[发明专利]地层造斜力测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种地层造斜力测量装置及方法，具体地说，是一种用于测量油气井钻进过程中钻遇地层对钻具的横向作用力的测量装置及方法，属于石油矿场机械的专用钻井机械工具和方法。

技术背景

地层造斜力是引起钻井井斜的一个重要因素，它使钻具沿地层力方向飘移。目前已有许多成熟的技术防止井斜，如钟摆法井斜控制技术等，让所选择的钻具的侧向力大于所钻遇地层的地层造斜力，使井眼轨迹向所控制的方向钻进。一般，根据钻时的地层造斜力和钻具侧向力，预测出井眼的井斜变化率和方位变化率，结合井斜控制技术，优选钻具，进行有效地控制井眼轨迹。钻头的侧向力已有办法获得，根据纵横弯曲理论和静力平衡条件，不论有多少个稳定器，都可以对第一个稳定器取力矩来确定钻头侧向力。但是，到目前为止，在钻井工程中尚未出现地层造斜力的测量装置，不能获得钻遇地层的地层造斜力，准确的预测组合在所钻地层的特性，进行井眼轨迹变化的预测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量钻遇地层对钻具的横向作用力的地层造斜力测量装置及方法。

本发明的技术方案是：一种地层造斜力测量装置及方法，是由钻头、应力感应片、信号传输线、微型芯片、螺杆发电机、脉冲发生装置等组成，其特征在于其特征在于钻头中轴中部为圆球铰，钻头中轴上端与应力感应片相联接，应力感应片与微机芯片通过信号传输线相连结。钻头不是通过接头固定在钻柱上，而是由钻头中轴中部为圆球铰和感应片固定基质固定的。感应片固定基质与钻头中轴的间隙为刚好接触。

利用钻柱力学的研究成果可以分析计算各种组合在特定钻井条件下钻头上的偏斜力或者合力角，从而对组合的特性作出评价。利用地层造斜力的计算式，就可能对组合在特定钻井条件下(包括地层倾角和各向异性指数)钻头上的总的偏斜力进行定量的分析。在这个基础上能够比较准确的预测组合在所钻地层的特性。

实践表明，如果钻头突然出现严重偏斜，往往造成井斜急剧增加。当采用钟摆钻具(特别是用扶正器作支点的钟摆钻具)钻井时，钻头偏斜对井眼曲率的影响很小，可以忽略，下部钻柱弯曲引起的偏斜力F_B是不能忽略的，这时可以近似的把钻头合力方向当作钻头钻进方向，但是如果采用满眼组合，钻头偏斜对井眼曲率的影响就显著得多，钻头的实际钻进方向不一定是合力的方向。这时就要综合考虑钻头偏斜和钻头在总的横向偏斜力的作用下的侧向切削影响。

按照W.B.勃莱特雷提出的光钻挺下部钻柱的小车模型，钻头上的横向偏斜力F_T应为弯曲引起的偏斜力F_B和钟摆力F_P之和，同时考虑钻头与岩石的相互作用力，则钻头上总的横向偏斜力F_T应是地层造斜力F_f，弯曲偏斜力F_B和钟摆力F_P三部分的代数和：

F_T＝F_f+F_B+F_P    (1)

于是，地层造斜力为：

F_f＝F_T-(F_B+F_P)    (2)

根据钻柱力学：

FP=12L·qsinα---(3)]]>

F_B＝Psinθ_B    (4)式中：

L——切点以下钻锭长度；

q——钻艇单位长度的重量；

θ_B——钻头偏斜角。

取X轴正向代表钻头处(0点)井眼轴线方向，Y轴为在水平面内与过X轴所在的铅垂面垂直，Z轴由右手法则确定。根据钻头与地层相互作用原理，考虑到地层各向异性等因素的作用，利用坐标变换，就可以建立起三维空间内的钻头与地层相互作用钻速方程。