[发明专利]一种旋转导向钻井工具的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种石油钻井工具的设计方法，特别是关于一种处于提离井底状 态下，可以提高旋转导向钻井工具造斜率能力的旋转导向钻井工具的设计方法。

背景技术

目前，旋转导向钻井工具广泛应用在定向井、水平井和水平分支井等复杂的 钻井过程中。旋转导向钻井工具在钻井时，不需要改变钻具组合就可以完成定向 造斜、增斜和稳斜等钻井工作，因此，旋转导向钻井工具不仅能够极大地提高定 向钻井的作业效率，同时还能降低滑动钻井带来的卡钻风险。

如图1、图2所示，旋转导向钻井工具由下至上包括依序连接的钻头1、可控 的偏心稳定器2、钻柱3、上部稳定器4和钻铤(图中未示出)。其中，沿着偏心 稳定器2的外侧表面均匀地分布有三个翼肋5。旋转导向钻井工具在井下工作时， 偏心稳定器2通过对井壁施加推靠力P(简称为井壁推靠力)，控制各翼肋5的伸 出和缩回，使旋转导向钻井工具的轴心O′偏离井眼轴心O，从而使三个翼肋5 在工具面方向产生一合位移，即旋转导向钻井工具偏离轴向井眼的距离(简称偏 置位移)。可见，偏心稳定器2施加的井壁推靠力P直接影响其偏离轴向井眼的距 离。而旋转导向钻井工具偏离轴向井眼的距离是衡量钻井工具造斜能力的一个重 要指标，因此可以通过提高偏心稳定器2施加的井壁推靠力P，来提高旋转导向钻 井工具的造斜能力。目前，国内外学者已经开展了很多关于处于钻井状态下的旋 转导向钻井工具的力学特性研究，但关于处于提离井底状态的旋转导向钻井工具 的力学特性研究的报道很少。因此，开展关于处于提离井底状态的旋转导向钻井 工具的力学特性研究，对于提高旋转导向钻井工具的造斜能力及造斜率具有重要 指导意义。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种处于提离井底状态下的旋转导向钻 井工具的设计方法，以提高旋转导向钻井工具造斜率能力。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种旋转导向钻井工具的设计 方法，它包括以下步骤：1)在旋转导向钻井工具提离井底状态下，将钻头、偏心 稳定器、钻柱和上部稳定器组成整体视为一悬臂梁，以上部稳定器为悬臂梁的嵌 固端，假设钻柱的质量连续均匀分布，假设井眼是刚性的；2)建立悬臂梁的直角 坐标系：以上部稳定器的中心点为原点，以井眼的轴线为X轴，X轴正方向由原点 指向井壁推靠力P的作用点，则Y轴过原点，Y轴正方向与所设井壁推靠力P的方 向相反；3)基于上述假设和建立的直角坐标系，得到偏心稳定器的井壁推靠力P 与悬臂梁结构参数的函数关系：

P=24EIy+qsinα(6l2x2-4lx3+x4)4x2(x-3l)]]>

式中：l为钻柱的长度[m]，

      q为钻柱的单位长度重量[KN/m]，

      E为钻柱的弹性模量，E＝2.058*10⁵MPa，

      I为钻柱的极惯性矩[cm⁴]，I＝3.14(R_外径⁴-R_内径⁴)/64，

      R_外径为钻柱的外径[cm]，

      R_内径为钻柱的内径[cm]，