超短半径水平井钻具的柔度与载荷传递机理研究

For ultra short radius horizontal well whose finishing drilling actuated by turntables, the conventional drilling tools could not meet the requirements of large curvature well section, the flexible drill string with a certain flexibility, which could also bear internal pressure, axial force and torque loads, is needed to be developed. How to confirm the maximum flexibility of flexible drill string under the conditions of safe bearing load could help carry out the finishing drilling in the shortest radius horizontal well, while the systematic theoretical method and structure optimization are required. For this purpose, by adopting theoretical analysis, numerical simulation and experiments in this program, by evaluting on the structural design methods for flexible drill string and the trafficability of the maximum curvature, and by taking the load safety and the flexiblity matching for inner flexible drill rod and outer guiding tube into account, we would like to establish the structure design method for multi-parameter coupling flexible drill string and to obtain a series of the optimum structures of drilling tools in different borehole curvatures. Considering the double touch of flexible drill string, the nonlinear mechanical models and numerical methods for flexible string assembly would be established. By researching on the bearing capacity tests and the bending capacity tests of flexible drill string, the flexibility and bearing capacity of flexible drill string could be evaluated. In this paper, the research results could provide theories for design and technological parameters optimization of make-up of string in ultra short radius horizontal wells, and could promote the technological development.

在转盘驱动完钻的超短半径水平井中，由于常规钻具无法满足大曲率井段的要求，需研制具有一定的柔度，且能够承受内压、轴力和扭矩载荷的柔性钻具。而如何确定柔性钻具在安全承载的状态下柔度达到最大，可实施最短半径的水平井完钻，需系统的理论方法和结构优化。为此，本项目采用理论分析、数值模拟和实验相结合的分析方法，通过对柔性钻具结构设计方法与最大曲率段通过能力评价，考虑内层柔性钻杆和外层导向管的柔度匹配，载荷安全，建立多参数相互耦合的柔性钻具结构设计方法，得到不同井眼条件下的一系列最佳钻具结构。考虑柔性钻具双层接触，建立柔性钻具组合非线性力学分析模型及数值计算方法。通过对柔性钻具承载能力及弯曲能力试验研究，评价柔性钻具的柔度及承载能力。对柔性钻具进行力学分析，得到柔性钻具的柔性与载荷传递机理。本项目研究成果为超短半径水平井钻具组合设计与工艺参数优选提供理论方法，促进该技术的发展。

柔性钻具是石油钻采工程中的特有结构，开展柔性钻具结构与载荷传递机理研究，对其结构优化设计、工艺参数优选等技术发展具有重要意义。. 基于响应面法，建立了以柔性钻具最大等效应力为约束，以柔度最大为目标，以几何参数为设计变量的柔性钻具优化数学模型，采用遗传算法对其进行了优化，得到了柔性钻具的最优结构。优化后导向管和柔性钻杆的柔度均提高了25%以上，且加工量减少了10%以上。. 考虑柔性钻杆的机构与结构过渡问题、导向管梁截面偏心及双层接触非线性特性，将梁单元、万向铰接单元、刚性梁单元和梁-梁接触单元进行组合，建立了柔性钻具力学分析模型，提出了梁梁接触非线性分析的动力松弛法，解决了梁梁接触问题中由于刚体位移导致系统不收敛的问题。为了验证模型和方法的可行性，建立了梁梁双层接触平面模型，在内梁铰接处施加不同横向载荷，推导了铰接处的挠度和弯矩以及各梁之间的接触力的表达式，将采用上述模型和方法得到的数值解与理论解进行对比，最大误差仅为3.8%。. 开展了柔性钻具承载能力及弯曲能力试验研究，通过柔性钻杆的扭转和压缩试验，得到柔性钻杆可承受40.0kN的轴向力和2000N•m的极限扭矩；通过三种材质（45号钢、N80、35CrMo）导向管的压缩试验，得到割缝闭合程度随载荷变化情况，并分段拟合出导向管的曲率半径和载荷关系的线性公式，通过该实验得到N80材质的套管柔性最好。通过正向和反向弯曲试验，得到35CrMo的导向管综合抗弯性能最好。. 对不同结构参数、不同曲率半径和不同轴向力下的造斜段和水平段柔性钻具载荷传递机理开展研究，结果表明：柔性钻杆与导向管之间的接触力呈随机分布状态；造斜段导向管与井壁之间的接触力大于水平段。柔性钻杆单节长度及转动限制度数越大，钻头扭矩越小，钻头钻压变化不大；随着曲率半径的增大，钻头扭矩逐渐增大，钻造斜段钻头钻压变化不大，钻水平段钻头钻压逐渐增大；随着轴向力的增大，钻头扭矩变化不大，钻头钻压逐渐增大。