高造斜率井眼轨迹控制工具主轴井下力学行为研究

The trajectory control tool of high build-up rate wellbore belongs to the point-the-bit rotary steerable drilling tools and represents the development trend of advanced drilling tools. It is gradually applied in special technology wells making demands on the drilling accuracy, quality of well trajectory, drilling speed and efficiency , such as ultra-deep well, complex directional wells, cluster wells, horizontal wells, large displacement wells, branch wells, et al. These demands depend on the downhole dynamic characteristics of the tool spindle, which is lack of systematic research and prevents the the further development of the technology. This project is in accordance with the existing scientific research results of drill string mechanics, combined with the drill string mechanics development trends, based on the high rate of overall well trajectory control tool prototype to expand the experimental and theoretical studies. Experimental apparatus and test systems of mechanical properties are firstly developed which can simulate downhole conditions of the high build-up rate wells, and then the relationship of the drilling parameters, the bottom hole assembly (BHA), rock properties and lubricants, and the behavior of spindle dynamics is studied. Finally , it is established that the description mathematical and physical model of the dynamic behavior of spindle underground. There is a strong engineering practical significance that the project research results provide scientific basis for the point-the-bit rotation oriented drilling tools design, well trajectory control and the choice of drilling parameters..

高造斜率井眼轨迹控制工具属于指向式旋转导向钻井工具，代表了先进钻井工具的发展趋势，逐渐在超深井、高难定向井、丛式井、水平井、大位移井和分支井等特殊工艺井中得以应用。这些井对钻进精度、井眼轨迹质量、钻井速度和效率有较高的要求，而这些要求取决于工具主轴的井下动力学特性，由于对主轴井下动力学行为缺乏系统的研究，阻碍了该技术的进一步发展。本项目依据钻柱力学现有科学研究成果，结合钻柱力学发展趋势，基于高造斜率井眼轨迹控制工具样机展开实验和理论研究。首先研制模拟高造斜率井井下工况的力学实验装置和力学特性测试系统，然后研究钻井参数、底部钻具组合（BHA）、岩石特性和润滑油等与主轴动力学行为的关系，最后建立描述主轴井下动力学行为的数学物理模型。项目研究成果为指向式旋转导向工具设计、井眼轨迹控制以及钻井参数的选择提供科学依据，具有极强的工程实践意义。

高造斜井眼轨迹控制工具一种新型无极、可调的旋转导向钻井工具，代表着当今高精度定向钻进技术的方向，是导向钻井技术一次质的飞跃。井眼轨迹控制工具的主轴在钻进时受到轴向、径向、振动、冲击等多种载荷的作用，工况复杂，同时它又决定着工具钻进精度、井眼轨迹质量、钻井速度和效率的重要保障，因此对主轴的研究很有必要.基于此，推导出钻头偏转角和主轴变形轨迹与外壳刚度、主轴刚度及工具的结构参数相关的计算公式，建立了主轴在静态条件下的力学模型;综合考虑了工具外壳和主轴的相互作用，推导出了主轴在稳态造斜状态下的挠度方程、转角方程以及轴承处的约束反力方程。基于弹性动力学的方法，结合Hamilton理论与能量法，建立了主轴的动力学方程。考虑钻压、扭矩、转速以及偏心动位移载荷对主轴受力的影响，运用拉格朗日方程建立主轴有限元结构动力学基本方程. 基于弹性力学基本理论与结构动力基本方程，对主轴的结构自由振动进行了研究，得出了在零阻尼以及无外载的条件下主轴的自由振动方程，并应用有限元法对主轴进行了模态分析。应用相关理论，采用控制变量法，分析了钻井参数对主轴力学行为及造斜率的影响。通过改进后的高造斜工具模拟测试台架对完成了相关模拟实验，并对理论模型进行了验证和分析。相关研究显示，利用高造斜井眼控制工具的试验台架进行试验验证，试验测得的数据与理论推导的数据非常接近，验证了所建力学模型的合理性。分析显示主轴最低阶固有频率是19.074HZ，一阶临界转动速度是1144.44r/min。当转速和偏转角度一定时，偏心环作用力、钻头处的侧向力和调心轴承处的作用力随着偏移量的增加逐渐增加，并呈现出线性关系，当偏距超过2mm时，主轴的疲劳寿命≤70h；当偏置机构安放在a=1/3处，机构的强度及使用寿命增加。研究成果为井眼轨迹控制工具结构参数的优化和完整自主知识产权的开发提供了科学依据和技术指导，对井眼轨迹控制工具失效分析以及工具主轴的力学模型的建立具有重要意义，可推广应用于其它井下工具的研发。