带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合及其使用方法技术

本发明专利技术提供了一种带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合及其使用方法，所述钻具组合包括沿井下至地面方向顺序连接的钻头、变径扶正器、静态推靠式旋转导向钻井工具、常规扶正器和上部钻柱，变径扶正器具有沿管柱径向变化的直径，当变径扶正器处于第一工作状态时，变径扶正器的直径最大，该旋转导向钻具组合具有高造斜能力，当变径扶正器处于第二工作状态时，变径扶正器的直径最小，该旋转导向钻具组合仅有低造斜能力。本发明专利技术能够将现有静态推靠式旋转导向钻井工具的最高造斜率提升至15

【技术实现步骤摘要】
带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合及其使用方法


[0001]本专利技术涉及旋转导向钻井
，具体来讲，涉及一种带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合、以及一种带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法。

技术介绍

[0002]旋转导向钻井系统是高难度定向钻井的核心装备。我国于20世纪末开始关注和研究旋转导向钻井系统。由于结构复杂、研制难度大、研究进展缓慢，国内长期依赖进口装备。目前我国各大油田及各大石油高校都在致力于研发旋转导向钻井系统。西安石油大学开展了旋转导向钻井系统研制工作，目前已经设计出样机，但尚未用于现场钻井。2015年，中海油宣布其自主研发的旋转导向系统Welleader、随钻测井系统Drilog联合完成渤海某井的海上作业，打破了旋转导向钻井领域的国外技术垄断。2019年，由川庆钻探、航天科工、中国石油大学（华东）共同完成的CG
‑
STEER旋转导向钻井系统，造斜率达到11.2
°
/30m。
[0003]尽管国产旋转导向钻井系统已经取得了重大进展，但是与国外的顶尖技术相比仍然有较大技术差距。特别是核心技术指标造斜率始终未能突破12
°
/30m，距离高造斜率15
°
/30m要求还有较大差距，还难以满足国内非常规油气钻井及高难度定向钻井技术需求。例如，于2017年1月14日公开的专利技术名称为推靠式全旋转导向工具、公开号为CN106285478A的专利文献记载了一种推靠式全旋转导向工具，包括扶正器机构、导向执行机构、花键万向轴机构。所述的导向执行机构前端连接花键万向轴机构，后端连接扶正器机构，当旋转导向工具进行导向钻进时，控制系统控制井下电机在指定位置将大齿轮上的指定孔与导向机构上部主体和导向机构下部主体上的钻井液通道连通，从而使不旋转外壳调整到与所需导向的井斜、方位相同的位置上，这时钻具沿所需的井斜及方位进行钻进，并由各随钻测试仪器随时监测井眼轨迹。于2018年12月18日公开的专利技术名称为一种全旋转液压内推靠式高造斜率旋转导向工具、公开号为CN109025820A的专利文献记载了一种全旋转液压内推靠式高造斜率旋转导向工具。该全旋转液压内推靠式高造斜率旋转导向工具采用涡轮驱动的液压系统及发电机组件将压力泥浆的能量转化为液压能，通过液压方式为活塞提供动力，使得钻头获得的侧向力更大。同时采用铰接的方式，具备最佳的转向能力及更易实现高造斜率；液压活塞推靠所述下旋转外套内壁，而不是井壁，能够减小磨损；并且同一时刻仅推出一套推靠活塞组件，减少了不必要的工作，提高了活塞工作寿命。
[0004]由此可见，继续提升国产旋转导向钻井系统的造斜率是目前亟待解决的瓶颈技术难题之一。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于解决现有技术存在的上述不足中的至少一项。例如，本专利技术的目的之一在于提供一种能提升静态推靠式旋转导向钻井工具造斜率的钻具组合及其使用方法，以解决当前国产旋转导向钻井工具的造斜率无法突破12
°
/30m的技术难题。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术一方面提供了一种带变径扶正器的高造斜率旋转导向
钻具组合，所述钻具组合包括沿井下至地面方向顺序连接的钻头、变径扶正器、静态推靠式旋转导向钻井工具、常规扶正器和上部钻柱，其中，所述变径扶正器具有沿管柱径向变化的直径，当变径扶正器处于第一工作状态时，变径扶正器的直径最大，当变径扶正器处于第二工作状态时，变径扶正器的直径最小；所述静态推靠式旋转导向钻井工具上设置有多个导向翼肋，在第一工作状态下，导向翼肋能够产生沿井眼高边指向井眼低边方向的第一导向力，以使所述钻具组合能够提供第一造斜率，在第二工作状态下，导向翼肋能够产生沿井眼低边指向井眼高边方向的第二导向力，以使所述钻具组合能够提供第二造斜率。
[0007]在本专利技术的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的一个示例性实施例中，所述常规扶正器与所述上部钻柱之间可以连接有柔性短节，柔性短节能够减小该钻具组合的刚度，提升该钻具组合的造斜率及其在高造斜率井眼中的通过能力。
[0008]在本专利技术的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的一个示例性实施例中，所述第一造斜率可处于10
°
/30m至15
°
/30m之间，所述第二造斜率可不大于10
°
/30m。
[0009]本专利技术另一方面提供了一种如上所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法，所述使用方法包括：在钻进过程中，当需要所述钻具组合提供第一造斜率，调节变径扶正器至第一工作状态，然后定向井工程师下传指令控制旋转导向工具的导向翼肋从井眼高边向井眼低边施加第一导向力；当需要所述钻具组合提供第二造斜率，调节变径扶正器至第二工作状态，然后定向井工程师下传指令控制旋转导向工具的导向翼肋从井眼低边向井眼高边施加第二导向力。
[0010]在本专利技术的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法的一个示例性实施例中，所述使用方法还可包括：在起钻前，将变径扶正器调节至第二工作状态，以避免卡钻。
[0011]在本专利技术的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法的一个示例性实施例中，所述使用方法还可包括：根据平衡趋势造斜率预测模型计算所述钻具组合在钻进过程中的造斜率预测结果和井眼轨迹预测结果。
[0012]在本专利技术的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法的一个示例性实施例中，所述造斜率预测结果和井眼轨迹预测结果的具体计算流程可为：a)建立纵横弯曲梁力学分析模型；b)对每一跨梁进行受力分析，并列出三弯矩方程；c)根据钻头侧向力和钻头倾角计算出钻进趋势角；d)迭代法计算造斜率；e)预测井眼轨迹参数。
[0013]在本专利技术的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法的一个示例性实施例中，当变径扶正器处于第一工作状态时，所述三弯矩方程可如下：
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（1）
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（2）（3）
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（4）
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（5）式（1）~式（5）中，q1为第1跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q2为第2跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q3为第3跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q4为第4跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；q5为第5跨梁柱的横向均布载荷，kN/m；L1为第1跨梁柱的长度，m；L2为第2跨梁柱的长度，m；L3为第3跨梁柱的长度，m；L4为第4跨梁柱的长度，m；L5为第5跨梁柱的长度，m；L
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为导向翼肋中心与变径扶正器中心的距离，m；L
22
为导向翼肋中心与常规扶正器中心的距离，m；I1为第1跨梁柱的截面惯性矩，m4；I2为第2跨梁柱的截面惯性矩，m4；I3为第3跨梁柱的截面惯性矩，m4；I4为第4跨梁柱的截面惯性矩，m4；I5为第5跨梁柱的截面惯性矩，m4；y0为钻头中心所对应纵坐标，m；y1为变径扶正器中心所对应纵坐标，m；y2为常规扶正器中心所对应纵坐标本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合，其特征在于，所述钻具组合包括沿井下至地面方向顺序连接的钻头、变径扶正器、静态推靠式旋转导向钻井工具、常规扶正器和上部钻柱，其中，所述变径扶正器具有沿管柱径向变化的直径，当变径扶正器处于第一工作状态时，变径扶正器的直径最大，当变径扶正器处于第二工作状态时，变径扶正器的直径最小；所述静态推靠式旋转导向钻井工具上设置有多个导向翼肋，在第一工作状态下，导向翼肋能够产生沿井眼高边指向井眼低边方向的第一导向力，以使所述钻具组合能够提供第一造斜率，在第二工作状态下，导向翼肋能够产生沿井眼低边指向井眼高边方向的第二导向力，以使所述钻具组合能够提供第二造斜率。2.根据权利要求1所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合，其特征在于，所述常规扶正器与所述上部钻柱之间连接有柔性短节。3.根据权利要求1所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合，其特征在于，所述第一造斜率处于10
°
/30m至15
°
/30m之间。4.根据权利要求1所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合，其特征在于，所述第二造斜率不大于10
°
/30m。5.一种如权利要求1~4中任意一项所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法，其特征在于，所述使用方法包括：在钻进过程中，当需要所述钻具组合提供第一造斜率，调节变径扶正器至第一工作状态，控制静态推靠式旋转导向钻井工具上的导向翼肋从井眼高边向井眼低边施加第一导向力；当需要所述钻具组合提供第二造斜率，调节变径扶正器至第二工作状态，控制静态推靠式旋转导向钻井工具上的导向翼肋从井眼低边向井眼高边施加第二导向力。6.根据权利要求5所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法，其特征在于，所述使用方法还包括：在起钻前，将变径扶正器调节至第二工作状态，以避免卡钻。7.根据权利要求5所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法，其特征在于，所述使用方法还包括：根据平衡趋势造斜率预测模型计算所述钻具组合在钻进过程中的造斜率预测结果和井眼轨迹预测结果。8.根据权利要求5所述的带变径扶正器的高造斜率旋转导向钻具组合的使用方法，其特征在于，所述造斜率预测结果和井眼轨迹预测结果的具体计算流程为：a)建立纵横弯曲梁力学分析模型；b)对每一跨梁进行受力分析，并列出三弯矩方程；c)根据钻头侧向力和钻头倾角计算出钻进趋势角；d)迭代法计算造斜率；e)预测井眼轨迹...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘伟，陈东，冯思恒，韩烈祥，连太炜，邓虎，唐梁，廖冲，郑超华，张萍，
申请(专利权)人：中国石油天然气集团有限公司，
类型：发明
国别省市：