CN115613968B - 带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合及其使用方法 - Google Patents

带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合及其使用方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合及其使用方法，所述钻具组合包括沿井下至地面方向顺序连接的钻头、变径扶正器、静态推靠式旋转导向钻井工具、常规扶正器和上部钻柱，变径扶正器具有沿管柱径向变化的直径，当变径扶正器处于第一工作状态时，变径扶正器的直径最大，该旋转导向钻具组合具有高造斜能力，当变径扶正器处于第二工作状态时，变径扶正器的直径最小，该旋转导向钻具组合仅有低造斜能力。本发明能够将现有静态推靠式旋转导向钻井工具的最高造斜率提升至15°/30m，并且实现造斜率连续可调，显著提升现有旋转导向钻井工具的井眼轨迹控制能力。

Description

带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合及其使用方法
技术领域
本发明涉及旋转导向钻井技术领域，具体来讲，涉及一种带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合、以及一种带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法。
背景技术
旋转导向钻井系统是高难度定向钻井的核心装备。我国于20世纪末开始关注和研究旋转导向钻井系统。由于结构复杂、研制难度大、研究进展缓慢，国内长期依赖进口装备。目前我国各大油田及各大石油高校都在致力于研发旋转导向钻井系统。西安石油大学开展了旋转导向钻井系统研制工作，目前已经设计出样机，但尚未用于现场钻井。2015年，中海油宣布其自主研发的旋转导向系统Welleader、随钻测井系统Drilog联合完成渤海某井的海上作业，打破了旋转导向钻井领域的国外技术垄断。2019年，由川庆钻探、航天科工、中国石油大学（华东）共同完成的CG-STEER旋转导向钻井系统，造斜率达到11.2°/30m。
尽管国产旋转导向钻井系统已经取得了重大进展，但是与国外的顶尖技术相比仍然有较大技术差距。特别是核心技术指标造斜率始终未能突破12°/30m，距离高造斜率15°/30m要求还有较大差距，还难以满足国内非常规油气钻井及高难度定向钻井技术需求。例如，于2017年1月14日公开的发明名称为推靠式全旋转导向工具、公开号为CN106285478A的专利文献记载了一种推靠式全旋转导向工具，包括扶正器机构、导向执行机构、花键万向轴机构。所述的导向执行机构前端连接花键万向轴机构，后端连接扶正器机构，当旋转导向工具进行导向钻进时，控制系统控制井下电机在指定位置将大齿轮上的指定孔与导向机构上部主体和导向机构下部主体上的钻井液通道连通，从而使不旋转外壳调整到与所需导向的井斜、方位相同的位置上，这时钻具沿所需的井斜及方位进行钻进，并由各随钻测试仪器随时监测井眼轨迹。于2018年12月18日公开的发明名称为一种全旋转液压内推靠式高造斜率旋转导向工具、公开号为CN109025820A的专利文献记载了一种全旋转液压内推靠式高造斜率旋转导向工具。该全旋转液压内推靠式高造斜率旋转导向工具采用涡轮驱动的液压系统及发电机组件将压力泥浆的能量转化为液压能，通过液压方式为活塞提供动力，使得钻头获得的侧向力更大。同时采用铰接的方式，具备最佳的转向能力及更易实现高造斜率；液压活塞推靠所述下旋转外套内壁，而不是井壁，能够减小磨损；并且同一时刻仅推出一套推靠活塞组件，减少了不必要的工作，提高了活塞工作寿命。
由此可见，继续提升国产旋转导向钻井系统的造斜率是目前亟待解决的瓶颈技术难题之一。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本发明的目的之一在于提供一种能提升静态推靠式旋转导向钻井工具造斜率的钻具组合及其使用方法，以解决当前国产旋转导向钻井工具的造斜率无法突破12°/30m的技术难题。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合，所述钻具组合包括沿井下至地面方向顺序连接的钻头、变径扶正器、静态推靠式旋转导向钻井工具、常规扶正器和上部钻柱，其中，所述变径扶正器具有沿管柱径向变化的直径，当变径扶正器处于第一工作状态时，变径扶正器的直径最大，当变径扶正器处于第二工作状态时，变径扶正器的直径最小；所述静态推靠式旋转导向钻井工具上设置有多个导向翼肋，在第一工作状态下，导向翼肋能够产生沿井眼高边指向井眼低边方向的第一导向力，以使所述钻具组合能够提供第一造斜率，在第二工作状态下，导向翼肋能够产生沿井眼低边指向井眼高边方向的第二导向力，以使所述钻具组合能够提供第二造斜率。
在本发明的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的一个示例性实施例中，所述常规扶正器与所述上部钻柱之间可以连接有柔性短节，柔性短节能够减小该钻具组合的刚度，提升该钻具组合的造斜率及其在高造斜率井眼中的通过能力。
在本发明的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的一个示例性实施例中，所述第一造斜率可处于10°/30m至15°/30m之间，所述第二造斜率可不大于10°/30m。
本发明另一方面提供了一种如上所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法，所述使用方法包括：在钻进过程中，当需要所述钻具组合提供第一造斜率，调节变径扶正器至第一工作状态，然后定向井工程师下传指令控制旋转导向工具的导向翼肋从井眼高边向井眼低边施加第一导向力；当需要所述钻具组合提供第二造斜率，调节变径扶正器至第二工作状态，然后定向井工程师下传指令控制旋转导向工具的导向翼肋从井眼低边向井眼高边施加第二导向力。
在本发明的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法的一个示例性实施例中，所述使用方法还可包括：在起钻前，将变径扶正器调节至第二工作状态，以避免卡钻。
在本发明的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法的一个示例性实施例中，所述使用方法还可包括：根据平衡趋势造斜率预测模型计算所述钻具组合在钻进过程中的造斜率预测结果和井眼轨迹预测结果。
在本发明的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法的一个示例性实施例中，所述造斜率预测结果和井眼轨迹预测结果的具体计算流程可为：
a)建立纵横弯曲梁力学分析模型；
b)对每一跨梁进行受力分析，并列出三弯矩方程；
c)根据钻头侧向力和钻头倾角计算出钻进趋势角；
d)迭代法计算造斜率；
e)预测井眼轨迹参数。
在本发明的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法的一个示例性实施例中，当变径扶正器处于第一工作状态时，所述三弯矩方程可如下：
Figure SMS_1
（1）
Figure SMS_2
（2）
Figure SMS_3
（3）
Figure SMS_4
（4）
Figure SMS_5
（5）
式（1）~式（5）中，q 1为第1跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 2为第2跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 3为第3跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 4为第4跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 5为第5跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；L 1为第1跨梁柱的长度，m；L 2为第2跨梁柱的长度，m；L 3为第3跨梁柱的长度，m；L 4为第4跨梁柱的长度，m；L 5为第5跨梁柱的长度，m；L 21为导向翼肋中心与变径扶正器中心的距离，m；L 22为导向翼肋中心与常规扶正器中心的距离，m；I 1为第1跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 2为第2跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 3为第3跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 4为第4跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 5为第5跨梁柱的截面惯性矩，m4；y 0为钻头中心所对应纵坐标，m；y 1为变径扶正器中心所对应纵坐标，m；y 2为常规扶正器中心所对应纵坐标，m；y 3为柔性短节下台阶面所对应纵坐标，m；y 4为柔性短节上台阶面所对应纵坐标，m；y 5为上部钻柱与井壁切点所对应纵坐标，m；X（u 1）、Y（u 1）、Z（u 1）分别为第1跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 2）、Y（u 2）、Z（u 2）分别为第2跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 3）、Y（u 3）、Z（u 3）分别为第3跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 4）、Y（u 4）、Z（u 4）分别为第4跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 5）、Y（u 5）、Z（u 5）为分别为第5跨梁柱对应的放大系数，无因次；M 0为钻头处所对应弯矩，kN.m；M 1为变径扶正器处所对应弯矩，kN.m；M 2为常规扶正器处所对应弯矩，kN.m；M 3为柔性短节下台阶面所对应弯矩，kN.m；M 4为柔性短节上台阶面所对应弯矩，kN.m；M 5为上部钻柱与井壁切点处所对应弯矩，kN.m；Δ 1为变径扶正器处井眼间隙，m；Δ 2为导向翼肋处井眼间隙，m；Δ 3为柔性短节下台阶处井眼间隙，m；Δ 4为柔性短节上台阶处井眼间隙，m；Δ 5为上部钻柱与井壁切点处井眼间隙，m；E为梁柱所用材料的弹性模量，kPa；Q为导向力，kN；P为钻压，kN；k为载荷系数，m-1；K为井眼曲率，rad/m。
在本发明的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法的一个示例性实施例中，当变径扶正器处于第二工作状态时，所述三弯矩方程可如下：
Figure SMS_6
（6）
Figure SMS_7
（7）
Figure SMS_8
（8）
Figure SMS_9
（9）
Figure SMS_10
（10）
Figure SMS_11
（11）
式（6）~式（11）中，q 1为第1跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 2为第2跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 3为第3跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 4为第4跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；L 1为第1跨梁柱的长度，m；L 2为第2跨梁柱的长度，m；L 3为第3跨梁柱的长度，m；L 4为第4跨梁柱的长度，m；I 1为第1跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 2为第2跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 3为第3跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 4为第4跨梁柱的截面惯性矩，m4；y 0为钻头中心所对应纵坐标，m；y 1为常规扶正器中心所对应纵坐标，m；y 2为柔性短节下台阶面所对应纵坐标，m；y 3为柔性短节上台阶面所对应纵坐标，m；y 4为上部钻柱与井壁切点所对应纵坐标，m；X（u 1）、Y（u 1）、Z（u 1）分别为第1跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 2）、Y（u 2）、Z（u 2）分别为第2跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 3）、Y（u 3）、Z（u 3）分别为第3跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 4）、Y（u 4）、Z（u 4）分别为第4跨梁柱对应的放大系数，无因次；M 0为钻头处所对应弯矩，kN.m；M 1为常规扶正器处所对应弯矩，kN.m；M 2为柔性短节下台阶面所对应弯矩，kN.m；M 3为柔性短节上台阶面所对应弯矩，kN.m；M 4为上部钻柱与井壁切点处所对应弯矩，kN.m；E为梁柱所用材料的弹性模量，kPa；P 1为第1跨梁柱的平均轴向力，kN；P 2为第2跨梁柱的平均轴向力，kN；P 3为第3跨梁柱的平均轴向力，kN；P 4为第4跨梁柱的平均轴向力，kN；F为导向力，kN；K为井眼曲率，rad/m。
与现有技术相比，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
（1）本发明的变径扶正器通过改变自身直径来提升旋转导向钻具组合的造斜率，并实现造斜率在较大范围内可调，且能够有效避免卡钻现象；
（2）本发明的高造斜率旋转导向钻具组合具有造斜率高、适用范围广、所得井眼轨迹质量较高的特点；
（3）本发明能够将现有静态推靠式旋转导向钻井工具的最高造斜率提升至15°/30m，并且实现造斜率连续可调，显著提升现有旋转导向钻井工具的井眼轨迹控制能力。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和/或特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明一个示例性实施例的高造斜率旋转导向钻具组合结构示意图。
图2示出了本发明的一个示例性实施例的现有旋转导向钻具组合结构示意图。
图3示出了本发明的一个示例性实施例的高造斜率旋转导向钻具组合全力增斜加载示意图。
图4示出了本发明的一个示例性实施例的现有旋转导向钻具组合全力增斜加载示意图。
附图标记说明：
1-钻头；2-变径扶正器；3-导向翼肋；4-静态推靠式旋转导向钻井工具；5-常规扶正器；6-柔性短节；7-上部钻柱。
具体实施方式
在下文中，将结合示例性实施例来详细说明本发明的变径扶正器、高造斜率旋转导向钻具组合及其使用方法。
需要说明的是，“第一”、“第二”等仅仅是为了方便描述和便于区分，而不能理解为指示或暗示相对重要性。“上”、“下”、“内”、“外”仅仅为了便于描述和构成相对的方位或位置关系，而并非指示或暗示所指的部件必须具有该特定方位或位置。对于本领域普通技术人员而言，本文中的部分术语“压力”相当于压强。
为了解决当前国产旋转导向钻井工具的造斜率无法突破12°/30m的技术难题，本发明设计了一种带近钻头变径扶正器（以下简称“变径扶正器”）的静态推靠式高造斜率旋转导向钻具组合及其使用方法。现有推靠式旋转导向钻具组合一般形式为“钻头+旋导工具+常规扶正器+柔性短节+上部钻柱”；而本申请将现有钻具组合的基本形式更改为“钻头+变径扶正器+静态推靠式旋转导向钻井工具+常规扶正器+柔性短节+上部钻柱”。该新钻具组合提升造斜率的基本原理是：在近钻头变径扶正器收回状态下，新钻具组合与原钻具组合的调控方式相同，能够提供低、中高造斜率（例如，造斜率在10°/30m以内）；在近钻头变径扶正器打开状态下，新钻具组合与原钻具组合的调控方式不同，仅能够提供中高和高造斜率（例如，造斜率在10°/30m至15°/30m之间）。
通过调控近钻头变径扶正器的工作状态（打开或收回）、钻压、导向力，新钻具组合能够提供低、中、高造斜率，满足不同造斜率井眼轨迹控制要求。变径扶正器打开状态，静态推靠式旋转导向钻井工具就转变成一种特殊的指向式旋转导向钻井工具，导向力施加方式与原钻具组合完全相反才能实现相同的井眼轨迹调控目标。比如，原钻具组合全力增斜时需要导向翼肋从井眼低边向井眼高边施加导向力（向上推），新钻具组合全力增斜时需要导向翼肋从井眼高边向井眼低边施加导向力（向下压）。变径扶正器收回状态，静态推靠式旋转导向钻井工具的调控方式不变，导向力施加方式与原钻具组合完全相同。比如，全力增斜时需要导向翼肋从井眼低边向井眼高边施加导向力（向上推）。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合。
在本发明的高造斜率旋转导向钻具组合的一个示例性实施例中，所述钻具组合包括沿井下至地面方向顺序连接的钻头、变径扶正器、静态推靠式旋转导向钻井工具、常规扶正器和上部钻柱。
其中，钻头是石油钻井破碎岩石的主要工具，用于连续钻孔。
常规扶正器又称钻柱稳定器，是稳定井下钻具、控制井眼轨迹的工具。钻定向井时，利用稳定器可以改变下部钻具组合的受力状态，达到控制井眼轨迹的目的。此外，使用稳定器，还能有效限制钻头的横向摆动，提高钻头工作的稳定性，从而延长钻头的使用寿命。
上部钻柱用于将地面动力（扭矩等）传递给钻头，带动钻头旋转破碎岩石。
变径扶正器具有沿管柱径向变化的直径，本发明中仅涉及变径扶正器的两个极限工作状态。当变径扶正器完全打开时称为第一工作状态，该状态下旋转导向钻具组合能够获得中高和高造斜率（例如，造斜率在10°/30m至15°/30m之间）；当变径扶正器完全收回时称为第二工作状态，该状态下所属旋转导向钻具组合能够提供低、中高造斜率（例如，造斜率在10°/30m以内）。
静态推靠式旋转导向钻井工具能够使钻头沿预定方向获得侧向推力，从而实现导向。静态推靠式旋转导向钻井工具上设置有多个导向翼肋，用于提供导向功能。在第一工作状态下（变径扶正器完全打开），定向井工程师的下传指令能够控制旋转导向工具的导向翼肋产生沿井眼高边指向井眼低边方向的第一导向力，以使所述钻具组合能够提供第一造斜率（也就是高造斜率），在第二工作状态下（变径扶正器完全收回），定向井工程师的下传指令能够控制旋转导向工具的导向翼肋产生沿井眼低边指向井眼高边方向的第二导向力，以使所述钻具组合能够提供第二造斜率（也就是低造斜率）。
在本实施例中，常规扶正器与上部钻柱之间可以连接有柔性短节，柔性短节能够减小该钻具组合的刚度，提升该钻具组合的造斜率及其在高造斜率井眼中的通过能力。
计算分析结果表明，在第一工作状态下，高造斜率旋转导向钻具组合的最高造斜率能够达到15°/30m以上，但是导向力大小和钻压对造斜率影响不明显，第一造斜率仅能在10°/30m至15°/30m之间连续可调；在第二工作状态下，高造斜率旋转导向钻具组合的最高造斜率能够达到10°/30m左右，并且导向力大小和钻压对造斜率影响明显，第二造斜率能够在10°/30m以内连续可调。
也就是说，当变径扶正器打开之后，新钻具组合的最高造斜率能够满足钻井现场高造斜率要求。与国外高造斜率旋转导向钻井工具相比，新钻具组合能够以最小代价提升国产旋转导向钻井工具的造斜能力。
本发明另一方面提供了一种如上所述的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法。
在本发明的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法的一个示例性实施例中，所述使用方法包括：在钻进过程中，当需要所述钻具组合提供第一造斜率，先调节变径扶正器至第一工作状态，然后定向井工程师下传指令控制旋转导向工具的导向翼肋从井眼高边向井眼低边施加第一导向力；当需要所述钻具组合提供第二造斜率，先调节变径扶正器至第二工作状态，然后定向井工程师下传指令控制旋转导向工具的导向翼肋从井眼低边向井眼高边施加第二导向力。
在本实施例中，所述使用方法还可包括：在起钻前，将变径扶正器调节至第二工作状态，以避免卡钻。
在本实施例中，所述使用方法还可包括：根据平衡趋势造斜率预测模型计算所述钻具组合在钻进过程中的造斜率预测结果和井眼轨迹预测结果。
具体来讲，造斜率预测结果和井眼轨迹预测结果的具体计算流程可为：
a)建立纵横弯曲梁力学分析模型；
b)对每一跨梁进行受力分析，并列出三弯矩方程；
c)根据钻头侧向力和钻头倾角计算出钻进趋势角；
d)迭代法计算造斜率；
e)预测井眼轨迹参数。
本发明利用纵横弯曲梁法建立三弯矩方程并进行求解。变径扶正器收回状态下，新钻具组合（即“钻头+变径扶正器+静态推靠式旋转导向钻井工具+常规扶正器+柔性短节+上部钻柱”）与原钻具组合（即“钻头+旋导工具+扶正器+柔性短节+上部钻柱”）的调控方式相同，力学模型建立及求解方法完全相同；变径扶正器打开状态下，新钻具组合与原钻具组合的调控方式不同，力学模型建立及求解方法不同。
在应用纵横弯曲梁法建立该钻具组合的二维力学模型时，采用以下基本假设：
（1）井底钻具组合为弹性变形体；
（2）钻头中心处于井眼轴线上，钻头和地层之间无弯矩作用；
（3）钻压保持恒定；
（4）上切点以上的钻柱在重力作用下与下井壁接触；
（5）不考虑钻柱转动和摩擦力的影响。
将井底钻具的受力情况利用纵横弯曲梁法进行受力分析，将每跨梁柱切开进行分析，得到以下三弯矩方程组。
当变径扶正器处于第一工作状态时，三弯矩方程可如下：
Figure SMS_12
（1）
Figure SMS_13
（2）
Figure SMS_14
（3）
Figure SMS_15
（4）
Figure SMS_16
（5）
式（1）~式（5）中，q 1为第1跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 2为第2跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 3为第3跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 4为第4跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 5为第5跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；L 1为第1跨梁柱的长度，m；L 2为第2跨梁柱的长度，m；L 3为第3跨梁柱的长度，m；L 4为第4跨梁柱的长度，m；L 5为第5跨梁柱的长度，m；L 21为导向翼肋中心与变径扶正器中心的距离，m；L 22为导向翼肋中心与常规扶正器中心的距离，m；I 1为第1跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 2为第2跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 3为第3跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 4为第4跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 5为第5跨梁柱的截面惯性矩，m4；y 0为钻头中心所对应纵坐标，m；y 1为变径扶正器中心所对应纵坐标，m；y 2为常规扶正器中心所对应纵坐标，m；y 3为柔性短节下台阶面所对应纵坐标，m；y 4为柔性短节上台阶面所对应纵坐标，m；y 5为上部钻柱与井壁切点所对应纵坐标，m；X（u 1）、Y（u 1）、Z（u 1）分别为第1跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 2）、Y（u 2）、Z（u 2）分别为第2跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 3）、Y（u 3）、Z（u 3）分别为第3跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 4）、Y（u 4）、Z（u 4）分别为第4跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 5）、Y（u 5）、Z（u 5）为分别为第5跨梁柱对应的放大系数，无因次；M 0为钻头处所对应弯矩，kN.m；M 1为变径扶正器处所对应弯矩，kN.m；M 2为常规扶正器处所对应弯矩，kN.m；M 3为柔性短节下台阶面所对应弯矩，kN.m；M 4为柔性短节上台阶面所对应弯矩，kN.m；M 5为上部钻柱与井壁切点处所对应弯矩，kN.m；Δ 1为变径扶正器处井眼间隙，m；Δ 2为导向翼肋处井眼间隙，m；Δ 3为柔性短节下台阶处井眼间隙，m；Δ 4为柔性短节上台阶处井眼间隙，m；Δ 5为上部钻柱与井壁切点处井眼间隙，m；E为梁柱所用材料的弹性模量，kPa；Q为导向力，kN；P为钻压，kN；k为载荷系数，m-1；K为井眼曲率，rad/m。
当变径扶正器处于第二工作状态时，三弯矩方程可如下：
Figure SMS_17
（6）
Figure SMS_18
（7）
Figure SMS_19
（8）
Figure SMS_20
（9）
Figure SMS_21
（10）
Figure SMS_22
（11）
式（6）~式（11）中，q 1为第1跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 2为第2跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 3为第3跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 4为第4跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；L 1为第1跨梁柱的长度，m；L 2为第2跨梁柱的长度，m；L 3为第3跨梁柱的长度，m；L 4为第4跨梁柱的长度，m；I 1为第1跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 2为第2跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 3为第3跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 4为第4跨梁柱的截面惯性矩，m4；y 0为钻头中心所对应纵坐标，m；y 1为常规扶正器中心所对应纵坐标，m；y 2为柔性短节下台阶面所对应纵坐标，m；y 3为柔性短节上台阶面所对应纵坐标，m；y 4为上部钻柱与井壁切点所对应纵坐标，m；X（u 1）、Y（u 1）、Z（u 1）分别为第1跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 2）、Y（u 2）、Z（u 2）分别为第2跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 3）、Y（u 3）、Z（u 3）分别为第3跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 4）、Y（u 4）、Z（u 4）分别为第4跨梁柱对应的放大系数，无因次；M 0为钻头处所对应弯矩，kN.m；M 1为常规扶正器处所对应弯矩，kN.m；M 2为柔性短节下台阶面所对应弯矩，kN.m；M 3为柔性短节上台阶面所对应弯矩，kN.m；M 4为上部钻柱与井壁切点处所对应弯矩，kN.m；E为梁柱所用材料的弹性模量，kPa；P 1为第1跨梁柱的平均轴向力，kN；P 2为第2跨梁柱的平均轴向力，kN；P 3为第3跨梁柱的平均轴向力，kN；P 4为第4跨梁柱的平均轴向力，kN；F为导向力，kN；K为井眼曲率，rad/m。
求解上述三弯矩方程组，可求出变径扶正器处的内弯矩、导向翼肋处的弯矩和偏置位移，根据偏置位移可以计算出钻头侧向力和钻头倾角，然后通过钻头侧向力和钻头倾角可以计算出钻进趋势角，利用钻进趋势角和平衡趋势法基本原理预测出造斜率和井眼轨迹。
上述纵横弯曲梁法和平衡趋势造斜率预测方法相结合，充分考虑变径扶正器工作状态（打开或收回）、导向力施加方式、钻压、钻头各向异性（钻头各向异性指数）、地层参数（地层倾角、走向，地层各向异性指数）以及每跨梁长度、扶正器直径等因素对造斜率的影响规律，通过编程求解计算上述力学模型并预测出给定钻井条件对应的造斜率。在钻具组合入井前，优化钻具组合获得最高造斜率和最大造斜率调控范围，以达到15°/30m高造斜率要求；在钻具组合入井后，通过调控变径扶正器工作状态（打开或收回）、导向力施加方式和钻压获得特定的造斜率，满足不同造斜率和井眼轨迹控制要求。
纵横弯曲法计算过程较简单而计算结果较准确，且平衡趋势法以钻头与地层相互作用理论为基础，综合考虑底部钻具结构、井眼几何形状、钻进参数、钻头以及地层特性等因素影响，较其他方法具有更高的准确度和适应性。
为了更好地理解本发明，以下结合附图和示例进一步阐明本发明内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
示例1
本示例针对目前现有静态推靠式旋转导向钻具组合造斜率低现象，给出了一种新型的高造斜率旋转导向钻具组合（以下简称新型钻具组合）及其使用方法，包括新型钻具组合整体设计方案及使用方法、钻具组合力学模型建立与求解、钻具组合的优化设计等等。
（1）新型钻具组合整体设计方案及使用方法
由于我国在旋转导向这一领域起步晚，发展慢，所以单纯的依靠旋转导向工具来提高造斜率达到国际先进水平还有相当一段距离。因此，本示例在现有推靠式旋转导向钻具组合（以下简称原钻具组合）的基础上，通过改变推靠式旋转导向钻具组合的部分结构来提高造斜率。
如图1所示，新型钻具组合主要包括：钻头1+变径扶正器2+静态推靠式旋转导向钻井工具4+常规扶正器5+柔性短节6+上部钻柱7，其中，静态推靠式旋转导向钻井工具4的外壁面上设置有导向翼肋3。
如图2所示，原钻具组合主要包括：钻头1+静态推靠式旋转导向钻井工具4+常规扶正器5+柔性短节6+上部钻柱7，其中，静态推靠式旋转导向钻井工具4的外壁面上设置有导向翼肋3。
如图3和图4所示，当新型钻具组合全力增斜时，变径扶正器处于打开状态，需要定向井工程师下传指令控制旋转导向工具的导向翼肋从井眼高边向井眼低边施加导向力（即向下推）；当原钻具组合全力增斜时，需要控制导向翼肋从井眼低边向井眼高边施加导向力（即向上推）。
也就是说，当变径扶正器打开时，新型钻具组合与原钻具组合的调控方式不同，导向力施加方式与原钻具组合完全相反，而当变径扶正器收回时，新型钻具组合与原钻具组合的调控方式不变，导向力施加方式与原钻具组合完全相同。
更改后的钻具组合导向机理类似于指向式，导向力的作用方式发生改变，仅能实现高造斜率（≥15°/30m），可调控范围较小；其次由于增加了一个变径扶正器，加大了卡钻的风险。在需要高造斜率时，将变径扶正器打开，需要低至中高造斜率时，将变径扶正器收回，同时在起钻时将变径扶正器收回，可有效避免卡钻现象。本示例提出的新型钻具组合整体设计方案及使用方法可有效实现低至中高到高的造斜率调控。
（2）新型钻具组合力学模型分析及求解
本示例利用纵横弯曲梁法建立三弯矩方程并进行求解，在应用纵横弯曲梁法建立该钻具组合的二维力学模型时，采用以下基本假设：
1）井底钻具组合为弹性变形体；
2）钻头中心处于井眼轴线上，钻头和地层之间无弯矩作用；
3）钻压保持恒定；
4）上切点以上的钻柱在重力作用下与下井壁接触；
5）不考虑钻柱转动和摩擦力的影响。
在建立模型时，可将导向翼肋和稳定器（包括变径扶正器和常规扶正器）视为具有一定位移的简支座，需要说明的是导向翼肋处的位移是未知的，支反力即为导向合力；当稳定器与井壁接触时，稳定器的位移是已知的，当稳定器不与井壁接触时，位移是未知的。
纵横弯曲梁法基本建模过程如下：
1）轴向载荷采用平均值，由于钻柱本身存在重力，故每跨梁柱的轴向力会随着长度的变化逐渐变化，约定将每跨梁上下两端轴力的平均值作为该跨梁柱的轴向载荷；
2）求各处的约束条件；
3）计算每跨梁柱的稳定系数和放大因子；
4）根据叠加原理计算出每个支座处的左右两端的转角；
5）根据约束条件得到三弯矩方程；
6）求解钻头侧向力和钻头倾角。
该力学模型方程如下：
Figure SMS_23
，
Figure SMS_24
，
Figure SMS_25
，
Figure SMS_26
，
Figure SMS_27
，
Figure SMS_28
。
平衡趋势法是一种造斜率预测新方法，该方法以钻进趋势角为评价指标，当钻进趋势角为零时对应的井眼曲率就是井底钻具的造斜率。该方法综合考虑了钻头侧向力、钻头偏角、钻具结构、钻进参数、井眼几何形状、钻头和地层各项异性等因素的共同影响，造斜率预测结果更加准确。利用上述方程可求出导向翼肋处的弯矩和偏置位移，根据偏置位移可以计算出钻头侧向力和钻头倾角，然后通过钻头侧向力和钻头倾角可以计算出钻进趋势角。如果钻进趋势角等于0，此时（1）中假设的井眼曲率就是井底钻具组合的造斜率，如果不等于0，则说明造斜趋势没有达到平衡，则更改井眼曲率，再次重复上述步骤，直至钻进趋势角等于0。
在钻井前和钻井中均要用到上述公式。钻前需要应用这些公式进行试算，指导钻具组合优化，预测最大造斜率；钻井中需要应用这些公式预测当前钻具组合和钻进参数（导向力、钻压）对应的造斜率，或者是限定某个造斜率之后通过试算给出合适的钻进参数。
（3）新型钻具组合的优化设计
平衡趋势造斜率预测方法充分考虑导向力、钻压、钻头各向异性、地层异性指数以及每跨梁长度、扶正器直径等因素对造斜率的影响规律，在钻前通过优化钻具组合获得最高造斜率和最大造斜率调控范围，在钻进过程中通过调控变径扶正器、导向力和钻压获得特定的造斜率（即需要增大造斜率时就把变径扶正器完全打开，将其直径增大至最大范围即可；在此基础上可以继续调整导向力和钻压，以便获得所需造斜率），满足井眼轨迹控制要求。
假设井壁为弹性体，对导向翼肋、扶正器等结构进行等效简化处理，应用纵横弯曲梁法对现有以及新型钻具组合建立力学分析模型，为井眼轨迹预测做准备；结合建立的力学分析模型对每一跨梁柱进行受力分析并列出三弯矩方程及补充方程；以钻头与地层相互作用模型为基础，给出考虑地层影响的井斜趋势角的表达式，并根据平衡趋势法造斜率预测方法给出井眼轨迹预测方法。
根据平衡趋势法针对新型钻具组合和原钻具组合计算的基础数据如下表1~表4所示。
表1 新型钻具组合实例演算参数
钻头处井斜角 导向合力 钻压 钻头各项异性
45° 25kN 50kN 0.035
弹性模量 钻井液密度 钻柱密度 钻头直径
2.059E+11Pa 1.25g/cm<sup>3</sup> 7.85 g/cm<sup>3</sup> 215.9mm
稳定器1（即变径扶正器）直径 稳定器2（即常规扶正器）直径 井眼曲率
213mm 195mm 15°/30m
表2 原钻具组合实例演算参数
钻头处井斜角 导向合力 钻压 钻头各项异性
45° 25kN 50kN 0.035
弹性模量 钻井液密度 钻柱密度 钻头直径
2.059E+11Pa 1.25g/cm<sup>3</sup> 7.85 g/cm<sup>3</sup> 215.9mm
稳定器直径 井眼曲率
212mm 10°/30m
表3 新型钻具组合各段梁柱参数
① ② ③ ④ ⑤
梁柱外径（mm） 178 178 178 126 178
梁柱内径（mm） 57.2 57.2 57.2 57.2 57.2
表4 原钻具组合各段梁柱参数
① ② ③ ④ ⑤
梁柱外径（mm） 178 178 178 127 178
梁柱内径（mm） 57.2 57.2 57.2 57.2 57.2
通过计算可得，对于新型钻具组合，当L 1=1.1m，L 2=1m，L 3=0.9m，L 4=2m时，所得钻头侧向力为46.67kN，钻头倾角为-0.206°，钻进趋势角等于-0.0086°，此时造斜率为15°/30m；对于原钻具组合，当L 1=0.75m，L 2=2m，L 3=0.755m，L 4=2m时，所得钻头侧向力为11.0815kN，钻头倾角为-0.4614°，钻进趋势角为0°，此时造斜率为10.144°/30m。
综上所述，本发明的有益效果包括以下内容中的至少一项：
（1）本发明的变径扶正器通过改变自身直径来提升旋转导向钻具组合的造斜率，并实现造斜率在较大范围内可调，且能够有效避免卡钻现象；
（2）本发明的高造斜率旋转导向钻具组合具有造斜率高、适用范围广、所得井眼轨迹质量较高的特点；
（3）本发明能够将现有静态推靠式旋转导向钻井工具的最高造斜率提升至15°/30m，并且实现造斜率连续可调，显著提升现有旋转导向钻井工具的井眼轨迹控制能力。
尽管上面已经结合示例性实施例及附图描述了本发明，但是本领域普通技术人员应该清楚，在不脱离权利要求的精神和范围的情况下，可以对上述实施例进行各种修改。

Claims (10)

1.一种带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合，其特征在于，所述钻具组合包括沿井下至地面方向顺序连接的钻头、变径扶正器、静态推靠式旋转导向钻井工具、常规扶正器和上部钻柱，其中，
所述变径扶正器具有沿管柱径向变化的直径，当变径扶正器处于第一工作状态时，变径扶正器的直径最大，当变径扶正器处于第二工作状态时，变径扶正器的直径最小；
所述静态推靠式旋转导向钻井工具上设置有多个导向翼肋，在第一工作状态下，导向翼肋能够产生沿井眼高边指向井眼低边方向的第一导向力，以使所述钻具组合能够提供第一造斜率，在第二工作状态下，导向翼肋能够产生沿井眼低边指向井眼高边方向的第二导向力，以使所述钻具组合能够提供第二造斜率。
2.根据权利要求1所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合，其特征在于，所述常规扶正器与所述上部钻柱之间连接有柔性短节。
3.根据权利要求1所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合，其特征在于，所述第一造斜率处于10°/30m至15°/30m之间。
4.根据权利要求1所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合，其特征在于，所述第二造斜率不大于10°/30m。
5.一种如权利要求1~4中任意一项所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括：在钻进过程中，当需要所述钻具组合提供第一造斜率，调节变径扶正器至第一工作状态，控制静态推靠式旋转导向钻井工具上的导向翼肋从井眼高边向井眼低边施加第一导向力；当需要所述钻具组合提供第二造斜率，调节变径扶正器至第二工作状态，控制静态推靠式旋转导向钻井工具上的导向翼肋从井眼低边向井眼高边施加第二导向力。
6.根据权利要求5所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法，其特征在于，所述使用方法还包括：在起钻前，将变径扶正器调节至第二工作状态，以避免卡钻。
7.根据权利要求5所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法，其特征在于，所述使用方法还包括：
根据平衡趋势造斜率预测模型计算所述钻具组合在钻进过程中的造斜率预测结果和井眼轨迹预测结果。
8.根据权利要求7所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法，其特征在于，所述造斜率预测结果和井眼轨迹预测结果的具体计算流程为：
a)建立纵横弯曲梁力学分析模型；
b)对每一跨梁进行受力分析，并列出三弯矩方程；
c)根据钻头侧向力和钻头倾角计算出钻进趋势角；
d)迭代法计算造斜率；
e)预测井眼轨迹参数。
9.根据权利要求8所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法，其特征在于，当变径扶正器处于第一工作状态时，所述三弯矩方程如下：
Figure QLYQS_1
（1）
Figure QLYQS_2
（2）
Figure QLYQS_3
（3）
Figure QLYQS_4
（4）
Figure QLYQS_5
（5）
式（1）~式（5）中，q 1为第1跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 2为第2跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 3为第3跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 4为第4跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 5为第5跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；L 1为第1跨梁柱的长度，m；L 2为第2跨梁柱的长度，m；L 3为第3跨梁柱的长度，m；L 4为第4跨梁柱的长度，m；L 5为第5跨梁柱的长度，m；L 21为导向翼肋中心与变径扶正器中心的距离，m；L 22为导向翼肋中心与常规扶正器中心的距离，m；I 1为第1跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 2为第2跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 3为第3跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 4为第4跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 5为第5跨梁柱的截面惯性矩，m4；y 0为钻头中心所对应纵坐标，m；y 1为变径扶正器中心所对应纵坐标，m；y 2为常规扶正器中心所对应纵坐标，m；y 3为柔性短节下台阶面所对应纵坐标，m；y 4为柔性短节上台阶面所对应纵坐标，m；y 5为上部钻柱与井壁切点所对应纵坐标，m；X（u 1）、Y（u 1）、Z（u 1）分别为第1跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 2）、Y（u 2）、Z（u 2）分别为第2跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 3）、Y（u 3）、Z（u 3）分别为第3跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 4）、Y（u 4）、Z（u 4）分别为第4跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 5）、Y（u 5）、Z（u 5）为分别为第5跨梁柱对应的放大系数，无因次；M 0为钻头处所对应弯矩，kN.m；M 1为变径扶正器处所对应弯矩，kN.m；M 2为常规扶正器处所对应弯矩，kN.m；M 3为柔性短节下台阶面所对应弯矩，kN.m；M 4为柔性短节上台阶面所对应弯矩，kN.m；M 5为上部钻柱与井壁切点处所对应弯矩，kN.m；Δ 1为变径扶正器处井眼间隙，m；Δ 2为导向翼肋处井眼间隙，m；Δ 3为柔性短节下台阶处井眼间隙，m；Δ 4为柔性短节上台阶处井眼间隙，m；Δ 5为上部钻柱与井壁切点处井眼间隙，m；E为梁柱所用材料的弹性模量，kPa；Q为导向力，kN；P为钻压，kN；k为载荷系数，m-1；K为井眼曲率，rad/m。
10.根据权利要求8所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法，其特征在于，当变径扶正器处于第二工作状态时，所述三弯矩方程如下：
Figure QLYQS_6
（6）
Figure QLYQS_7
（7）
Figure QLYQS_8
（8）
Figure QLYQS_9
（9）
Figure QLYQS_10
（10）
Figure QLYQS_11
（11）
式（6）~式（11）中，q 1为第1跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 2为第2跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 3为第3跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q 4为第4跨梁柱的横向均布载荷，kN/m； L 1为第1跨梁柱的长度，m；L 2为第2跨梁柱的长度，m；L 3为第3跨梁柱的长度，m；L 4为第4跨梁柱的长度，m；I 1为第1跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 2为第2跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 3为第3跨梁柱的截面惯性矩，m4；I 4为第4跨梁柱的截面惯性矩，m4；y 0为钻头中心所对应纵坐标，m；y 1为常规扶正器中心所对应纵坐标，m；y 2为柔性短节下台阶面所对应纵坐标，m；y 3为柔性短节上台阶面所对应纵坐标，m；y 4为上部钻柱与井壁切点所对应纵坐标，m；X（u 1）、Y（u 1）、Z（u 1）分别为第1跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 2）、Y（u 2）、Z（u 2）分别为第2跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 3）、Y（u 3）、Z（u 3）分别为第3跨梁柱对应的放大系数，无因次；X（u 4）、Y（u 4）、Z（u 4）分别为第4跨梁柱对应的放大系数，无因次；M 0为钻头处所对应弯矩，kN.m；M 1为常规扶正器处所对应弯矩，kN.m；M 2为柔性短节下台阶面所对应弯矩，kN.m；M 3为柔性短节上台阶面所对应弯矩，kN.m；M 4为上部钻柱与井壁切点处所对应弯矩，kN.m； E为梁柱所用材料的弹性模量，kPa；P 1为第1跨梁柱的平均轴向力，kN；P 2为第2跨梁柱的平均轴向力，kN；P 3为第3跨梁柱的平均轴向力，kN；P 4为第4跨梁柱的平均轴向力，kN；F为导向力，kN；K为井眼曲率，rad/m。
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