底部钻具组合力学特性模拟试验研究

范永涛， 高德利， 张 辉， 房 军

(石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京))，北京 102249)

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底部钻具组合力学特性模拟试验研究

范永涛， 高德利， 张 辉， 房 军

(石油工程教育部重点实验室(中国石油大学(北京))，北京 102249)

底部钻具组合(BHA)的力学特性直接影响井身质量、钻井安全与钻速，因此，需要从理论和试验2个方面去研究BHA的力学特性，然而目前试验方面的研究很少。根据相似理论，利用底部钻柱力学装置，模拟研究了钻压和转速对井斜力、方位力、钻头合侧向力及其方向角的影响规律。结果表明：合侧向力随钻压的增大而增大，转速对合侧向力的影响较小；随钻压增大，井斜力增大，转速越大，井斜力越大；方位力随钻压增大而增大，转速对方位力的影响较小；合侧向力方向角随钻压增大而减小，随转速增大而增大。研究结果可为井斜控制机理研究和防斜打快提供理论依据。

钻具组合 相似理论 钻柱力学 井斜控制 模拟试验

要在易斜地层实现防斜打快，就需要了解防斜打快的机理[1]，而要了解防斜打快机理，就要掌握底部钻具组合(bottom hole assembly，BHA)的动力学特性。国内外许多学者通过建立理想模型对BHA力学问题进行了理论计算，并取得了很多成果[2-6]，但仅从理论角度分析BHA力学特性不够全面。国外对BHA力学特性进行了井下实测[7]，取得了一定进展，但现场实测数据有限，不能充分反映底部钻具的力学特性，并且现场实测存在难度大、测试费用高等问题。因此，室内模拟试验已成为研究BHA力学特性的重要手段[8]。J.D.Macpherson等人[9]在钻头上部和转盘上部的测试短节内安装传感器进行地面测量，结合建立的钻柱动态模型，利用地面测量结果估算底部钻具的动态特性。管志川等人[10]建立了模拟直井底部钻柱运动状态的试验装置，研究了钻柱的涡动规律及涡动机理，但井斜角变化范围较小。李成等人[11]研制了模拟底部钻柱动态力的测量系统，采用4分量测力传感器测量近钻头端侧向力，但没有模拟钻头，并将近钻头端进行了固支[12]。

笔者利用模拟井斜角变化范围为0°～90°的室内模拟试验装置，采用6个测力传感器间隔60°均匀分布的侧向力传感器，设计了模拟钻头，结合建立的钻头侧向力计算方法，开展了不同试验条件下的BHA力学特性试验，以期进一步了解BHA力学特性，为防斜打快技术的应用提供参考。

1 试验装置

依据相似理论[13]，结合钻井实际工况，设计了底部钻柱力学试验装置。该装置主要包括试验架、模拟井筒和模拟BHA、测量装置、驱动装置、控制装置、提升装置等，如图1所示。试验架包括竖直试验架和可以在轨道上滑动的水平试验台。模拟BHA由模拟钻铤、模拟稳定器、模拟钻头组成。驱动装置中的电动机为交流伺服电机，可以进行无级变速，为模拟钻铤提供转速。液压马达用高压油驱动，为模拟钻铤提供轴向位移，施加轴向力。控制装置中的测控仪采用电液伺服控制系统控制模拟钻铤的转速和轴向位移。测量装置由侧向力传感器、拉压力传感器、计算机、信号采集器、信号电缆组成。提升装置中的电动机为伺服电机，通过安装在试验架顶端的滑轮控制钢缆将试验台提升至需要的井斜角。

图1 底部钻具组合力学研究试验装置基本结构Fig.1 Schematic diagram of exprimental device for BHA

2 测量系统

2.1 测量轴向力

测量轴向力，即测量井底钻压时，采用LC1102型应变式拉压力传感器，将钻压信号转变为应变信号，其量程0～5 000 N、灵敏度1.99 mV/V，在 WDTⅡ-20 型微机控制电子万能试验机上进行标定。拉压力传感器通过拉压力传感器压杆与模拟钻头顶端接触测量轴向力。

2.2 测量钻头侧向力

自制测量钻头侧向力的应变式测力传感器时，选用弹簧钢制作应变梁，用高精度金属应变片作为敏感单元，应变胶采用粘贴应变片的专用胶，待检查贴好的应变片绝缘电阻符合要求后，采用环氧树脂黏合剂对应变片进行防护。6个应变式测力传感器间隔60°均匀安装在测力环上组成测量钻头侧向力的传感器。测力环测量钻头侧向力如图2所示，6个测力传感器的编号分别为1#、2#、3#、4#、5#和6#，测量值分别为F1、F2、F3、F4、F5和F6(压力为“+”、拉力为“-”)。在标定侧向力传感器时，将其水平放置，与应变采集器、计算机通过信号电缆连接，在其与模拟钻头接触的位置悬挂砝码，通过不断增加砝码质量，得到相应的应变量，进而分别得到6个应变式测力传感器的载荷-应变关系曲线。标定结果显示，6个应变式测力传感器的载荷-应变关系线性相关系数为1，说明所设计的应变式测力传感器能准确测出其受力的大小，测量精度满足试验要求。在试验中，通过读取6个应变式测力传感器的应变量，然后根据回归方程即可反算出相应的F1、F2、F3、F4、F5和F6。求解钻头处瞬态侧向力合力Nb、作用位置θN的公式[11]为：

(1)

(2)

图2 测力装置与钻头受力示意图Fig.2 Schematic diagram of dynamometer device

钻头旋转一周测到n个(与转速和取样频率有关)瞬态侧向力，这n个瞬态侧向力在井斜平面内分量的平均值即为井斜力Fα、在方位平面内分量的平均值即为方位力Fφ，从而可以得到钻头的合侧向力Fs和合侧向力方向角θ(合侧向力Fs与井底高边的夹角，以高边顺时针计)[12]：

(3)

(4)

(5)

3 试验方案

模拟井筒和模拟BHA以某油田φ311.1 mm井眼常用的双稳定器钟摆钻具组合为原型，结合试验台的尺寸，按与原型几何比1∶10设计，模拟井筒和模拟钻铤为无缝钢管，模拟钻头为表面经过硬化处理的金属球，用沉孔螺钉将模拟稳定器固定在模拟钻铤上，通过改变其位置以模拟不同的BHA。

模拟井筒尺寸：长度6.4 m，内径31.5 mm，外径38.0 mm。模拟钻铤尺寸：长度6.8 m，内径15.0 mm，外径20.0 mm。模拟钻头直径31.5 mm。模拟稳定器尺寸：长度50.0 mm，内径20.0 mm，外径31.2 mm。模拟钻头距第一稳定器的距离1.8 m，第二稳定器距第一稳定器的距离0.9 m。

利用提升装置将模拟BHA的井斜角设置为10°，通过驱动装置和控制装置为模拟BHA施加钻压和转速，钻压为0～1 400 N，转速分别为120，150，180，210和240 r/min[14]。

4 结果与分析

图3为不同转速时钻头侧向力随钻压的变化情况。由图3可知：钻头合侧向力随钻压增大而增大，当钻压增加到一定值时，钻头合侧向力增速趋缓；转速对钻头合侧向力的影响较小。

图3 合侧向力与钻压和转速的关系Fig.3 Relationship between total side forces and WOB as well as rotary speed

图4为不同转速下钻头井斜力(以增斜为“+”、降斜为“-”)随钻压的变化情况。由图4可知：钻头降斜力随着钻压的增大而减小，当钻压增加到一定值时，钻头降斜力变为0；随着钻压的继续增大，井斜力变为增斜力，并随着钻压的增加而增大；底部钻具组合由降斜钻具组合变为增斜钻具组合时存在一个临界钻压，并且这个临界钻压随转速的不同而不同，转速越高，临界钻压越小；当钻具组合表现为降斜钻具组合时，转速越大，降斜力越小；当钻具组合表现为增斜钻具组合时，转速越大，增斜力越大。

图4 井斜力与钻压和转速的关系Fig.4 Relationship between inclinational force and WOB as well as rotary speed

图5为不同转速下钻头方位力随钻压的变化情况。由图5可知：钻头方位力(以减方位趋势为“+”、增方位趋势为“-”)为负值，说明钻头具有增方位趋势；钻头方位力随钻压增大而增大，说明钻头增方位能力在增大；转速对钻头方位力的影响较小。

图5 方位力与钻压和转速的关系Fig.5 Relationship between azimuthal force,WOB as well as rotary speed

图6为不同转速下钻头方向角随钻压的变化情况。由图6可知：钻头合侧向力方向角随钻压增大而减小；当钻压较小时，方向角趋于降斜方向，钻头表现为降斜力；随着钻压增加，方向角趋于增斜方向，钻具组合表现为增斜钻具组合；当钻压继续增加，方向角增加到一定值时，基本保持稳定；方向角随着转速的增加而增大，即转速越高方向角越大，转速越低方向角越小。

5 结 论

1)利用室内模拟试验装置和自制的钻头侧向力测量系统，结合所建立的钻头侧向力计算方法，可以对钻头侧向力进行连续动态的测量与分析。

图6 方向角与钻压和转速的关系Fig.6 Relationship between well angle and WOB as well as rotary speed

2)通过底部钻具组合力学特性的模拟试验，得到了钻压与转速在一定试验条件下对井斜力、方位力、钻头合侧向力及其方向角的影响规律。

3)采用文中的试验方法，可以通过模拟试验分析钻压、转速、井斜角、稳定器等因素对钻头侧向力的影响规律，对于深入研究底部钻具组合的力学特性具有参考作用。

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SimulationandExperimentalResearchonMechanicalPropertiesofBottomHoleAssembly

FanYongtao,GaoDeli,ZhangHui,FangJun

(MOEKeyLaboratoryofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing,102249,China)

The mechanical properties of bottom hole assembly (BHA)directly affect wellbore quality,drilling speed and safety,thus it is necessary to study the mechanical properties of BHA based on theories and experiments.However,the experimental study is inadequate so far.According to the similarity theory,the bottom drill string mechanics device is used to simulate the effect of weight on bit (WOB)and rotary speed on inclinational force,azimuthal force,total side forces and directional angle.The results indicate that total side forces at bit increases with the increase of WOB,but the rotary speed affects it slightly;the inclination force increases with the increase of WOB,and the higher the rotary speed;the greater the inclination force,too,azimuthal force increases with the increase of WOB,and rotary speed affects it slightly;the direction angle caused by total side forces decreases with the increase of WOB,and increases with the increase of rotary speed.It can provide basis for the study on mechanism of well deviation control and fast drilling.

bottom hole assembly；similarity theory；drill string mechanics；well deviation control；simulated experiment

2012-12-15；改回日期2013-04-24。

范永涛(1983—)，男，山东菏泽人，2006年毕业于西南石油大学机械制造及自动化专业，2009年获西南石油大学石油矿场机械专业硕士学位，在读博士研究生，主要从事油气井力学与控制工程研究。

联系方式：(010)89733702，fanyongtao.123@163.com。

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目“深井复杂地层破岩机理与高效破岩方法”(编号：2010CB226703)和国家自然科学基金项目“气体钻井井眼轨迹偏斜机理与控制理论研究”(编号：51174220)资助。

10.3969/j.issn.1001-0890.2013.03.015

TE21

A

1001-0890(2013)03-0080-05

[编辑 刘文臣]