CN115270345B - 基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法，本方法首先基于材料力学和定向井下部钻具组合设计标准中切点的辅助方程，得到切点跨距计算方程；基于跨距计算方程得到切点跨距关系图，然后基于目标孔斜和目标钻压，根据关系图得到对应的切点跨距，并标记为目标跨距；最后于绳索取心钻杆上安装多个稳定器，且相邻的稳定器之间的距离不超过目标跨距，这样设置，多个稳定器能够大大提升对于绳索取心钻杆的稳定作用，减少钻进过程中的位移，从而预防钻孔弯曲；且因稳定器之间的距离不超过目标跨距，能够避免绳索取心钻杆重新形成触点而导致的防斜效果降低，即提升钻进防斜效果。

Description

基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法
技术领域
本发明涉及绳索取心钻进技术领域，具体涉及一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法。
背景技术
绳索取心钻进技术是一种在地质钻探中非常有效的勘探方法，具有钻探成本低、钻进效率高、岩心采取率高、劳动强度小等优点，在各类地质勘探中，尤其是在固体矿产资源勘探方面得到了广泛应用。
孔斜，又称钻孔弯曲。是指在钻进过程中，已经钻成的孔段或井段轴线同原设计轴线之间所产生的偏移。
由于绳索取心钻进工艺特点，孔斜质量要求以每100米增加量为评价指标，对孔斜的控制效果低于石油行业中大井径厚壁钻具体系。石油行业中有多种运用成熟的防斜稳斜钻具组合，如钟摆钻具、预弯曲钻具、垂直钻进系统等，但是受限于绳索取心工艺的小径钻具和井眼、薄壁管材、连续取心等因素，难以得到推广应用。
地层作用是造成钻孔孔斜和方位飘移的主要因素，与地层倾角、井斜角、钻头倾角、钻头与地层的相对位置等因素相关，称为地层造斜力。
在控制钻孔方位飘移方面，通过设计钻孔方位与地层倾向一致来控制钻头与地层的相对位置，使得相对钻头而言钻遇的地层视为横观各向同性，从而抵消钻头上受到的方位变化的地层力，较好的实现控制钻孔方位。
在固体矿产资源钻探中大部分地层存在倾角大、软硬互层变化频繁或地层破碎等特点，以及为提高矿产勘查效率、推进绿色勘查而采用的斜直孔设计要求。高陡地层及斜孔设计都使绳索取心钻探施工时受到的地层造斜力较大，钻孔孔斜控制难度大，易产生较大的弯曲，进而造成实际钻遇目标靶点与设计靶点偏差过大，影响矿产资源勘查精度和质量。
在易斜地层中通常采用初级定向技术控制钻孔轨迹，根据地层见矿深度、该区块钻孔井弯曲规律合理设计开孔角度，使得实钻钻孔轨迹能够在设计控制的矿体靶点穿过，从而达到矿产资源调查精度。
浅孔钻探时，钻孔轨迹短，引起的误差较小，能够较准确控制矿脉，但是对于钻孔孔斜预防和控制并无较好效果，不利于中深孔及以上深度的钻孔下半段施工。因为较大的钻孔轨迹不利于控制终孔靶点位置，甚至需多次移位调整开孔位置和角度，同时导致整体孔斜增加较大，钻杆整体处于弯曲状态，高速旋转时的摩阻大，造成磨损严重，易发生孔内钻具事故，同时取心内管和打捞器下放困难，也不利于绳索取心作业。
目前在绳索取心钻探中常用的预防钻孔弯曲措施，一般采用小径孔底动力钻具+绳索取心工艺的方案，但是其成本高、工序较复杂，难以到大面积推广；故目前急需一种成本更低，操作工序更为简单的孔斜控制方案来实现绳索取心钻进。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法，旨在解决目前急需一种成本更低，操作工序更为简单的孔斜控制方案来实现绳索取心钻进的问题。
本发明提出的技术方案为：
一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法，应用于绳索取心钻具系统；所述钻具系统包括扶正器、绳索取心钻杆、上扩孔器与钻杆导正器，且上扩孔器与钻杆导正器统称为稳定器；所述方法，包括：
基于材料力学和定向井下部钻具组合设计标准中切点的辅助方程，得到切点跨距计算方程；
所述切点跨距计算方程通过二分法迭代逼近精确值，以得到不同孔斜和钻压作用下的切点跨距关系图，其中，根据纵横弯曲梁理论的假设条件，依据绳索取心钻杆、下扩孔器与钻孔孔径之间的参数关系，将绳索取心钻具的假设条件进行优化，钻头与下扩孔器视为钻头整体，不考虑二者的跨连接；根据绳索取心管柱结构中的上扩孔器与钻杆导正器与钻孔孔壁间间隙为零的特点，稳定器作为支点不会产生径向位移，增加了稳定器在纵横连续梁理论中相应的边界条件；
获取预设孔斜和预设钻压，其中，管柱结构中的稳定器外径大于钻头外径，下扩孔器的作用为修整孔壁，保持取心钻具的稳定性，防止钻头磨损导致孔径逐渐减小，确保钻孔直径符合要求；稳定器与钻孔孔壁之间全接触无间隙，以保证不会产生径向位移导致稳定器产生转角；
基于预设孔斜和预设钻压，根据所述关系图得到对应的切点跨距，并标记为目标跨距；
于所述绳索取心钻杆上安装多个稳定器，且相邻的稳定器之间的距离不超过所述目标跨距。
优选的，所述切点跨距计算方程为：
，
其中：，
式中：l 1为切点跨距，单位为m；S 1为钻柱自重引起的轴向力，单位为N；I为钻柱的惯性矩，单位为m4；E为钻柱的弹性模量，单位为N/m2；u为稳定系数；q为钻柱自重引起的横向荷载，单位为N/m；△r 1为管柱与井壁的半径差，单位为m。
优选的，扶正器的上部的主动钻杆在自重作用下与钻孔壁的接触点称为切点，所述切点跨距为所述切点与扶正器之间的距离。
优选的，在相同的参数条件下，当相邻稳定器间的跨距小于切点跨距时，将该段管柱简化视为不产生弯曲变形的刚体；根据钻具结构特点和力学模型假设条件，稳定器安装在相同参数条件下光杆钻柱的切点距离，能够发挥出最大的降斜作用；当稳定器间的跨距过大时，管柱与孔壁将会产生新的接触点，降低防斜效果，导致该稳定器的防斜作用失效。
优选的，所述系统还包括取心钻头；所述基于目标孔斜和目标钻压，根据所述关系图得到对应的切点跨距，并标记为目标跨距，之后还包括：
基于目标跨距和目标钻压计算得到取心钻头的钻头侧向力；
分析所述钻头侧向力以判断所述目标跨距是否合理。
优选的，所述基于目标跨距和目标钻压计算得到取心钻头的钻头侧向力的计算公式为：
，
式中：为所述钻头侧向力，单位为N；l 2为所述目标跨距，单位为m；S 0为钻压，单位为N。
优选的，所述定向井下部钻具组合设计标准的标准号为SY/T 5619-2018。
优选的，所述预设孔斜为0°-90°。
优选的，所述钻具系统还包括钻头、下扩孔器、绳索取心钻具、上扩孔器、钻杆和主动钻杆。
通过上述技术方案，能实现以下有益效果：
本发明提出的基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法，首先基于材料力学和定向井下部钻具组合设计标准中切点的辅助方程，得到切点跨距计算方程；基于跨距计算方程得到切点跨距关系图，然后基于目标孔斜和目标钻压，根据关系图得到对应的切点跨距，并标记为目标跨距；最后于绳索取心钻杆上安装多个稳定器，且相邻的稳定器之间的距离不超过目标跨距，这样设置，多个稳定器能够大大提升对于绳索取心钻杆的稳定作用，减少钻进过程中的位移，从而预防钻孔弯曲；且因相邻的稳定器之间的距离不超过目标跨距，能够避免绳索取心钻杆重新形成触点而导致的防斜效果降低，即提升钻进防斜效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提出的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法第一实施例的流程图；
图2为本发明提出的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法第二实施例中不同孔斜和钻压作用下的切点跨距关系图；
图3为本发明提出的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法第六实施例中不同孔斜下钻压对钻头侧向力的影响关系图。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法。
如附图1所示，在本发明提出的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法的第一实施例中，本基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法应用于绳索取心钻具系统；所述钻具系统包括钻头、下扩孔器、绳索取心钻具、上扩孔器、钻杆、主动钻杆、扶正器、绳索取心钻杆和钻杆导正器，且上扩孔器与钻杆导正器统称为稳定器；本实施例包括如下步骤：
步骤S110：基于材料力学和定向井下部钻具组合设计标准中切点的辅助方程，得到切点跨距计算方程。
具体的，这里的定向井下部钻具组合设计标准的标准号为SY/T 5619-2018。
步骤S120：所述切点跨距计算方程通过二分法迭代逼近精确值，以得到不同孔斜和钻压作用下的切点跨距关系图，其中，根据纵横弯曲梁理论的假设条件，依据绳索取心钻杆、下扩孔器与钻孔孔径之间的参数关系，将绳索取心钻具的假设条件进行优化，钻头与下扩孔器视为钻头整体，不考虑二者的跨连接；根据绳索取心管柱结构中的上扩孔器与钻杆导正器（统称为稳定器）与钻孔孔壁间间隙为零的特点，稳定器作为支点不会产生径向位移，增加了稳定器在纵横连续梁理论中相应的边界条件。
步骤S130：获取预设孔斜和预设钻压，其中，管柱结构中的稳定器外径略大于钻头外径，下扩孔器的作用为修整孔壁，保持取心钻具的稳定性，防止钻头磨损导致孔径逐渐减小，确保钻孔直径符合要求；稳定器与钻孔孔壁之间全接触无间隙，以保证不会产生径向位移导致稳定器产生转角。
具体的，这里的预设孔斜即是需要控制的孔斜上限值，预设孔斜是钻孔设计孔斜，从垂直的0°到水平的90°均有可能，即所述预设孔斜为0°-90°，并根据实际情况选取。本实施例中优选为1°。
这里的预设钻压即是钻进过程中施加于主动钻头的压力，一般为5-15kN，下文的计算可取10kN。
步骤S140：基于预设孔斜和预设钻压，根据所述关系图得到对应的切点跨距，并标记为目标跨距。
具体的，扶正器的上部的主动钻杆在自重作用下与钻孔壁的接触点称为切点，所述切点跨距为所述切点与扶正器之间的距离。
步骤S150：于所述绳索取心钻杆上安装多个稳定器，且相邻的稳定器之间的距离不超过所述目标跨距。具体的，一般安装4-5个稳定器。
具体的，本发明提出的基于材料力学和定向井下部钻具组合设计标准中切点的辅助方程，这个力学模型的边界条件简化了，因扶正器和孔壁间隙为0，所以才能简化；且其假设条件为基于取心钻头与下扩孔器视为整体；通过上述两个条件，才能够将安装稳定器的、相邻稳定器之间的跨距小于切点跨距的管柱进行等效简化，整体近似为无弯曲变形的刚体。
稳定器是管柱支点的统称。上扩孔器与（下扩孔器+钻头）；上扩孔器与钻杆上导正器；各个导正器之间；距离均需要满足跨距。
本发明提出的基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法，首先基于材料力学和定向井下部钻具组合设计标准中切点的辅助方程，得到切点跨距计算方程；基于跨距计算方程得到切点跨距关系图，然后基于目标孔斜和目标钻压，根据关系图得到对应的切点跨距，并标记为目标跨距；最后于绳索取心钻杆上安装多个稳定器，且相邻的稳定器之间的距离不超过目标跨距，这样设置，多个稳定器能够大大提升对于绳索取心钻杆的稳定作用，减少钻进过程中的位移，从而预防钻孔弯曲；且因相邻的稳定器之间的距离不超过目标跨距，能够避免绳索取心钻杆重新形成触点而导致的防斜效果降低，即提升钻进防斜效果。
此外，绳索取心钻具特点及力学模型选取分析如下：
以S75绳索取心钻具作为研究对象，其常用钻具组合：φ76 mm取心钻头+φ76.5mm下扩孔器+ S75绳索取心钻具+φ76.5 mm上扩孔器（弹卡室）+多根φ71 mm绳索取心钻杆+φ76.5 mm钻杆导正器×n个+多根φ71 mm绳索取心钻杆+主动钻杆。
绳索取心钻杆不仅用于传递扭矩、循环钻井液，还作为输送内管和打捞器的通道，因此需要强度高、管壁薄、内平连接的特点。孔下取心工具为单动双层岩心管，由外管总成和内管总成组成，外管是孔底的主要受力部件。
与油气管柱相比，绳索取心管柱中具有小径薄壁材质、岩心管上下扩孔器位置固定、岩心钻头外径略小于扩孔器、扩孔器与扶正器外径与孔径一直等特点，因此在定向井下部钻具组合设计方法SY/T 5619-2018中各种钻具组合不能直接带入到绳索取心管柱中，需结合其特点进行深入分析。
在绳索取心管柱中要求扩孔器外径大于钻头外径0.5 mm，其作用是为了用于修整孔壁，同时保持取心钻具的稳定性，防止钻头磨损导致孔径逐渐减小，确保钻孔直径符合要求，因此绳索取心外管具有较固定的管柱结构。
以S75系列绳索取心钻头+下扩孔器为例，下扩孔器紧邻钻头，跨距为10cm，由于二者均承受钻压和切削孔壁的特点，为建立力学模型，需要增加一基本假设：绳钻岩心钻头+下扩孔器视为钻头整体，不考虑二者的跨连接。
在油气井工程中扶正器外径都小于井径，故受力变形时稳定器会支撑在一侧井壁上，从而产生支座位移引起梁柱端部形成附加转角。依据纵横弯曲连续梁理论，稳定器与井壁之间的间隙是造成其他支点受力变化的主要原因，钻头受到的侧向力变化对该间隙敏感，也是油气井管柱组合多样的原因。
绳索取心管柱中的上扩孔器和钻杆导正器都为梁结构的支点，根据技术规范要求，外径都是为φ76.5mm，即稳定器与孔壁之间的间隙△r i均为零，支点不会因位移产生附加转角，各支点增加了相应的边界条件，结合材料力学的理论，对钻头的受力分析可做较大程度的简化。
管柱结构中稳定器上部管柱在自重作用下与孔壁的接触点称为切点，切点与钻头之间的管柱结构是研究的整体对象，切点位置由管柱的惯性矩、单位重量、上部传递的轴向荷载、井斜等参数确定。
钻头受到的钻压由下部管柱的浮重提供，如油气井中φ177.8 mm钻铤的单位质量为163.44 kg/m，S75绳索取心钻杆的单位质量为8.14 kg/m，由此可以计算提供钻压所需的管柱长度。
油气井工程中采用钟摆钻具进行低压吊打时，只需要较少的钻铤甚至是稳定器下部的钻铤即可完全提供钻进所需的钻压，受压管柱长度较小，从而使稳定器上部钻柱与井壁的切点跨距Ln+1延长，是油气井中常用的防斜打直钻具组合，具有良好的防斜打直效果。
而在绳索取心管柱中，提供正常钻压钻进的管柱长度远大于底部安装稳定器的管柱长度，稳定器上部较长的一段钻柱始终承受较大轴向压力作用，且随着钻压的增加，稳定器上部钻柱与井壁的切点跨距L n+1逐渐减小。
依据前文对绳索取心管柱的特点分析及其力学模型，切点与钻头之间的组合结构是管柱受力的研究对象，包含两个参数：①切点与稳定器之间的跨距，该跨距随钻压变化而变化；②稳定器之间的跨距，上扩孔器下部的跨距受取心钻具结构限制，很少变化，上扩孔器与钻杆导正器、钻杆导正器之间的跨距为研究对象。
在本发明提出的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法的第二实施例中，基于第一实施例，所述切点跨距计算方程为：
，
其中：，
式中：l 1为切点跨距，单位为m；S 1为钻柱自重引起的轴向力，单位为N；I为钻柱的惯性矩，单位为m4；E为钻柱的弹性模量，单位为N/m2；u为稳定系数；q为钻柱自重引起的横向荷载，单位为N/m；△r 1为管柱与井壁的半径差，单位为m。
本实施例中，以S75绳索取心钻具为研究对象，上述公式的各项取值为：绳索取心钻杆内外径分别为61mm、71mm，惯性矩I=56.77（cm4）；岩心外管与钻杆的参数相近，故均采用岩心钻杆参数进行计算，管柱单位重量为8.14kg/m；切点处钻杆与井壁的半径差△r1=2.75mm；④弹性模量E取202Gpa；S1取管柱中点平均值。
L 1取初始值后，在方程中通过二分法迭代逼近精确值，以得不同孔斜和钻压作用下的切点跨距关系图见附图2，附图2中不同的曲线表示不同大小的孔斜值。
由附图2可知，绳索取心管柱受到的钻压与孔斜对切点跨距均具有较大的影响。孔斜增加时管柱自重引起的横向荷载增加，钻压增加使管柱受压稳定性降低，都引起管柱与孔壁的切点下移，跨距减小。对于孔斜较小的直孔，钻压是影响跨距的主要因素，在一些大孔斜甚至是水平孔的直孔，跨距主要受管柱的自重和刚性影响，钻压对其影响程度较小。
切点的位置是扶正器安装的主要依据，稳定器安装在相同条件下光杆钻柱的切点距离，能够发挥出最大的降斜作用。根据钻具结构特点和力学模型假设条件，可将光钻杆钻具的切点跨距近似为稳定器上部的切点跨距，故稳定器的之间跨距应小于图2中相同条件下的数据，跨距过大时，管柱与孔壁将会产生新的接触点，降低防斜效果，甚至导致该扶正器的防斜作用失效。当前采用的S75绳索取心钻具岩心管总成一般为4m，上下扩孔器距离为3.5m，满足该条件，在绳钻管柱结构上继续安装钻杆导正器也宜满足该条件。
在本发明提出的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法的第三实施例中，基于第二实施例，扶正器的上部的主动钻杆在自重作用下与钻孔壁的接触点称为切点，所述切点跨距为所述切点与扶正器之间的距离。
在本发明提出的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法的第四实施例中，基于第一实施例，在相同的参数条件下，当相邻稳定器间的跨距小于切点跨距时，将该段管柱简化视为不产生弯曲变形的刚体；根据钻具结构特点和力学模型假设条件，稳定器安装在相同参数条件下光杆钻柱的切点距离，能够发挥出最大的降斜作用；当稳定器间的跨距过大时，管柱与孔壁将会产生新的接触点，降低防斜效果，导致该稳定器的防斜作用失效。
在本发明提出的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法的第五实施例中，基于第二实施例，所述系统还包括取心钻头；步骤S140，之后还包括如下步骤：
步骤S510：基于目标跨距和目标钻压计算得到取心钻头的钻头侧向力。
步骤S520：分析所述钻头侧向力以判断所述目标跨距是否合理
在本发明提出的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法的第六实施例中，基于第五实施例，所述基于目标跨距和目标钻压计算得到取心钻头的钻头侧向力的计算公式为：
，
式中：为所述钻头侧向力，单位为N；l 2为所述目标跨距，单位为m；S 0为钻压，单位为N。
由上式可看出，随着钻压S 0逐渐增大，由图2可知l 1减小，则P c增大，钻头侧向力由降斜力逐渐增加到增斜力；因此在实际钻探中，采用低钻压是控制孔斜的有效方法之一。
其中q是关于孔斜的参数，采用如下钻具组合分析：φ76 mm取心钻头+φ76.5 mm下扩孔器+ S75绳索取心钻具+φ76.5 mm上扩孔器（弹卡室）+φ71 mm绳索取心钻杆+主动钻杆，其钻头受到的侧向力见附图3（附图3中不同曲线表示不同孔斜），负号表示侧向力为降斜力，降斜力随着孔斜增加而增大，同时随着钻压增加而减小。
前文对绳索取心管柱的特点阐述，绳钻管柱与井眼之间的间隙很小，如S75系列的△r为0.00275m，分析基于目标跨距和目标钻压计算得到取心钻头的钻头侧向力的计算公式可以发现由钻压变化引起S 0 ·△r/l项的变化很小，主要导致侧向力变化的是l的变化。
依据纵横弯曲连续梁理论，当管柱中跨距较小时，梁的稳定系数u受钻压影响小，稳定器的内弯矩变化甚微，通常称为管柱的刚度大。
因此，根据绳索取心管柱特点，结合材料力学理论，可对其进行等效简化，将安装稳定器的、稳定器之间的跨距小于切点跨距的管柱近似为刚体，忽略内弯矩的变化，则无需采用三弯矩方程，钻头侧向力计算可近似由基于目标跨距和目标钻压计算得到取心钻头的钻头侧向力的计算公式计算，l的取值为刚体长度加1/2的切点跨距。
本实施例的具体应用试验分析如下：
以某山多金属资源调查项目为调查评价该区域矿产资源，先后部署了多个钻探孔，孔深分布为300-800m，设计开孔孔斜为10-20°的斜直孔。该工作区钻遇地层产状高陡，岩石发育多组节理，小型破碎带较多，地层造斜力较大。
根据前期多个浅孔的施工资料，工作区的地层造斜率为2.5°/100m左右，由于浅孔施工，孔斜对控制矿体和钻机负荷的影响不明显，未得到足够重视。随着近年来深部矿产资源勘查的需求，钻孔部署多以中深孔为主，如在钻孔ZK303中，采用常规绳索取心钻具施工，开孔孔斜为15°，钻至515.5m孔深终孔孔斜增加至28.62°，孔斜增加率为2.64°/100m，虽然满足行业标准DZ/T 0227中每百米3°的质量要求，但是控制矿体长度减少了近60m，较大程度的影响了矿产资源勘查精度和质量，同时钻杆磨损较为严重，钻机负荷大，不利于施工安全。
为有效控制孔斜，提高孔身质量，在工作区的S75系列绳索取心管柱距上扩孔器不同位置安装不同数量的钻杆导正器进行孔斜控制试验，每钻进30m左右进行测斜作业，孔身质量情况见表1，表1 为孔身质量情况表。
表1
取正常钻进钻压10kN，孔斜15°，岩心管上下扩孔器跨距3.5m，根据对管柱进行等效简化的计算方式，根据实际钻进情况取得试验效果如下：
（1）ZK303钻孔钻头受到的侧向力为-53.26N（负号表示降斜力），难以克服地层造斜力，全孔井斜增加率较大。
（2）在钻孔ZK701、ZK702、ZK002采用S75绳索取心的井段底部1根钻杆位置（3m）安装1个钻杆导正器，计算得钻头侧向力为-84.23N，降斜力得到一定提升，孔斜状况得到较大幅度改善。
（3）在ZK1002中底部管柱安装了2个（跨距3m）时，侧向力计算得-115.21N，此时管柱产生的降斜力与地层造斜力可视为抵消，该孔段基本实现稳斜钻进，但是循环泵压上升了0.3-0.5Mpa。
（4）在ZK1001部分孔段试验了大跨距的管柱试验，底部管柱2根钻杆位置（6m）安装1个导正器后，由于跨距已经大于了切点跨距，经测斜发现孔斜增加率升高，降斜力反而下降，孔斜控制情况变差。
结论与建议：
1、基于纵横弯曲梁理论，结合绳索取心管柱特点，增加了岩心钻头与下扩孔器组合的基本假设，在稳定器与孔壁之间无间隙、跨距小于切点的条件下，建立了一种简化的力学模型，并通过理论分析和现场使用。
2、通过安装稳定器可增加孔底管柱刚度的长度可提高钻头的降斜力，从而释放钻压，实现较高的机械钻速和较好的孔身质量，但是过多的稳定器易导致钻杆摩阻增大、泵压升高，需要合理选择参数。
3、稳定器之间的跨距不宜大于计算的切点跨距，以防止重新形成触点，降低防斜效果。大于切点跨距安装稳定器时，该段不宜视为刚体，不可采用简化模型计算，可应用三弯矩方程求解。
4、通过调整稳定器数据和跨距长度参数开展孔斜控制试验，受限于现场钻杆长度限制，未进行更多的跨距防斜效果试验，总体符合力学模型计算结构，可为绳钻施工中依据孔斜控制、钻进参数要求提供稳定器安装的技术支持。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，计算机软件产品存储在一个存储介质（如ROM/RAM、磁碟、光盘）中，包括若干指令用以使得一台终端（可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述的方法。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (5)

1.一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法，其特征在于，应用于绳索取心钻具系统；所述钻具系统包括扶正器、绳索取心钻杆、上扩孔器与钻杆导正器，且上扩孔器与钻杆导正器统称为稳定器；所述钻具系统还包括钻头、下扩孔器、绳索取心钻具、钻杆和主动钻杆；所述方法，包括：
基于材料力学和定向井下部钻具组合设计标准中切点的辅助方程，得到切点跨距计算方程；
所述切点跨距计算方程通过二分法迭代逼近精确值，以得到不同孔斜和钻压作用下的切点跨距关系图，其中，根据纵横弯曲梁理论的假设条件，依据绳索取心钻杆、下扩孔器与钻孔孔径之间的参数关系，将绳索取心钻具的假设条件进行优化，钻头与下扩孔器视为钻头整体，不考虑二者的跨连接；根据绳索取心管柱结构中的上扩孔器与钻杆导正器与钻孔孔壁间间隙为零的特点，稳定器作为支点不会产生径向位移，增加了稳定器在纵横连续梁理论中相应的边界条件；
获取预设孔斜和预设钻压，其中，管柱结构中的稳定器外径大于钻头外径，下扩孔器的作用为修整孔壁，保持取心钻具的稳定性，防止钻头磨损导致孔径逐渐减小，确保钻孔直径符合要求；稳定器与钻孔孔壁之间全接触无间隙，以保证不会产生径向位移导致稳定器产生转角；
基于预设孔斜和预设钻压，根据所述关系图得到对应的切点跨距，并标记为目标跨距；
于所述绳索取心钻杆上安装多个稳定器，且相邻的稳定器之间的距离不超过所述目标跨距；
所述切点跨距计算方程为：
，
其中：，
式中：l 1为切点跨距，单位为m；S 1为钻柱自重引起的轴向力，单位为N；I为钻柱的惯性矩，单位为m4；E为钻柱的弹性模量，单位为N/m2；u为稳定系数；q为钻柱自重引起的横向荷载，单位为N/m；△r 1为管柱与井壁的半径差，单位为m；
扶正器的上部的主动钻杆在自重作用下与钻孔壁的接触点称为切点，所述切点跨距为所述切点与扶正器之间的距离。
2.根据权利要求1所述的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法，其特征在于，所述系统还包括取心钻头；所述基于目标孔斜和目标钻压，根据所述关系图得到对应的切点跨距，并标记为目标跨距，之后还包括：
基于目标跨距和目标钻压计算得到取心钻头的钻头侧向力；
分析所述钻头侧向力以判断所述目标跨距是否合理。
3.根据权利要求2所述的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法，其特征在于，所述基于目标跨距和目标钻压计算得到取心钻头的钻头侧向力的计算公式为：
，
式中：为所述钻头侧向力，单位为N；l 2为所述目标跨距，单位为m；S 0为钻压，单位为N。
4.根据权利要求1所述的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法，其特征在于，所述定向井下部钻具组合设计标准的标准号为SY/T 5619-2018。
5.根据权利要求1所述的一种基于连续梁绳索取心防斜钻具力学模型的计算方法，其特征在于，所述预设孔斜为0°-90°。
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