[發明專利]大斜度井中鉆頭側向力測量模擬裝置及鉆進趨勢的模擬方法

在審

• 申請號: 202110029792.5
• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112878984A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發明（設計）人: 不公告發明人
• 申請（專利權）人: 王為
• 主分類號: E21B47/00
• 分類號: E21B47/00;E21B47/022;E21B7/04
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種鉆頭側向力測量裝置，依托于鉆柱動力學室內模擬實驗裝置，安裝在模擬井底處，其特征是：所述鉆頭側向力測量裝置包括：側向力傳感器、測力環和模擬鉆頭；所述側向力傳感器均勻分布在測力環外周，所述測量環與模擬鉆頭在橫截面上視為點接觸；所述模擬鉆頭后方與模擬鉆柱連接，其前方安裝在模擬井底上，所述模擬井底1與水平面成夾角，并在模擬井底上設置壓力傳感器；所述模擬鉆柱設置在模擬井筒中；隨著鉆柱的旋轉鉆進，模擬鉆頭被測力環限制在一定的空間內運動；隨著鉆柱的振動，測力環受到來自鉆頭的力，安裝在測力環周圍的側向力傳感器把產生的電壓信號傳送給工控機，所述工控機記錄下來每一時刻測力環的受力情況。

2.一種如權利要求1所述的鉆頭側向力測量裝置，其特征是：所述側向力傳感器共有三個，所述三個側向力傳感器互成120°夾角均勻周向分布在測力環上，從而準確測量任意時刻測力環所受到的拉力或壓力值。

3.一種如權利要求2所述的鉆頭側向力測量裝置，其特征是：所述工控機的采樣頻率為1000Hz。

4.一種如權利要求1所述的鉆頭側向力測量裝置，其特征是：所述鉆頭側向力模擬裝置通過改變井斜角、固定鉆壓和調節轉速的方式進行測量。

5.一種利用鉆頭側向力測量裝置進行鉆進趨勢的模擬方法，其特征是：所述方法包括：

步驟1.安裝所述鉆頭側向力測量裝置，設置相應的受力參數和工控機采樣頻率；

步驟2.實驗信號降噪及平滑處理

采用局部加權回歸散點平滑法對原始實驗信號進行降噪處理，使得原始信號時域曲線更加平滑；

步驟3.確定方位力的影響因素和變化規律

將鉆頭側向力正交分解為水平方向上的方位力N bx及垂直方向上的井斜力N by，分別探究這兩種力在不同鉆井參數下的變化趨勢；

步驟4.確定轉速對方位力的影響

固定井斜角和鉆壓，并計算并繪制出一定時間內方位力在不同轉速下的時域曲線；通過分析該時域曲線，獲得方位力曲線隨著轉速的改變圍繞x軸周期性波動情況；

步驟5.確定鉆壓對方位力的影響

固定井斜角和轉速，根據實驗數據繪制出方位力隨著鉆壓變化的時域曲線圖；通過分析該時域曲線圖，獲得鉆壓對方位力的影響情況；

步驟6.確定井斜力的影響因素和變化規律

基于正交分解的原理，先利用編程對原始實驗數據預處理，最終將不同情況下的井斜力提取出來；從轉速和鉆壓兩個鉆井參數出發，分析井斜力的變化趨勢；

步驟7.綜合以上步驟分析，確定出在大斜度井眼里，隨著轉速和鉆壓的改變，待鉆井眼的井眼軌跡的鉆進趨勢。

6.一種如權利要求5所述的模擬方法，其特征是：步驟1中，將所述鉆頭側向力測量裝置的三個傳感器所記錄的瞬時拉壓力分別記作：F1，F2和F3；并且規定符號：壓力為正，拉力為負；將三個側向力傳感器搜集到的瞬時拉壓力正交分解，再根據測力環與鉆頭作用力與反作用力的關系，最終合成為鉆頭上x方向上的合力N bx與y方向的合力N by。

7.一種如權利要求6所述的模擬方法，其特征是：其中，N bx為方位力，其主要作用是改變井眼軌跡的井斜方位角，當方位力N bx0時，井眼軌跡表現為增方位趨勢；N by為井斜力，其主要作用是改變井眼軌跡的井斜角，當井斜力N by0時，井眼軌跡表現為增井斜趨勢。最終把方位力N bx和井斜力N by的合力記作Nb，Nb便是鉆頭處所受的真實側向力，x軸的正方向與側向力Nb之間的夾角為側向力方向角N，規定：鉆頭側向力Nb從x軸的正方向逆時針轉過的角度為正；通過推導，得到傳感器測得的瞬時拉壓力F1、F2及F3與方位力N bx、井斜力N by、側向力Nb和側向力方向角的換算關系式。

8.一種如權利要求6所述的模擬方法，其特征是：步驟6進一步包括：

步驟6.1分析轉速對井斜力的影響

固定井斜角和鉆壓，并計算并繪制出一段時間內內井斜力在不同轉速下的時域曲線；從而獲得井斜力時域曲線是一條圍繞x軸周期性波動的曲線；隨著轉速的升高，井斜力波動頻率隨之升高；隨著轉速的升高，井斜力的波動幅度也明顯變大，且波動越來越紊亂；

步驟6.2確定鉆壓對井斜力的影響

固定井斜角和轉速，根據實驗數據繪制出井斜力隨著鉆壓變化的時域曲線圖；從而獲得鉆壓的改變對井斜力N by的波動頻率并無影響，隨著鉆壓的升高，井斜力N by的波動頻率始終保持不變；而隨著鉆壓的升高，井斜力N by的波動幅度顯著升高。