正向代表钻头处(0点)井眼轴线方向，Y轴为在水平面内与过X轴所在的铅垂面垂直，Z轴由右手法则确定。根据钻头与地层相互作用原理，考虑到地层各向异性等因素的作用，利用坐标变换，就可以建立起三维空间内的钻头与地层相互作用钻速方程。

$\left\{\begin{array}{c}{R}_x=H[(1-I_r)g_{11}(g_{11}{F}_x+g_{21}{F}_y+g_{31}{F}_z)+I_r{F}_x]\\ R_y=H[(1-I_r)g_{21}(g_{11}{F}_x+g_{21}{F}_y+g_{31}{F}_z)+I_r{F}_y]\\ R_z=H[(1-I_r)g_{31}(g_{11}{F}_x+g_{21}{F}_y+g_{31}{F}_z)+I_r{F}_z]\end{array}\right.---\left(5\right)$

式中：

R_x，R_y，R_z——分别为x，y，z方向上的钻速分量；

F_x，F_y，F_z——分别为x，y，z方向上的钻头力分量；

I_r——地层各向异性系数；

H——地层综合可钻性系数。

$\left\{\begin{array}{c}{g}_{11}=\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\Δ\γ}\\ g_{21}=\sin \mathrm{\β}\sin \mathrm{\Δ\γ}\\ g_{31}=\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\Δ\γ}-\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}\end{array}\right.---\left(6\right)$

式中：

α——井斜角；

β——地层倾角；

γ——方位角；

Δγ——地层上倾方位角，

实际钻井中，(R_xR_yR_z)^T的合成就是新的瞬时井眼方向，因此应有：

$\frac{R_z}{R_x}=\tan \mathrm{\Δ\α}---\left(7\right)$

式中：

Δα——井斜增量；

——方位增量。

令：

将(6)、(8)式代入(5)式并整理得：

$(1-I_r)(g_{31}-g_{11}\tan \mathrm{\Δ\α})(g_{11}{F}_x+g_{21}{F}_y+g_{31}{F}_z)=I_r(F_x\tan \mathrm{\Δ\α}-F_z)---\left(11\right)$

整理得：

令：

$K_{\mathrm{z\α}}=(g_{11}^2+g_{21}^2)I_r+(1-I_r)---\left(14\right)$

则(12)式就变成

由(16)式可以看出，整个钻头侧向力在变井斜方向上的分力F_z可以被分解成三部分。

${F^{\text{'}}}_{\mathrm{f\α}}=\frac{-(1-I_r)g_{11}\·g_{31}}{(1-I_r)\·A+I_r}\·F_x---\left(17\right)$

$F_{\mathrm{za}}=\frac{{-k}_{\mathrm{z\α}}\tan \mathrm{\Δ\α}}{(1-I_r)\·A+I_r}\·F_x---\left(19\right)$

由此看出，(18)式中的是由于井眼方向(方位)发生改变时引起的侧向力。当井眼方向不变时为零。(19)式中的F_zα是由于井斜发生变化时引起的侧向力。当井斜不变时(Δα＝0)，F_zα为零。(17)式中的F′_fα与地层各向异性系数有关，与地层和井眼间的相对位置有关。当I_r＝1时(地层各向同性)，F′_fα为零。因此，(17)式才是由于地层各向异性作用引起的侧向力。

在实际钻井中，钻头自身的机械侧向力(F_z)除了要克服地层由于各向异性产生的侧向力外，还要有一部分侧向力用来使井眼轨迹发生变化。就是说钻头机械侧向力应与地层力和井眼轨迹变化产生的侧向力相平衡。钻头机械侧向力由钻柱力学分析得出，它是由钻柱的自身性能所决定的。而井眼轨迹变化产生的侧向力是与井眼的变化程度以及与地层的相对位置有关的。当井眼不发生改变时，钻头机械侧向力正好全部用来克服z方向的地层力。因此，井眼轨迹变化产生的侧向力并不是地层力，而(17)式中的F′_fα才是用来平衡z方向地层力的侧向力。根据这个道理，就可推得井眼轨迹变化时，z方向的地层力(取F_z＝P)：

$F_{\mathrm{f\α}}=\frac{(1-I_r)g_{11}\·g_{31}}{(1-I_r)\·A+I_r}\·P---\left(20\right)$

式中：

P——钻压；

F_fα——地层变井斜力。

同理，Y方向的侧向力也可以分解成三部分：

$F_{\mathrm{y\α}}=\frac{{-k}_{\mathrm{y\α}}\tan \mathrm{\Δ\α}}{(1-I_r)\·A+I_r}\·F_x---\left(23\right)$

式(21)和式(22)是由于井眼轨迹变化时在y方向上产生的侧向力。而式(23)才是y方向平衡地层力的侧向力。类似于z方向力的分析可得出地层变方位力为(取F_x＝P)：

由(20)和(24)两式得：

或

即

将g₁₁、g₂₁、g₃₁代入(20)、(24)式得：

$F_{\mathrm{f\α}}=\frac{(1-I_r)(\cos \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β}+\sin \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\Δ\γ})(\cos \mathrm{\α}\sin \mathrm{\β}\cos \mathrm{\Δ\γ}-\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\β})}{(1-I_r)\·A+I_r}\·P---\left(28\right)$

地层力F_f为：

也即地层力的作用方向为：

由力学原理知：

$F_T=\sqrt{F_Y^2+F_Z^2}---\left(33\right)$

又因为，

将式(17)、(18)、(19)整理得：

即

同理，

所以有：

将式(26)代入上式(39)得：

即

由(31)和(40)得：

即可得到地层造斜力与钻具侧向力的关系表达式：

不同岩性的地层，I_r值也是不相同的。岩性一致的地层，I_r应是一个定值。虽然鲁宾斯基等利用岩石在垂直层面和平行层面两个方向可钻性差异给地层各向异性指数下了明确的定义，但它不可能通过地面的岩石力学试验求得，只有用实钻资料作分析计算。

当井斜稳定即钻头总的偏斜力F_T＝0时，由式(1)可得钻头上横向力的平衡方程：

$\frac{1}{2}L\·q\sin {\mathrm{\α}}_s-\frac{1}{2}P(1-I_r)\sin 2(\mathrm{\β}-\mathrm{\α})-P\sin {\mathrm{\θ}}_B=0---\left(42\right)$

根据纵横弯曲连续梁理论

$L^4=\frac{24\mathrm{EI}\·r}{q\·X\sin {\mathrm{\α}}_s}---\left(43\right)$

${\mathrm{\θ}}_B=\frac{L^{3}q\·X\sin {\mathrm{\α}}_s}{24\mathrm{EI}}+\frac{r}{L}---\left(44\right)$

式中：

EI——钻链的抗弯刚度；

α_s——稳定井斜角；

r——井眼直径和钻挺外径的差值之半；

X——超越函数，代表纵向力对横向弯曲的影响。

用逐步逼近法可以求解L和θ_B的数值。

由(42)式可导出I_r的计算式：

$I_r=1-\frac{\frac{1}{2}L\·q\sin {\mathrm{\α}}_s-P\sin {\mathrm{\θ}}_B}{\frac{1}{2}P\sin \mathrm{\α}(\mathrm{\β}-{\mathrm{\α}}_s)}---\left(45\right)$

因此，利用实际地质和钻井资料可以确定井斜稳定井段地层的各向异性指数，再结合应力感应片测量值，井斜角，地层倾角，方位角，地层上倾方位角就可以代入(32)、(41)和(45)两式，获得地层造斜力的大小及方向。

本发明的显著有益效果是：测量地层造斜力，获得钻遇地层的地层造斜力大小及方向，准确的预测组合在所钻地层的特性，进行井眼轨迹变化的预测。通过应力感应片测得钻头侧向力，结合实际地质和钻井资料可以确定井斜稳定井段地层的各向异性指数，井斜角，地层倾角，方位角，地层上倾方位角，即可求出地层造斜力的大小及方向。

附图说明

图1本发明地层造斜力测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明主要由微机芯片1、信号传输线2、应力感应片3、钻柱4、球形铰5、钻头6组成，在井下钻进时，钻头6的侧向力通过球形铰5作用于应力感应片3，获得侧向力的大小；再结合实际地质和钻井资料可以确定井斜稳定井段地层的各向异性指数，井斜角，地层倾角，方位角，地层上倾方位角，代入地层造斜力计算公式，即可求出地层造斜力的大小及方向。

Claims (3)

1.一种地层造斜力测量装置及方法，是由钻头、圆球铰、应力感应片、感应片固定基质、信号传输线和微型芯片等组成，其特征在于钻头中轴中部为圆球铰，钻头中轴上端与应力感应片相连接，应力感应片与微机芯片通过信号传输线相连接。

2.根据权利要求1所述的地层造斜力测量装置，其特征是由钻头中轴中部为圆球铰和感应片固定基质固定的。

3.根据权利要求1所述的地层造斜力测量装置，其特征是感应片固定基质与钻头中轴的间隙为刚好接触。