CN106437513A - 一种复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于钻井技术领域，涉及一种复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整方法，将整个原本纯滑动钻进的钻柱分为三部分，上部钻柱受地面钻井顶驱施加的扭矩作用做往复的旋转运动，中间钻柱受轴向振动减阻工具作用做轴向振动/蠕动，将钻柱与井壁之间的静摩擦转化为动摩擦，从而减小钻柱轴向送进的阻力，下部钻头处会产生轴向振动导致钻压出现波动，进而引发破岩扭矩和反扭矩发生波动，波动的反扭矩作用在靠近钻头的下部钻柱上，使其产生往复转动，从而起到减摩阻的效果；其操作方便，原理科学，能节省动力钻具工具面角调整的时间，并且在调整工具面的同时继续钻进，提高复杂结构井尤其是水平位移较长的复杂结构井的钻探效率，降低钻井成本。
Description
技术领域：
本发明属于钻井技术领域，涉及一种复杂结构井滑动钻进过程中的减摩阻和动力钻具工具面调整工艺，特别是一种复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整方法。
背景技术：
与普通直井相比，水平井等复杂结构井具有更大的储层控制面积，能大幅地提高单井产量，降低吨油成本，已成为开发复杂油气藏和海上油气资源最重要的手段。目前复杂结构井的钻井仍普遍采用“动力钻具+MWD”的传统定向钻进方法，该方法在定向钻进的过程中由于钻柱不旋转，钻柱和井壁之间存在很大的摩擦阻力，导致“托压”、“粘滑”、马达失速、跑方位等一系列问题，严重影响了钻探效率，限制了水平延伸能力，推高了钻井成本。虽然旋转导向钻井可以较有效的解决上述问题，但是在大位移井中需要克服的摩扭较大，而且成本昂贵，限制了其使用范围。
激发钻柱轴向振动是一种有效的减摩阻方法，国内外研究了大量的钻柱轴向激振工具，以美国国民油井公司的水力振荡器(U.S.Pat No.6,279,670)为代表，这类轴向激振工具的基本原理是调制水力脉冲，通过水力能量转换机构，将压力脉动直接转化为作用在钻柱上的周期性冲击载荷，这类工具能起到一定的减摩阻效果，但当井的水平延伸距离较长时，轴向振动的作用距离相对有限，减摩阻效果不足，多个轴向激振工具串联使用时又会造成过大的循环压耗。
地面扭摆钻柱是另一类复杂结构井减摩阻方法，已有大量的相关专利，例如U.S.Pat No.6,050,348(Canrig Drilling Technology公司)，U.S.Pat No.6,918,453和U.S.Pat No.7,096,979(Noble Drilling公司)以及U.S.Pat No.7,152,696(Comprehensive Power Inc.公司)，该类方法通过控制地面左右扭摆钻柱的幅度或扭转时间，使钻柱的上半部分转动起来，实现减摩阻的目的，该类方法还可以通过增大地面扭摆钻柱的幅度或扭转时间使整个钻柱转动起来，从而调整井下动力钻具的工具面角，无须将钻头提离井底进行重新定向。虽然上述方法能起到一定的减摩阻效果，但也存在缺陷，主要体现在两方面，一是为避免地面扭摆作用影响动力钻具工具面角稳定，往往在动力钻具上部设置一段较长的“扭转作用缓冲区”，缓冲区内钻柱不旋转，从而降低减摩阻效果；二是当井的水平延伸距离较远时，在一个扭摆周期内只有在地面扭转作用的深度较大时才能有明显的减摩阻效果；专利U.S.Pat No.7,588,100公布了一种变转速钻井复杂结构井减摩阻方法，该方法的工作原理是控制地面钻柱的旋转速度，当真实动力钻具工具面角在定向钻进工具面角范围内时，缓慢转动钻柱，不在该范围内时快速转动钻柱，使动力钻具工具面处在定向钻进工具面范围内的时间占钻进的绝大部分时间。由于井下摩阻的变化使得钻柱的扭转变形量发生变化，从而不能准确判断地面扭转与井下工具面扭转的对应关系，因此该方法实施困难。因此仍然有必要设计一种新型高效的复杂结构井钻井设备及方法。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整方法，改善整个钻柱与井壁之间的接触状态，减小钻柱轴向送进的摩擦阻力，获得更大的、更平稳的钻压和更快的机械钻速，同时降低调整动力钻具工具面的非钻进时间，进一步提高钻井效率。
为了实现上述目的，本发明在复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整装置中实现，具体过程为：
(1)定向井滑动钻进至一定井深后，准备起钻接入轴向振动减阻工具；起钻前测量钻头离底旋转、上提钻柱和下放钻柱三种工况下的大钩的载荷值和地面扭矩值以及离底旋转时的立管压力值Poff，然后根据大钩载荷和扭矩值利用文献“Torque and Drag inDirectional Wells-Prediction and Measurement”提出的摩阻扭矩计算的“软模型”拟合钻柱与井筒侧壁之间的摩擦系数，根据井深、井眼尺寸、摩阻大小选择轴向振动减阻工具的尺寸和结构，然后根据钻井液排量、钻柱尺寸、钻柱和井筒之间的摩擦系数计算轴向振动减阻工具的作用范围L米(或者从轴向振动减阻工具的说明书上查找振动减阻工具在当前钻柱组合、钻井液排量下的作用距离)，在钻头上部(L/2+100)m处接入轴向振动减阻工具，预留的100m下部钻柱因反扭矩波动会做往复的扭转运动；
(2)接入轴向振动减阻工具后，继续滑动钻进，并控制钻柱的下放速度使钻头离底旋转时的立管压力Poff与钻进时的立管压力Pon的差值ΔP保持在所选用动力钻具(一般为螺杆钻具)的工作压差范围内(ΔP的范围可以从井下动力钻具的说明书中查找)，当钻井液流经轴向振动减阻工具时，钻井液激发轴向振动减阻工具产生周期性的激振力，在激振力作用下钻柱做轴向振动/蠕动，由于钻柱与井筒壁面的摩擦力以及钻井液的阻尼作用，轴向振动/蠕动分别从激振源向上、下传播产生两个振动能量消失的分界面第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ，轴向振动工具到第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ的距离由前述文献“ModelingofAxial Vibrations toAllow Intervention in Extended Reach Wells”介绍的钻柱振动能量传递的有限刚体模型计算得到(或者直接从振动减阻工具的说明书上查找工具的振动作用范围)；在第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ中间的钻柱段内，钻柱在轴向振动/蠕动的作用下，改善其与井壁的接触摩擦，将静摩擦转变为动摩擦，使该段钻柱的送进运动更容易；
当复杂结构井的水平延伸距离较大时，例如大于2000m(轴向振动减阻工具的有效作用范围一般在几百米的范围内)，钻柱送进的摩阻力很大，仅靠第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ中间段的钻柱振动/蠕动不能明显降低摩阻，此时，在地面使用顶驱，往一个方向旋转钻柱，直到被旋转钻柱的作用深度到达受轴向振动减阻工具作用做轴向振动/蠕动的钻柱段上部，通过文献“Modeling Transient Vibrations While Drilling Using a FiniteRigid Body”介绍的钻柱振动的有限刚体模型计算顶驱施加的旋转扭矩与被旋转钻柱的作用深度之间的对应关系，并根据顶驱输出的扭矩值判断被旋转钻柱的作用深度是否达到受轴向振动减阻工具作用做轴向振动/蠕动的钻柱段上部，记录此时的地面钻杆扭矩值；
(3)改变地面旋转钻柱的方向，往反方向旋转，直到被旋转钻柱的作用深度到达受轴向振动工具作用做轴向振动/蠕动的钻柱段上部，判断方法如步骤(2)，记录此时的地面钻杆扭矩值；由于上部钻柱的转动，钻柱与井筒之间的摩擦将由静摩擦变为动摩擦，而且钻柱的旋转部分与井筒接触点的旋转转速远大于轴向送进的速度，根据摩擦力矢量分解原理，转动部分的钻柱所受的摩擦力将主要分解到旋转方向上，减小轴向送进的摩阻力；
(4)随着钻井深度的延长，逐渐增加每次地面扭转钻柱的幅度，继续按照步骤(3)的方法旋转钻柱，同时平稳的控制钻柱下放速度保持钻压稳定，钻压是否稳定通过立管压力的波动观察；
(5)弯外壳动力钻具的工具面角与设定值的平均偏差大于10°需要调整时，先通过钻柱振动的有限刚体模型模拟计算地面施加的旋转扭矩在钻柱中的传递，同时考虑轴向振动减阻工具对传递的影响，得到为改变工具面角地面需要施加的顺时针或逆时针旋转扭矩值的大小，在下一个地面扭摆周期内增大地面顺时针或逆时针旋转钻柱的幅度，直到达到数值模拟计算得到的扭矩值，然后反向旋转钻柱，反向旋转钻柱的幅度与上一个周期一致；等待半分钟后(MWD静止下的测得的工具面角是准确的，钻柱旋转时一般的MWD测得工具面角误差较大)井下测斜短节MWD获得工具面角变化信息后上传到地面，根据工具面角变化值确定是否需要继续调整，如果需要，按照上述方法继续调整，整个调整过程通过地面控制计算机系统自动检测、计算和控制顶驱执行，大大降低了人工操作的时间；
(6)当滑动钻进需要转变为复合钻进时，逐渐增加地面顺时针旋转钻柱的扭矩值并逐渐减小逆时针旋转钻柱的扭矩值，最终使整个钻柱顺时针旋转，转换为复合钻井，实现复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整。
本发明所述复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整装置的主体结构包括定滑轮、游轮、大钩、顶驱、地面钻杆测量短接、钢丝绳、井架、绞车、钻台面、钻柱、井筒、轴向振动减阻工具、测斜短节MWD、弯外壳动力钻具、钻头、地面控制计算机系统、泥浆泵、立管压力传感器、水龙带、第一分界面和第二分界面；钻台面的上部设置有梯形结构的井架，钻台面的顶部左侧安装有绞车，绞车通过钢丝绳与定滑轮连接，定滑轮的下端连接有游轮，游轮的下端与大钩连接，大钩的下端挂有顶驱，顶驱下部设有地面钻杆测量短接，地面钻杆测量短接内安装有测量钻柱扭矩的应变传感器和测量钻柱扭转变形量的角位移传感器，地面钻杆测量短接下部与钻柱连接，钻柱的下部连接有轴向振动减阻工具、测斜短节MWD、弯外壳动力钻具和钻头；钻台面的右侧放置有泥浆泵，泥浆泵上安装有立管压力传感器，泥浆泵通过水龙带与顶驱连通，钻柱延伸到地层内，地层中有正在钻进的井筒，在钻头的作用下破岩钻进，钻井液从泥浆泵中泵出，经过水龙带进入钻柱，立管压力传感器测量钻柱内的钻井液压力，钻井液从钻头中喷射出，将岩屑携带到地面；泥浆泵右侧放置有地面控制计算机系统，第一分界面和第二分界面为振动能量消失的分界面，轴向振动减阻工具到第一分界面和第二分界面的距离由文献“Modeling of Axial Vibrations to Allow Intervention inExtended Reach Wells”介绍的钻柱振动能量传递的有限刚体模型计算得到(或者从轴向振动减阻工具的说明书上查找)。
本发明所述钻柱使用顶驱进行驱动，顶驱的类型为电动顶驱或液压顶驱。
本发明所述地面控制计算机系统内含有一台运行数据处理系统的计算机，数据处理系统实时收集测斜短节MWD(包括井斜和动力钻具工具面信息)、地面钻杆测量短接(包含钻杆扭矩信息和钻杆转角信息)、立管压力传感器和泥浆泵(包含钻井液排量信息)采集到的测量信息，根据采集到的测量数据计算顶驱施加的扭矩荷载在钻柱中的传递深度、轴向振动减阻工具作用范围以及钻压、反扭矩、工具面角等的变化，并根据立管压力、MWD测量数据实时修正计算模型参数，根据计算结果控制顶驱的旋转运动或者钻柱的下放运动；地面控制计算机系统设有显示设备以显示工具面角、地面扭矩、钻杆角位移、立管压力和钻井液排量信息，同时含有键盘或者触摸屏输入设备，能够输入控制参数，控制钻进过程或对自动控制钻进过程进行人为干预；轴向振动减阻工具的使用效果与钻井液排量密切相关，钻井液排量信息用来计算轴向振动减阻工具的作用距离；地面钻杆扭矩信息或者地面钻柱转角信息用来判断钻柱左右旋转的极限位置，且地面钻杆扭矩信息和转角信息的对应关系可以反映钻柱的摩扭信息；工具面角信息用来监测工具面的变化；立管压力的波动可用来反映动力钻具压耗的变化，进而反映破岩扭矩、反扭矩和钻压的变化。
本发明将整个原本纯滑动钻进的钻柱分为三部分，上部是地面扭矩作用区，该部分钻柱受地面钻井顶驱施加的扭矩作用做往复的旋转运动，钻柱与井壁接触点的旋转速度(周向切向速度)远大于轴向送进速度(轴向切向速度)，按照摩擦力的分解原理，上部钻柱的往复旋转运动将钻柱与井壁之间的摩擦力分解到钻柱旋转方向，将大大降低钻柱轴向送进的摩擦阻力。中间是轴向振动减阻工具作用区，该部分钻柱受轴向振动减阻工具作用做轴向振动/蠕动，将钻柱与井壁之间的静摩擦转化为动摩擦，从而减小钻柱轴向送进的阻力。下部是反扭矩作用区，由于地层的不均质性、岩性变化等原因，钻头处会产生一定的轴向振动，导致钻压出现波动，进而引发破岩扭矩和反扭矩发生波动，波动的反扭矩作用在靠近钻头的下部钻柱上，使其产生一定的往复转动，从而起到减摩阻的效果。中间部分的轴向振动减阻工具作用区在减摩阻的同时起到了对上部扭矩作用区的隔离作用，使得下部的动力钻具工具面不会因为上部的扭矩作用过大而改变；上述三个区域并不是严格隔离的，可以有一定的重合，相邻两区域之间也可以存在完全静止的部分钻柱，并且可以通过数值模拟计算得到三个区域的最佳配置关系，充分利用地面扭摆和轴向振动工具的能量实现最佳的减摩阻效果。
本发明所述弯外壳动力钻具的工具面角调整方法充分利用对地面扭矩载荷沿钻柱传递规律的认识，以及地面计算机检测反馈系统对顶驱旋转的精确控制，实现了钻头不提离井底、不中断钻井条件下的动力钻具工具面调整。
本发明与现有技术相比，改善整个钻柱与井壁之间的接触状态，减小钻柱轴向送进的摩擦阻力，获得更大的、更平稳的钻压和更快的机械钻速，其操作方便，原理科学，能节省动力钻具工具面角调整的时间，并且在调整工具面的同时继续钻进，提高复杂结构井尤其是水平位移较长的复杂结构井的钻探效率，降低钻井成本。
附图说明：
图1为本发明所述复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整装置的主体结构原理示意图。
图2为本发明使用的地面控制系统结构原理示意框图。
图3为本发明的工作过程原理示意框图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。
实施例：
本实施例在复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整装置中实现，具体过程为：
(1)定向井滑动钻进至一定井深后，由于躺在井筒11低边的钻柱10长度较长，摩阻力较大，滑动钻进机械钻速较慢，例如低于1m/小时，准备起钻接入轴向振动减阻工具12；起钻前测量钻头离底旋转、上提钻柱和下放钻柱三种工况下的大钩3的载荷值和地面扭矩值以及离底旋转时的立管压力值Poff，然后根据大钩载荷和扭矩数据利用文献“Torque andDrag in Directional Wells-Prediction and Measurement”提出的摩阻扭矩计算的“软模型”拟合钻柱10与井筒11侧壁之间的摩擦系数，根据井深、井眼尺寸、摩阻大小选择轴向振动减阻工具12的尺寸和结构等参数，然后根据钻井液排量、钻柱尺寸、钻柱和井筒之间的摩擦系数计算轴向振动减阻工具12的作用范围L米(或者从轴向振动减阻工具的说明书上查找振动减阻工具在当前钻柱组合、钻井液排量下的作用距离)，在钻头上部(L/2+100)m处接入轴向振动减阻工具12，预留的100m下部钻柱因反扭矩波动会做往复的扭转运动(100m只是一个参考值，可以根据实际的扭矩波动利用前面提到的“软模型”计算得到实际的距离)；
(2)接入轴向振动减阻工具12后，继续滑动钻进，并控制钻柱10的下放速度使离底旋转时的立管压力Poff与钻进时的立管压力Pon的差值ΔP保持在所选用动力钻具的工作压差范围内，当钻井液流经轴向振动减阻工具12时，钻井液激发轴向振动减阻工具12产生周期性的激振力，在激振力作用下钻柱10做轴向振动/蠕动，由于钻柱10与井筒11壁面的摩擦力以及钻井液的阻尼作用，轴向振动/蠕动分别从激振源12向上、下传播产生两个振动能量消失的分界面第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ，轴向振动工具12到第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ的距离由前述文献“Modeling of Axial Vibrations to Allow Intervention inExtended Reach Wells”介绍的钻柱振动能量传递的有限刚体模型计算得到(或者从轴向振动减阻工具的说明书上查找振动减阻工具在当前钻柱组合、钻井液排量下的作用距离)；在第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ中间的钻柱段内，钻柱10在轴向振动/蠕动的作用下，改善其与井壁的接触摩擦，将静摩擦转变为动摩擦，使该段钻柱的送进运动更容易；
当复杂结构井的水平延伸距离很大，例如大于2000m时(轴向振动减阻工具12的有效作用范围一般在几百米的范围内)，钻柱10送进的摩阻力很大，仅靠第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ中间段的钻柱振动/蠕动不能明显降低摩阻，此时，在地面使用顶驱4，往一个方向旋转钻柱10，直到被旋转钻柱的作用深度到达受轴向振动减阻工具作用做轴向振动/蠕动的钻柱段上部，通过文献“Modeling Transient Vibrations While Drilling Using aFinite Rigid Body”介绍的钻柱振动的有限刚体模型计算顶驱4施加的旋转扭矩与被旋转钻柱的作用深度之间的对应关系，并根据顶驱4输出的扭矩值判断被旋转钻柱的作用深度是否达到受轴向振动减阻工具作用做轴向振动/蠕动的钻柱段上部，记录此时的地面钻杆扭矩值；
(3)改变地面旋转钻柱10的方向，往反方向旋转，直到被旋转钻柱的作用深度到达受轴向振动工具作用做轴向振动/蠕动的钻柱段上部，判断方法如步骤(2)，记录此时的地面钻杆扭矩值；由于上部钻柱10的转动，钻柱10与井筒11之间的摩擦将由静摩擦变为动摩擦，而且钻柱10的旋转部分与井筒11接触点的旋转转速远大于轴向送进的速度，根据摩擦力矢量分解原理，转动部分的钻柱10所受的摩擦力将主要分解到旋转方向上，减小轴向送进的摩阻力；
(4)随着钻井深度的延长，逐渐增加每次地面扭转钻柱10的幅度，继续按照步骤(3)的方法旋转钻柱10，同时平稳的控制钻柱10下放速度保持钻压稳定，钻压是否稳定通过立管压力的波动观察；
(5)弯外壳动力钻具14的工具面角与设定值的平均偏差大于10°需要调整时，先通过钻柱振动的有限刚体模型模拟计算地面施加的旋转扭矩在钻柱10中的传递，同时考虑轴向振动减阻工具对传递的影响，得到为改变工具面角地面需要施加的顺时针或逆时针旋转扭矩值的大小，在下一个地面扭摆周期内增大地面顺时针或逆时针旋转钻柱的幅度，直到达到数值模拟计算得到的扭矩值，然后反向旋转钻柱，反向旋转钻柱的幅度与上一个周期一致；等待半分钟后(MWD静止下的测得的工具面角是准确的，钻柱旋转时一般的MWD测得工具面角误差较大)井下测斜短节MWD13获得工具面角变化信息后上传到地面，根据工具面角变化值确定是否需要继续调整，如果需要，按照上述方法继续调整，整个调整过程通过地面控制计算机系统自动检测、计算和控制顶驱执行，大大降低了人工操作的时间；
(6)当滑动钻进需要转变为复合钻进时，逐渐增加地面顺时针旋转钻柱的扭矩值并逐渐减小逆时针旋转钻柱的扭矩值，最终使整个钻柱10顺时针旋转，转换为复合钻井，实现复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整。
本实施例所述复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整装置的主体结构包括定滑轮1、游轮2、大钩3、顶驱4、地面钻杆测量短接5、钢丝绳6、井架7、绞车8、钻台面9、钻柱10、井筒11、轴向振动减阻工具12、测斜短节MWD 13、弯外壳动力钻具14、钻头15、地层16、地面控制计算机系统17、泥浆泵18、立管压力传感器19、水龙带20、第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ；钻台面9的上部设置有梯形结构的井架7，钻台面9的顶部左侧安装有绞车8，绞车8通过钢丝绳6与定滑轮1连接，定滑轮1的下端连接有游轮2，游轮2的下端与大钩3连接，大钩3的下端挂有顶驱4，顶驱4下部设有地面钻杆测量短接5，地面钻杆测量短接5内安装有测量钻柱10扭矩的应变传感器和测量钻柱10扭转变形量的角位移传感器，地面钻杆测量短接5下部与钻柱10连接，钻柱10的下部连接有轴向振动减阻工具12、测斜短节MWD 13、弯外壳动力钻具14和钻头15；钻台面9的右侧放置有泥浆泵18，泥浆泵18上安装有立管压力传感器19，泥浆泵18通过水龙带20与顶驱4连通，钻柱10延伸到地层16内，地层16有已钻好的井筒11，在钻头15的作用下破岩钻进，钻井液从泥浆泵18中泵出，经过水龙带20进入钻柱10，立管压力传感器19可以测量钻柱内的钻井液压力，钻井液从钻头15中喷射出，将岩屑携带到地面；泥浆泵18右侧放置有地面控制计算机系统17，第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ为振动能量消失的分界面，轴向振动减阻工具12到第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ的距离由文献“ModelingofAxial Vibrations to Allow Intervention in Extended Reach Wells”介绍的钻柱振动能量传递的有限刚体模型计算得到。
本实施例所述钻柱10使用顶驱4进行驱动，顶驱4的类型为电动顶驱或液压顶驱。
本实施例所述地面控制计算机系统17内含有一台运行数据处理系统的计算机，数据处理系统实时收集测斜短节MWD 13(包括井斜和动力钻具工具面信息)、地面钻杆测量短接5(包含钻杆扭矩信息和钻杆转角信息)、立管压力传感器19和泥浆泵18(包含钻井液排量信息)采集到的测量信息，根据采集到的测量信息计算顶驱4施加的扭矩荷载在钻柱中的传递深度、轴向振动减阻工具12作用范围以及钻压、反扭矩、工具面角等的变化，并根据立管压力、MWD测量数据等反馈值实时修正计算模型，根据计算结果控制顶驱的旋转运动或者钻柱的下放运动；地面控制计算机系统17设有显示设备以显示工具面角、地面扭矩、钻杆角位移、立管压力和钻井液排量信息，同时含有键盘或者触摸屏输入设备，能够输入控制参数，控制钻进过程或对自动控制钻进过程进行人为干预；轴向振动减阻工具的使用效果与钻井液排量密切相关，钻井液排量信息用来计算轴向振动减阻工具的作用距离；地面钻杆扭矩信息或者地面钻柱转角信息用来判断钻柱左右旋转的极限位置，且地面钻杆扭矩信息和转角信息的对应关系可以反映钻柱的摩扭信息；工具面角信息用来监测工具面的变化；立管压力的波动可用来反映动力钻具压耗的变化，进而反映破岩扭矩、反扭矩和钻压的变化。
本实施例地面旋转钻柱10的作用深度通过钻柱振动有限刚体模型计算得到，由于模型存在一些理想假设以及计算过程中拟合参数存在误差，所以很难得到准确的分界面I，Ⅱ等的位置，但是这里第一分界面Ⅰ和第二分界面Ⅱ只是一个参考位置，并不要求地面旋转钻柱的作用深度精确的到达分界面Ⅰ、以及精确获得振动能量消失的分界面Ⅱ的位置。
Claims (4)
1.一种复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整方法，其特征在于在复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整装置中实现，具体过程为：
(1)定向井滑动钻进至一定井深后，准备起钻接入轴向振动减阻工具；起钻前测量钻头离底旋转、上提钻柱和下放钻柱三种工况下的大钩的载荷值和地面扭矩值以及离底旋转时的立管压力值Poff，然后根据大钩载荷和扭矩值拟合钻柱与井筒侧壁之间的摩擦系数，根据井深、井眼尺寸、摩阻大小选择轴向振动减阻工具的尺寸和结构，然后根据钻井液排量、钻柱尺寸、钻柱和井筒之间的摩擦系数计算轴向振动减阻工具的作用范围L米，在钻头上部(L/2+100)m处接入轴向振动减阻工具，预留的100m下部钻柱因反扭矩波动会做往复的扭转运动；
(2)接入轴向振动减阻工具后，继续滑动钻进，并控制钻柱的下放速度使钻头离底旋转时的立管压力Poff与钻进时的立管压力Pon的差值ΔP保持在所选用动力钻具的工作压差范围内，当钻井液流经轴向振动减阻工具时，钻井液激发轴向振动减阻工具产生周期性的激振力，在激振力作用下钻柱做轴向振动/蠕动，由于钻柱与井筒壁面的摩擦力以及钻井液的阻尼作用，轴向振动/蠕动分别从激振源向上、下传播产生两个振动能量消失的分界面第一分界面和第二分界面，轴向振动工具到第一分界面和第二分界面的距离由有限刚体模型计算得到；在第一分界面和第二分界面中间的钻柱段内，钻柱在轴向振动/蠕动的作用下，改善其与井壁的接触摩擦，将静摩擦转变为动摩擦，使该段钻柱的送进运动更容易；
当复杂结构井的水平延伸距离大于2000m，钻柱送进的摩阻力很大，仅靠第一分界面和第二分界面中间段的钻柱振动/蠕动不能明显降低摩阻，此时，在地面使用顶驱，往一个方向旋转钻柱，直到被旋转钻柱的作用深度到达受轴向振动减阻工具作用做轴向振动/蠕动的钻柱段上部，通过有限刚体模型计算顶驱施加的旋转扭矩与被旋转钻柱的作用深度之间的对应关系，并根据顶驱输出的扭矩值判断被旋转钻柱的作用深度是否达到受轴向振动减阻工具作用做轴向振动/蠕动的钻柱段上部，记录此时的地面钻杆扭矩值；
(3)改变地面旋转钻柱的方向，往反方向旋转，直到被旋转钻柱的作用深度到达受轴向振动工具作用做轴向振动/蠕动的钻柱段上部，判断方法如步骤(2)，记录此时的地面钻杆扭矩值；由于上部钻柱的转动，钻柱与井筒之间的摩擦将由静摩擦变为动摩擦，而且钻柱的旋转部分与井筒接触点的旋转转速远大于轴向送进的速度，根据摩擦力矢量分解原理，转动部分的钻柱所受的摩擦力将主要分解到旋转方向上，减小轴向送进的摩阻力；
(4)随着钻井深度的延长，逐渐增加每次地面扭转钻柱的幅度，继续按照步骤(3)的方法旋转钻柱，同时平稳的控制钻柱下放速度保持钻压稳定，钻压是否稳定通过立管压力的波动观察；
(5)弯外壳动力钻具的工具面角与设定值的平均偏差大于10°需要调整时，先通过钻柱振动的有限刚体模型模拟计算地面施加的旋转扭矩在钻柱中的传递，同时考虑轴向振动减阻工具对传递的影响，得到为改变工具面角地面需要施加的顺时针或逆时针旋转扭矩值的大小，在下一个地面扭摆周期内增大地面顺时针或逆时针旋转钻柱的幅度，直到达到数值模拟计算得到的扭矩值，然后反向旋转钻柱，反向旋转钻柱的幅度与上一个周期一致；等待半分钟后井下测斜短节MWD获得工具面角变化信息后上传到地面，根据工具面角变化值确定是否需要继续调整，如果需要，按照上述方法继续调整，整个调整过程通过地面控制计算机系统自动检测、计算和控制顶驱执行；
(6)当滑动钻进需要转变为复合钻进时，逐渐增加地面顺时针旋转钻柱的扭矩值并逐渐减小逆时针旋转钻柱的扭矩值，最终使整个钻柱顺时针旋转，转换为复合钻井，实现复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整。
2.根据权利要求1所述复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整方法，其特征在于所述复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整装置的主体结构包括定滑轮、游轮、大钩、顶驱、地面钻杆测量短接、钢丝绳、井架、绞车、钻台面、钻柱、井筒、轴向振动减阻工具、测斜短节MWD、弯外壳动力钻具、钻头、地面控制计算机系统、泥浆泵、立管压力传感器、水龙带、第一分界面和第二分界面；钻台面的上部设置有梯形结构的井架，钻台面的顶部左侧安装有绞车，绞车通过钢丝绳与定滑轮连接，定滑轮的下端连接有游轮，游轮的下端与大钩连接，大钩的下端挂有顶驱，顶驱下部设有地面钻杆测量短接，地面钻杆测量短接内安装有测量钻柱扭矩的应变传感器和测量钻柱扭转变形量的角位移传感器，地面钻杆测量短接下部与钻柱连接，钻柱的下部连接有轴向振动减阻工具、测斜短节MWD、弯外壳动力钻具和钻头；钻台面的右侧放置有泥浆泵，泥浆泵上安装有立管压力传感器，泥浆泵通过水龙带与顶驱连通，钻柱延伸到地层内，地层中有正在钻进的井筒，在钻头的作用下破岩钻进，钻井液从泥浆泵中泵出，经过水龙带进入钻柱，立管压力传感器测量钻柱内的钻井液压力，钻井液从钻头中喷射出，将岩屑携带到地面；泥浆泵右侧放置有地面控制计算机系统，第一分界面和第二分界面为振动能量消失的分界面，轴向振动减阻工具到第一分界面和第二分界面的距离由有限刚体模型计算得到。
3.根据权利要求2所述复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整方法，其特征在于所述钻柱使用顶驱进行驱动，顶驱的类型为电动顶驱或液压顶驱。
4.根据权利要求3所述复杂结构井减摩阻及动力钻具工具面调整方法，其特征在于所述地面控制计算机系统内含有一台运行数据处理系统的计算机，数据处理系统实时收集测斜短节MWD、地面钻杆测量短接、立管压力传感器和泥浆泵采集到的测量信息，根据采集到的测量数据计算顶驱施加的扭矩荷载在钻柱中的传递深度、轴向振动减阻工具作用范围以及钻压、反扭矩、工具面角等的变化，并根据立管压力、测斜短节MWD测量数据实时修正计算模型参数，根据计算结果控制顶驱的旋转运动或者钻柱的下放运动；地面控制计算机系统设有显示设备以显示工具面角、地面扭矩、钻杆角位移、立管压力和钻井液排量信息，同时含有键盘或者触摸屏输入设备，能够输入控制参数，控制钻进过程或对自动控制钻进过程进行人为干预；轴向振动减阻工具的使用效果与钻井液排量密切相关，钻井液排量信息用来计算轴向振动减阻工具的作用距离；地面钻杆扭矩信息或者地面钻柱转角信息用来判断钻柱左右旋转的极限位置，且地面钻杆扭矩信息和转角信息的对应关系可以反映钻柱的摩扭信息；工具面角信息用来监测工具面的变化；立管压力的波动可用来反映动力钻具压耗的变化，进而反映破岩扭矩、反扭矩和钻压的变化。
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