[發(fā)明專利]大斜度井中鉆頭側(cè)向力測量模擬裝置及鉆進(jìn)趨勢的模擬方法

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• 申請日: 2021-01-11
• 公開（公告）號: CN112878984A
• 公開（公告）日: 2021-06-01
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 不公告發(fā)明人
• 申請（專利權(quán)）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

本發(fā)明提供一種鉆頭側(cè)向力測量裝置，包括：側(cè)向力傳感器、測力環(huán)和模擬鉆頭；所述側(cè)向力傳感器均勻分布在測力環(huán)外周，所述測量環(huán)與模擬鉆頭在橫截面上視為點(diǎn)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(shè)置壓力傳感器；所述模擬鉆柱設(shè)置在模擬井筒中；隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，模擬鉆頭被測力環(huán)限制在一定的空間內(nèi)運(yùn)動；隨著鉆柱的振動，測力環(huán)受到來自鉆頭的力，安裝在測力環(huán)周圍的側(cè)向力傳感器把產(chǎn)生的電壓信號傳送給工控機(jī)，所述工控機(jī)記錄下來每一時刻測力環(huán)的受力情況。該裝置能夠在不同的鉆進(jìn)參數(shù)下模擬不同鉆井工況下，分析不同鉆速和鉆壓下鉆頭側(cè)向力的變化趨勢。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種大斜度井中鉆頭側(cè)向力測量模擬裝置及鉆進(jìn)趨勢的模擬方法。

背景技術(shù)

在石油鉆井的工程實(shí)際中，精確預(yù)測鉆進(jìn)趨勢和控制井眼軌跡是多年來鉆井從業(yè)者的共同愿望。井眼是在鉆頭和地層的相互作用下形成的，鉆頭在破碎巖石的過程中受力十分復(fù)雜，除了受到來自地層的軸向作用力，還受到徑向的作用力，這個地層施加在鉆頭徑向上的作用力統(tǒng)稱鉆頭側(cè)向力。在實(shí)際鉆進(jìn)過程中，鉆頭側(cè)向力是影響鉆進(jìn)趨勢和井眼軌跡的一個重要因素。多年來，國內(nèi)外的專家學(xué)者以鉆頭側(cè)向力為研究目標(biāo)，進(jìn)行了大量的理論研究，也取得了很多有參考價值的研究成果，對現(xiàn)場有效預(yù)測和控制井眼軌跡提供了一定的理論基礎(chǔ)。

在實(shí)際的鉆井作業(yè)中，在選定了一套鉆具組合之后，可以人為控制的因素就只剩下鉆進(jìn)參數(shù)，包括鉆壓、轉(zhuǎn)速、井斜角和鉆井液性能等。但是目前缺乏相應(yīng)的室內(nèi)模擬裝置，缺少不同的鉆進(jìn)參數(shù)下模擬不同鉆井工況下，分析不同鉆速和鉆壓下鉆頭側(cè)向力的變化趨勢的方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供一種大斜度井中鉆頭側(cè)向力測量模擬裝置及鉆進(jìn)趨勢的模擬方法，通過改變不同的鉆進(jìn)參數(shù)模擬不同鉆井工況，從而獲得不同鉆速和鉆壓下鉆頭側(cè)向力的變化趨勢，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步研究鉆井參數(shù)對鉆頭鉆進(jìn)趨勢的影響。

一種鉆頭側(cè)向力測量裝置，依托于鉆柱動力學(xué)室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)裝置，安裝在模擬井底處，所述鉆頭側(cè)向力測量裝置包括：側(cè)向力傳感器、測力環(huán)和模擬鉆頭；所述側(cè)向力傳感器均勻分布在測力環(huán)外周，所述測量環(huán)與模擬鉆頭在橫截面上視為點(diǎn)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(shè)置壓力傳感器；所述模擬鉆柱設(shè)置在模擬井筒中；

隨著鉆柱的旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆頭被測力環(huán)限制在一定的空間內(nèi)運(yùn)動；隨著鉆柱的振動，測力環(huán)受到來自鉆頭的力，安裝在測力環(huán)周圍的側(cè)向力傳感器把產(chǎn)生的電壓信號傳送給工控機(jī)，所述工控機(jī)記錄下來每一時刻測力環(huán)的受力情況，采樣頻率為1000Hz。

所述側(cè)向力傳感器共有三個，所述三個側(cè)向力傳感器互成120°夾角均勻周向分布在測力環(huán)上，從而準(zhǔn)確測量任意時刻測力環(huán)所受到的拉力或壓力值。

一種利用鉆頭側(cè)向力測量裝置進(jìn)行鉆進(jìn)趨勢的模擬方法，所述方法包括：

步驟1.安裝所述鉆頭側(cè)向力測量裝置，設(shè)置相應(yīng)的受力參數(shù)和工控機(jī)采樣頻率；

將所述鉆頭側(cè)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，F(xiàn)2和F3。并且規(guī)定符號：壓力為正，拉力為負(fù)。將三個側(cè)向力傳感器搜集到的瞬時拉壓力正交分解，再根據(jù)測力環(huán)與鉆頭作用力與反作用力的關(guān)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。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(dāng)方位力N bx0時，井眼軌跡表現(xiàn)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(dāng)井斜力N by0時，井眼軌跡表現(xiàn)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N b，N b便是鉆頭處所受的真實(shí)側(cè)向力，x軸的正方向與側(cè)向力N b之間的夾角為側(cè)向力方向角θ_N，規(guī)定：鉆頭側(cè)向力N b從x軸的正方向逆時針轉(zhuǎn)過的角度為正。通過推導(dǎo)，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(cè)向力N b和側(cè)向力方向角的換算關(guān)系式。