CN107448192B - 静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法，属于旋转导向钻井技术研究及应用领域。该方法主要包括钻进大段均质地层(井壁无台阶)、软硬交错地层(井壁有台阶)时井底钻压、最小名义钻压计算方法，以及避免翼肋前倒角面发生自锁的倒角上限值计算方法。结合实例给出了本方法的实施方式，以及名义钻压、导向翼肋推靠力及井壁摩擦系数对井底实际钻压影响规律。本方法能够准确预测和调控井底实际钻压，有助于提高SRS钻井工具的钻进效率，节省钻井时间和钻井成本；也为SRS钻井工具的导向翼肋前倒角设计提供了技术支撑。

Description

静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法

技术领域

本发明涉及石油钻井工程领域，尤其涉及旋转导向钻井技术研究及应用领域，具体地说是涉及一种静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法。

背景技术

旋转导向钻井系统(rotary steerable system，简称为“RSS”)是在钻柱旋转钻进条件下随钻实时完成导向功能的一种导向钻井系统。自20世纪90年代以来，旋转导向钻井技术逐渐成熟并推广应用，定向钻井技术取得了质的飞跃。目前，比较成熟的RSS系统主要包括BakerHughes公司的AutoTrak钻井系统、Schlumberger公司的PowerDrive钻井系统、Halliburton公司的Geo-Pilot钻井系统，其工作原理分别为静态推靠钻头式、动态推靠钻头式、指向钻头式。其中，静态推靠式旋转导向钻井工具(简称为“SRS钻井工具”)的结构及工作原理如图1所示。非旋转滑套上面有3个可以单独调节的导向翼肋，液压单元通过活塞控制导向翼肋伸出或缩回；当导向翼肋全部支撑到井壁上以后，翼肋提供的推靠力在钻头上沿预定方向产生一个侧向力，其大小和作用方向可以根据井眼轨迹控制要求随时进行调整，从而在钻柱旋转条件下完成导向钻进工作。相比之下，SRS钻井工具的结构和工作原理稍简单，因而成为国内研究重点攻关方向。然而，SRS钻井工具在正常钻进时非旋转滑套几乎不随钻柱旋转，导向翼肋与井壁之间存在较大摩擦力，导致井底实际钻压与释放大钩悬重获得的名义钻压有较大差异，钻井现场凭经验选择名义钻压往往造成井底实际钻压达不到预定要求，不仅影响钻井速度，也难以发挥旋转导向钻井技术优势。尤其是钻进软硬交错地层时，地层界面处往往有小台阶，对钻压传递效率影响更大；一旦导向翼肋前倒角设计不合理，该倒角面有可能与井壁发生自锁，SRS钻井工具将难以通过井壁台阶，难以维持正常钻进工作。

发明内容

基于上述技术问题，本发明提供一种静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法。

本发明所采用的技术解决方案是：

一种静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法，包括：

(1)钻进大段均质地层时井底钻压预测方法

A在大段均质地层中，新钻出的井眼规则、井壁无台阶；SRS钻井工具整体受力，包括上端面所受轴向力W_o，亦即释放大钩悬重获得的名义钻压，下端面所受轴向力W_a，亦即钻头获得的实际钻压，单个导向翼肋工作面上所受井壁支撑力N_si，i＝1～3，及对应摩擦力f_si，i＝1～3；

B由于导向翼肋处井壁摩擦力影响，释放大钩悬重获得的名义钻压只能部分转变成钻头获得的实际钻压；由此可以推断出，使用SRS钻井工具时，为了确保实际钻压始终大于0、满足正常钻进需要，释放大钩悬重获得的名义钻压有最小值要求；

C正常钻进时非旋转滑套随心轴缓慢旋转，导向翼肋工作面所受井壁支撑力等于该导向翼肋提供的推靠力，也即N_si＝F_si，考虑非旋转滑套旋转影响，采用等效摩擦系数将导向翼肋工作面所受井壁摩擦力进行分解，见式(1)；

式中，v_a为沿井眼轴向钻井速度，m/h；n_s为非旋转滑套旋转速度，r/h；D_h为井径，m；μ、μ_a、μ_l分别为井壁摩擦系数及其沿井眼轴向和切向的等效摩擦系数，无因次；F_si为单个导向翼肋提供的推靠力，kN；N_si、f_si分别为单个导向翼肋工作面所受井壁支撑力及摩擦力，kN；f_sai、f_sli分别为单个导向翼肋工作面所受井壁摩擦力沿井眼轴向和切向分量，kN；

D据SRS钻井工具整体受力分析，同时考虑3个导向翼肋所受外载荷，得到实际钻压随名义钻压、导向翼肋推靠力变化规律，见式(2)；

式中，W_a、W_o分别为实际钻压、名义钻压，kN；F_st为3个导向翼肋的推靠力之和，kN；推靠力之和F_st计算公式如下：

E考虑到实际钻压不能小于0，名义钻压较小时需要对式(2)进行修正，见式(4)；

F为了维持正常钻进，必须确保井底实际钻压始终大于0；给定各个导向翼肋的推靠力之后，名义钻压应始终大于导向翼肋受到的全部摩擦力；为了满足钻头高效破岩要求，往往要限定井底最小钻压，该情况下名义钻压最小值应满足以下要求。

式中，W_amin、W_omin分别为实际钻压最小值、名义钻压最小值，kN；

利用式(5)指导钻进大段均质地层时合理选择和控制名义钻压，确保钻头获得足够钻压；

(2)钻进软硬交错地层时井底钻压预测方法

a在软硬交错地层中，新钻出的井眼不规则，在地层界面处往往有台阶；当导向翼肋前倒角面接触到井壁台阶时，SRS钻井工具整体受力，外载荷包括上端面所受轴向力W_o，亦即名义钻压、下端面所受轴向力W_a，亦即实际钻压；单个导向翼肋工作面上所受井壁支撑力N_si，i＝1～3，及摩擦力f_si，i＝1～3，前倒角面上所受井壁支撑力N_fi，i＝1～3，及摩擦力f_fi，i＝1～3；导向翼肋工作面上所受井壁支撑力N_si不等于该导向翼肋提供的推靠力F_si；

b SRS钻井工具能否通过井壁台阶与导向翼肋受力状态和前倒角设计有关，单个导向翼肋受力，外载荷包括内侧面上柱塞提供的推靠力F_si，工作面上所受井壁支撑力N_si及摩擦力f_si，前倒角面上所受井壁支撑力N_fi及摩擦力f_fi；

c由受力分析可知，导向翼肋能否通过井壁台阶与名义钻压、推靠力、井壁摩擦系数以及导向翼肋前倒角有关；为了确保导向翼肋能够通过井壁台阶并维持正常钻进工作，首先应优化导向翼肋前倒角设计，确保该处不发生自锁，其次是适当提高名义钻压，确保导向翼肋能够回缩；当导向翼肋开始回缩时，导向翼肋工作面会逐渐脱离井壁，此时仅考虑导向翼肋前倒角面所受井壁支撑力和摩擦力即可；

d由导向翼肋受力分析可知，3个导向翼肋均绕销钉旋转和回缩需要满足以下力矩平衡关系；

式中，L_f为导向翼肋总长度，cm；L_s为翼肋中心至销钉的距离，cm；α为前倒角，(°)；

e由SRS钻井工具整体受力分析可知，当导向翼肋前倒角通过井壁台阶时，SRS钻井工具所受外载荷满足力平衡以下关系；

利用式(6)求出导向翼肋前倒角面所受井壁支撑力之后代入式(7)，得到式(8)；

其中，μ_e为等效摩擦系数，计算公式如下：

f考虑到实际钻压W_a不可能小于0，最终导出实际钻压W_a随名义钻压W_o、导向翼肋推靠力F_st变化规律，见式(10)；

名义钻压最小值应满足以下要求；

利用式(11)指导钻进软硬交错地层时合理选择和控制名义钻压，确保钻头获得足够钻压。

上述方法中，为了避免前端倒角面自锁，在名义钻压尚未达到上限值就能够使SRS钻井工具顺利通过井壁台阶，必须合理设计前倒角；如果限定名义钻压上限值W_omax，那么前倒角α应满足以下条件；

求解式(12)得到避免翼肋前倒角面发生自锁的倒角上限值α_m；

本发明的有益技术效果是：

(1)首次给出了使用SRS钻井工具时井底实际钻压及最小名义钻压计算方法，能够准确预测和调控井底实际钻压，提高钻进效率，节省钻井时间和钻井成本。

(2)首次给出了避免导向翼肋前倒角面与井壁台阶发生自锁的倒角上限值计算方法，为SRS钻井工具的导向翼肋前倒角设计提供了技术支撑。

附图说明

图1a为SRS钻井工具的整体结构图；图1b为图1a的A-A剖面图；图1c为导向合力及工具面示意图；

图2示出井壁无台阶时SRS钻井工具整体受力分析情况；

图3示出井壁有台阶时SRS钻井工具整体受力分析情况；

图4示出井壁有台阶时导向翼肋受力分析情况；

图5示出井底实际钻压随导向翼肋推靠力变化规律；

图6示出井底实际钻压随名义钻压变化规律；

图7示出井底实际钻压随井壁摩擦系数变化规律；

图8示出井底实际钻压随翼肋前倒角变化规律。

具体实施方式

本发明为了使用SRS钻井工具时能够准确预测和调控井底钻压，给出了井壁无台阶和有台阶时井底实际钻压定量预测模型，以及最小名义钻压、导向翼肋前倒角上限计算方法，形成了一套完整、实用的SRS钻井工具的井底实际钻压预测方法。

(1)钻进大段均质地层(井壁无台阶)时井底实际钻压计算方法

在大段均质地层中，新钻出的井眼通常比较规则、井壁无台阶，正常钻进时非旋转滑套随心轴缓慢旋转(2～5r/h)。该情况下井底实际钻压计算公式见式(1)。

式中，W_a为井底实际钻压，kN；W_o为释放大钩悬重获得的名义钻压，kN；F_st为导向翼肋的推靠力之和(注意：不同于导向合力)，kN；v_a为钻井速度(沿井眼轴向)，m/h；n_s为非旋转滑套旋转速度，r/h；D_h为井径，m；μ、μ_a分别为井壁摩擦系数及其沿井眼轴向的等效摩擦系数，无因次；F_si为单个导向翼肋提供的推靠力，kN。

(2)钻进大段均质地层(井壁无台阶)时最小名义钻压计算方法

为了维持正常钻进，必须确保井底实际钻压始终大于0。给定各个导向翼肋的推靠力之后，名义钻压应始终大于导向翼肋受到的全部摩擦力。不仅如此，为了满足钻头高效破岩要求，往往要限定井底最小钻压，名义钻压最小值计算公式如下：

式中，W_amin、W_omin分别为实际钻压最小值、名义钻压最小值，kN；其余符号同前。

(3)钻进软硬交错地层(井壁有台阶)时井底实际钻压计算方法

在软硬交错地层中，新钻出的井眼不规则，在地层界面处往往有小台阶。该情况下不考虑到非旋转滑套旋转影响，SRS钻井工具能否通过井壁台阶是能否维持正常钻进的关键所在，取决于井壁台阶处导向翼肋受力状态和前倒角设计。

井壁有台阶(或钻进软硬交错地层)时，井底实际钻压计算公式见式(5)。

式中，μ_e为等效摩擦系数，无因次；L_f为导向翼肋总长度，cm；L_s为翼肋中心至销钉的距离，cm；α为前倒角，(°)；其余符号同前。

(4)钻进软硬交错地层(井壁有台阶)时最小名义钻压计算方法

井壁有台阶时应适当提高名义钻压，确保SRS钻井工具能够通过井壁台阶并向钻头传递足够钻压。该情况下名义钻压最小值计算公式如下：

(5)钻进软硬交错地层(井壁有台阶)时翼肋前倒角上限值计算方法

为了避免导向翼肋前倒角面与井壁台阶自锁，必须合理设计导向翼肋前倒角，确保在名义钻压尚未达到上限值就能够使SRS钻井工具顺利通过井壁台阶。限定名义钻压上限值之后，避免翼肋前倒角面发生自锁的倒角上限值计算公式如下。

式中，W_omax为名义钻压上限值(取决于SRS钻井工具强度)，kN；α_m为避免翼肋前倒角面发生自锁的倒角上限值，(°)；其余符号同前。

下面结合附图及原理性内容对本发明方法进行详细说明。

(1)钻进大段均质地层(井壁无台阶)时井底钻压预测方法

在大段均质地层中，新钻出的井眼通常比较规则、井壁无台阶。该情况下，SRS钻井工具整体受力分析如图2所示，包括上端面所受轴向力W_o(相当于释放大钩悬重获得的名义钻压)，下端面所受轴向力W_a(相当于钻头获得的实际钻压)，单个导向翼肋工作面上所受井壁支撑力N_si(i＝1～3)及对应摩擦力f_si(i＝1～3)。

由图2可以看出，由于导向翼肋处井壁摩擦力影响，释放大钩悬重获得的名义钻压只能部分转变成实际钻压。如果名义钻压较小、不足以克服井壁摩擦力，那么实际钻压等于0，难以维持正常钻进；如果名义钻压较大、足以克服井壁摩擦力，那么实际钻压大于0，能够维持正常钻进。由此可以推断出，使用SRS钻井工具时，为了确保实际钻压始终大于0、满足正常钻进需要，释放大钩悬重获得的名义钻压有最小值要求。

钻井实践表明，正常钻进时非旋转滑套并非真的不旋转，而是随心轴缓慢旋转(2～5r/h)。因为心轴顺时针方向旋转时非旋转滑套两端的TC轴承会传递少部分摩擦力和摩擦扭矩，迫使非旋转滑套随心轴缓慢旋转。井壁无台阶时，导向翼肋工作面所受井壁支撑力等于该导向翼肋提供的推靠力，也即N_si＝F_si。考虑非旋转滑套旋转影响，采用等效摩擦系数将导向翼肋工作面所受井壁摩擦力进行分解，见式(1)。

式中，v_a为钻井速度(沿井眼轴向)，m/h；n_s为非旋转滑套旋转速度，r/h；D_h为井径，m；μ、μ_a、μ_l分别为井壁摩擦系数及其沿井眼轴向和切向的等效摩擦系数，无因次；F_si为单个导向翼肋提供的推靠力，kN；N_si、f_si分别为单个导向翼肋工作面所受井壁支撑力及摩擦力，kN；f_sai、f_sli分别为单个导向翼肋工作面所受井壁摩擦力沿井眼轴向和切向分量，kN。

据SRS钻井工具整体受力分析，同时考虑3个导向翼肋所受外载荷，得到实际钻压随名义钻压、导向翼肋推靠力变化规律，见式(2)。

式中，W_a、W_o分别为实际钻压、名义钻压，kN；F_st为3个导向翼肋的推靠力之和(注意：不同于导向合力)，kN；其余符号同前。

推靠力之和F_st计算公式如下：

考虑到实际钻压不能小于0，名义钻压较小时需要对式(2)进行修正，见式(4)。

为了维持正常钻进，必须确保井底实际钻压始终大于0。给定各个导向翼肋的推靠力之后，名义钻压应始终大于导向翼肋受到的全部摩擦力。为了满足钻头高效破岩要求，往往要限定井底最小钻压，该情况下名义钻压最小值应满足以下要求。

式中，W_amin、W_omin分别为实际钻压最小值、名义钻压最小值，kN；其余符号同前。

利用式(5)可以指导钻井时合理选择和控制名义钻压，确保钻头获得足够钻压。

(2)钻进软硬交错地层(井壁有台阶)时井底钻压预测方法

在软硬交错地层中，新钻出的井眼不规则，在地层界面处往往有小台阶。该情况下，SRS钻井工具能否通过井壁台阶是能否维持正常钻进的关键所在。

当导向翼肋前倒角面接触到井壁台阶时，SRS钻井工具整体受力分析如图3所示。外载荷包括上端面所受轴向力W_o(名义钻压)、下端面所受轴向力W_a(实际钻压)；单个导向翼肋工作面上所受井壁支撑力N_si(i＝1～3)及摩擦力f_si(i＝1～3)，前倒角面上所受井壁支撑力N_fi(i＝1～3)及摩擦力f_fi(i＝1～3)。可以推断出，该情况下导向翼肋工作面上所受井壁支撑力N_si不等于该导向翼肋提供的推靠力F_si。

SRS钻井工具能否通过井壁台阶与导向翼肋受力状态和前倒角设计有关。单个导向翼肋受力分析如图4所示。外载荷包括内侧面上柱塞提供的推靠力F_si，工作面上所受井壁支撑力N_si及摩擦力f_si，前倒角面上所受井壁支撑力N_fi及摩擦力f_fi。

综合图3和图4可以推断出，如果名义钻压足以克服导向翼肋工作面所受摩擦力并向下传递至前倒角面上，那么该处的井壁支撑力和摩擦力随名义钻压增加而增大；如果前倒角设计合理，该倒角面不与井壁自锁，那么当名义钻压增大到一定值时，导向翼肋所受外载荷产生的力矩就有可能迫使导向翼肋绕销钉向内侧转动，只要柱塞伸出量有所减小，也即翼肋回缩，SRS钻井工具就能够通过井壁台阶；否则，如果前倒角设计不合理，该倒角面与井壁发生自锁，或者导向翼肋所受外载荷产生的力矩不能迫使翼肋回缩，那么SRS钻井工具就不能通过井壁台阶。

由上述分析可知，导向翼肋能否通过井壁台阶与名义钻压、推靠力、井壁摩擦系数以及导向翼肋前倒角有关；前倒角面不与井壁自锁是确保导向翼肋能够通过井壁台阶的前提条件，翼肋回缩是确保导向翼肋能够通过井壁台阶的必要条件。

为了确保导向翼肋能够通过井壁台阶并维持正常钻进工作，首先应优化导向翼肋前倒角设计，确保该处不发生自锁，其次是适当提高名义钻压(也即适当多释放一些大钩悬重)，确保导向翼肋能够回缩。当导向翼肋开始回缩时，导向翼肋工作面会逐渐脱离井壁，此时仅考虑导向翼肋前倒角面所受井壁支撑力和摩擦力即可。

考虑到软硬交错地层中新钻出的井眼不规则，影响非旋转滑套旋转，该情况下不考虑到非旋转滑套旋转影响，不需要将前倒角面所受井壁摩擦力进行分解。由导向翼肋受力分析可知，3个导向翼肋均绕销钉旋转和回缩需要满足以下力矩平衡关系。

式中，L_f为导向翼肋总长度，cm；L_s为翼肋中心至销钉的距离，cm；α为前倒角，(°)。

由SRS钻井工具整体受力分析可知，当导向翼肋前倒角通过井壁台阶时，SRS钻井工具所受外载荷满足力平衡以下关系。

利用式(6)求出导向翼肋前倒角面所受井壁支撑力之后代入式(7)，得到式(8)。

其中，μ_e为等效摩擦系数，计算公式如下：

同样，考虑到实际钻压W_a不可能小于0，最终导出实际钻压W_a随名义钻压W_o、导向翼肋推靠力F_st变化规律，见式(10)。

对比式(4)和式(10)可知，井壁有台阶时井底实际钻压小于井壁无台阶时对应值。因此，在软硬交错地层钻进时应适当提高名义钻压，确保SRS钻井工具能够通过井壁台阶并向钻头传递足够钻压。该情况下，名义钻压最小值应满足以下要求。

上文已经指出，导向翼肋前倒角面不与井壁自锁是确保SRS钻井工具能够通过井壁台阶的前提条件，下面重点探讨前倒角面自锁条件。

对于式(9)来说，通常情况下sinα+μcosα>0，cosα-μsinα>0。若分母中cosα-μsinα→0⁺(大于0并趋近于0)，则等效摩擦系数μ_e→+∞，只有名义钻压W_o→+∞，才能确保实际钻压W_a>0。出现该情况就意味着前倒角面已经自锁了，此时无论名义钻压有多大也不能使SRS钻井工具通过井壁台阶，也不能使实际钻压大于0。因此，为了避免前端倒角面自锁，在名义钻压尚未达到上限值就能够使SRS钻井工具顺利通过井壁台阶，必须合理设计前倒角。如果限定名义钻压上限值W_omax，那么前倒角α应满足以下条件。

求解式(12)得到避免翼肋前倒角面发生自锁的倒角上限值α_m。

下面通过具体应用实例对本发明作进一步说明。

默认计算条件如下：导向翼肋推靠力之和为60kN；导向翼肋总长度为30cm、翼肋中心至销钉的距离为25cm、前倒角为30°；井径为0.216m，井壁摩擦系数为0.3；名义钻压默认值为100kN；钻井速度为5.0m/h，非旋转滑套转速为2r/h。

重点分析井底实际钻压随导向翼肋推靠力、名义钻压及井壁摩擦系数变化规律，以及井壁有台阶时井底实际钻压随导向翼肋前倒角变化规律。

(1)井底实际钻压随导向翼肋推靠力变化规律

限定名义钻压为100kN，井底实际钻压随导向翼肋推靠力变化规律如图5所示。可以看出，该条件下井底实际钻压与翼肋推靠力之和成反比；井壁有台阶时井底实际钻压明显低于无台阶时对应值，可能导致井底实际钻压远低于名义钻压。因此，当翼肋推靠力之和较大且井壁有台阶时，应适当提高名义钻压。

(2)井底实际钻压随名义钻压变化规律

限定导向翼肋推靠力之和为60kN，井底实际钻压随名义钻压变化规律如图6所示。可以看出，该条件下井底实际钻压与名义钻压成正比，且名义钻压超过某个值之后，井底实际钻压才大于0；井壁有台阶时井底实际钻压明显低于无台阶时对应值。因此，使用SRS钻井工具时名义钻压有最小值要求；当井壁有台阶时应适当提高名义钻压。

(3)井底实际钻压随井壁摩擦系数变化规律

限定导向翼肋推靠力之和为60kN，名义钻压为100kN，井底实际钻压随井壁摩擦系数变化规律如图7所示。可以看出，该条件下井底实际钻压随井壁摩擦系数增大而减小；井壁有台阶时井底实际钻压明显低于无台阶时对应值。因此，在加工导向翼肋时，应确保工作面和倒角面光滑，以便降低摩擦系数，提高钻压传递效率。在钻井现场，如果井眼不规则、钻井液润滑性较差，应适当提高名义钻压，确保钻头有足够钻压。

(4)井壁有台阶时井底实际钻压随翼肋前倒角变化规律

限定翼肋推靠力之和为60kN，名义钻压为100kN，井底实际钻压随翼肋前倒角变化规律如图8所示。可以看出，该情况下井底实际钻压随翼肋前倒角增大而降低；当前倒角较大时井底实际钻压有可能降低到0，也即前倒角面有可能发生自锁。因此，必须合理设计翼肋前倒角，避免前倒角面与井壁发生自锁。

Claims (1)

1.一种静态推靠式旋转导向钻井工具的井底实际钻压预测方法，其特征在于包括：

(1)钻进大段均质地层时井底钻压预测方法

A在大段均质地层中，新钻出的井眼规则、井壁无台阶；SRS钻井工具整体受力，包括上端面所受轴向力W_o，亦即释放大钩悬重获得的名义钻压，下端面所受轴向力W_a，亦即钻头获得的实际钻压，单个导向翼肋工作面上所受井壁支撑力N_si，i＝1～3，及对应摩擦力f_si，i＝1～3；

B由于导向翼肋处井壁摩擦力影响，释放大钩悬重获得的名义钻压只能部分转变成钻头获得的实际钻压；由此可以推断出，使用SRS钻井工具时，为了确保实际钻压始终大于0、满足正常钻进需要，释放大钩悬重获得的名义钻压有最小值要求；

C正常钻进时非旋转滑套随心轴缓慢旋转，导向翼肋工作面所受井壁支撑力等于该导向翼肋提供的推靠力，也即N_si＝F_si，考虑非旋转滑套旋转影响，采用等效摩擦系数将导向翼肋工作面所受井壁摩擦力进行分解，见式(1)；

式中，v_a为沿井眼轴向钻井速度，m/h；n_s为非旋转滑套旋转速度，r/h；D_h为井径，m；μ、μ_a、μ_l分别为井壁摩擦系数及其沿井眼轴向和切向的等效摩擦系数，无因次；F_si为单个导向翼肋提供的推靠力，kN；N_si、f_si分别为单个导向翼肋工作面所受井壁支撑力及摩擦力，kN；f_sai、f_sli分别为单个导向翼肋工作面所受井壁摩擦力沿井眼轴向和切向分量，kN；

D据SRS钻井工具整体受力分析，同时考虑3个导向翼肋所受外载荷，得到实际钻压随名义钻压、导向翼肋推靠力变化规律，见式(2)；

式中，W_a、W_o分别为实际钻压、名义钻压，kN；F_st为3个导向翼肋的推靠力之和，kN；

推靠力之和F_st计算公式如下：

E考虑到实际钻压不能小于0，名义钻压较小时需要对式(2)进行修正，见式(4)；

F为了维持正常钻进，必须确保井底实际钻压始终大于0；给定各个导向翼肋的推靠力之后，名义钻压应始终大于导向翼肋受到的全部摩擦力；为了满足钻头高效破岩要求，往往要限定井底最小钻压，该情况下名义钻压最小值应满足以下要求。

式中，W_amin、W_omin分别为实际钻压最小值、名义钻压最小值，kN；

利用式(5)指导钻进大段均质地层时合理选择和控制名义钻压，确保钻头获得足够钻压；(2)钻进软硬交错地层时井底钻压预测方法

a在软硬交错地层中，新钻出的井眼不规则，在地层界面处往往有台阶；当导向翼肋前倒角面接触到井壁台阶时，SRS钻井工具整体受力，外载荷包括上端面所受轴向力W_o，亦即名义钻压、下端面所受轴向力W_a，亦即实际钻压；单个导向翼肋工作面上所受井壁支撑力N_si，i＝1～3，及摩擦力f_si，i＝1～3，前倒角面上所受井壁支撑力N_fi，i＝1～3，及摩擦力f_fi，i＝1～3；导向翼肋工作面上所受井壁支撑力N_si不等于该导向翼肋提供的推靠力F_si；

b SRS钻井工具能否通过井壁台阶与导向翼肋受力状态和前倒角设计有关，单个导向翼肋受力，外载荷包括内侧面上柱塞提供的推靠力F_si，工作面上所受井壁支撑力N_si及摩擦力f_si，前倒角面上所受井壁支撑力N_fi及摩擦力f_fi；

c由受力分析可知，导向翼肋能否通过井壁台阶与名义钻压、推靠力、井壁摩擦系数以及导向翼肋前倒角有关；为了确保导向翼肋能够通过井壁台阶并维持正常钻进工作，首先应优化导向翼肋前倒角设计，确保该处不发生自锁，其次是适当提高名义钻压，确保导向翼肋能够回缩；当导向翼肋开始回缩时，导向翼肋工作面会逐渐脱离井壁，此时仅考虑导向翼肋前倒角面所受井壁支撑力和摩擦力即可；

d由导向翼肋受力分析可知，3个导向翼肋均绕销钉旋转和回缩需要满足以下力矩平衡关系；

式中，L_f为导向翼肋总长度，cm；L_s为翼肋中心至销钉的距离，cm；α为前倒角，(°)；

e由SRS钻井工具整体受力分析可知，当导向翼肋前倒角通过井壁台阶时，SRS钻井工具所受外载荷满足力平衡以下关系；

利用式(6)求出导向翼肋前倒角面所受井壁支撑力之后代入式(7)，得到式(8)；

其中，μ_e为等效摩擦系数，计算公式如下：

f考虑到实际钻压W_a不可能小于0，最终导出实际钻压W_a随名义钻压W_o、导向翼肋推靠力F_st变化规律，见式(10)；

名义钻压最小值应满足以下要求；

利用式(11)指导钻进软硬交错地层时合理选择和控制名义钻压，确保钻头获得足够钻压；为了避免前端倒角面自锁，在名义钻压尚未达到上限值就能够使SRS钻井工具顺利通过井壁台阶，必须合理设计前倒角；如果限定名义钻压上限值W_omax，那么前倒角α应满足以下条件；

求解式(12)得到避免翼肋前倒角面发生自锁的倒角上限值α_m；

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