杨登文 张凯 柴麟 刘宝林

(中国地质大学(北京)工程技术学院；自然资源部深部地质钻探技术重点实验室)

0 引 言

随着石油勘探和地质勘探的难度不断增加，在直井井眼轨迹控制中，钻进易斜复杂地层时，传统的被动防斜大多采用降低钻压和钻速的方法，不能很好地满足工程实际需求，尤其是在垂直井的钻进中[1]。自动垂直钻井技术可有效解决钻压和防斜之间的矛盾,可实现井下主动防斜、纠斜，有效减小了钻柱扭矩和摩阻，在保持垂直井眼精度的条件下能够释放钻压并提高机械钻速[2-4]。

国内多家单位相继研发了自动垂直钻井系统。机械式自动垂直钻井工具具有成本低和可靠性高等特点，能有效解决直井防斜打快问题[5-7]。目前我国机械式自动垂直钻井工具处于研发测试阶段[8]。如何使自动垂直钻井工具高效纠斜、防斜是一个关键问题，而关于机械式垂直钻具的相关理论研究还不足[9]，因此需要对工具的纠斜能力进行研究。

分析工具纠斜能力常常使用计算工具理论造斜率以及计算钻头侧向力和转角的方法，国外常用三点定圆法和平衡曲率法等预测底部钻具组合(BHA)造斜率[10]。国内许多学者采用纵横弯曲连续梁法建立BHA力学模型分析钻头侧向力和转角[11-12]，但大多没有考虑地层因素的影响。本文通过分析钻头钻进趋势的方法来研究工具纠斜能力，基于纵横弯曲连续梁法建立了自动垂直钻井工具BHA力学模型，并结合钻头与地层相互作用模型推导钻进趋势角模型，分析了钻进参数、钻具结构参数以及钻头与地层特性参数对工具纠斜能力的影响规律。……