[发明专利]一种钻井状态的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，特别是关于一种钻井状态的旋转 导向钻井工具的设计方法，以提高旋转导向钻井工具的造斜能力。

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的偏置位移量。可见，偏心稳定 器2施加的井壁推靠力P直接影响其偏置位移量。而旋转导向钻井工具的偏置位 移量是衡量钻井工具的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。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种能够提高旋转导向钻井工具造斜能 力的钻井状态的旋转导向钻井工具的设计方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种钻井状态的旋转导向钻井 工具的设计方法，其特征在于，它包括以下步骤：1)在旋转导向钻井工具处于钻 井状态下，将由钻头、偏心稳定器、钻柱和上部稳定器组成的整体视为一悬臂梁， 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：

式中：

S为钻头受到井底的轴向钻压[KN]，

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]，

x为悬臂梁的长度[cm]，

y为悬臂梁的偏置位移量[cm]，

α为悬臂梁的井斜角[°]；

4)使用时代入S、l、q、E、R_外径、R_内径、x、y、和α即可得到井壁推靠力P。

在步骤3)中，井壁推靠力P与悬臂梁结构参数S、l、q、E、R_外径、R_内径、x、 y和α的函数关系由以下推导过程得出：

在悬臂梁的受力截面x处，其弯矩方程为：