一、模型的基本假设条件
1、钻头、钻铤和稳定器(及井下工具)组成的下部钻具组合是弹性小变形体系;
2、钻头底面中心位于井眼中心线上;
3、钻压为常量,沿井眼轴线方向;
4、井壁为刚性体,井眼尺寸不随时间变化;
5、稳定器与井壁的接触点为点接触;
6、上切点以上的钻柱一般因自重而躺在下井壁;
7、不考虑转动和振动的影响。
二、 地层造斜力计算模型
钻井过程中,钻压作用线可能作用在与剖面成任意夹角的铅垂平面内,形成一个假象的以铅垂线为轴的倒立圆锥,即“钻压圆锥”,如图4所示。其中锥角为井斜角 ,母线长为钻压 值。钻压所在的铅垂平面与地层剖面(地层上倾方向所在的铅垂面)存在方位差 (井身方位与地层上倾方位之差),因而 产生的地层力不仅影响井斜角 ,也影响方位角 。
地层综合切削异性指数h可以利用在钻盘钻进中,钻具在斜井中处于稳斜状态(即平衡状态)时,钻具的变井斜力 和地层造斜力 平衡这一条件求得(平衡状态指钻进100 m以上,井斜角恒定不变或井斜角起伏变化在0.5度范围内)。平衡状态方程如下:
地层综合切削异性指数h = 轴向切削指数k0-横向切削指数 地层各向异性指数h。
其中h包含了岩石各项异性、钻头类型和结构状况、钻头和地层相对位置、地层倾角和井斜角等因素。
由几何关系有 ,当 很小时: ,则:
由上式可知:(1)地层力与钻压成正比,系数为地层力系数df ,即有: ;(2)当井斜角 小于地层倾角 时,地层力为正值,地层具有造斜性质;当井斜角 大于地层倾角 时,地层力为负值,地层具有降斜性质。
三、结论
通过本文所建立的分析模型,可以得出以下结论:
(1)随着钻遇地层越来越复杂,底部钻具的受力状态也越来越难以确定,采用合适的方法对底部钻具的受力情况开展研究具有重要意义。
(2)采用“钻压圆锥”模型对底部钻具进行评价,可直接从钻头处受到的作用力来评价底部钻具是否合适。