[发明专利]基于垂直钻井系统的新型钻具组合及钻进参数优化方法

权利要求书

1.一种基于垂直钻井系统的新型钻具组合，其特征在于，所述新型钻具组合由钻头、直螺杆钻具、垂钻工具、短钻铤、钻柱扶正器和上部钻柱依次连接而成，所述垂钻工具上设置有导向翼肋，所述垂直钻井系统为指向式钻井系统，垂直钻井系统产生的导向合力将所述垂钻工具从井眼低边推向井眼高边，钻头转角方向指向井眼低边。

2.一种基于垂直钻井系统的新型钻具组合，其特征在于，采用所述新型钻具组合之后，若导向力由井眼高边指向井眼低边，尽管钻头侧向力小于0，但是钻头转角和井斜变化率均大于0，钻进效果是增斜，若导向力由井眼低边指向井眼高边，尽管钻头侧向力大于0，但是钻头转角和井斜变化率均小于0，钻进效果是降斜。

3.采用权利要求1-2任一所述的基于垂直钻井系统的新型钻具组合的钻进参数优化方法，其特征在于，所述使用方法包括以下步骤：

步骤1、根据钻井地层需要选择直螺杆钻具的长度、钻头型号和钻柱扶正器的直径；

步骤2、选择中等钻压和中等导向力，基于钻具组合力学模型及平衡趋势造斜率预测方法，预测出不同短钻铤长度对应的井斜变化率并选择短钻铤长度；

步骤3、根据地层特性选择适应地层特性的钻压值，基于钻具组合力学模型及平衡趋势造斜率预测方法，预测不同导向力对应的井斜变化率并选择适合的导向力；

步骤4、根据确定的短钻铤长度和导向力进行钻进，在钻进过程中根据实际需要适时调整钻压或导向力进行地层钻进，增大钻压或导向力均有助于提高纠斜能力，反之可以减小钻压或导向力。

4.根据权利要求3所述的基于垂直钻井系统的新型钻具组合的钻进参数优化方法，其特征在于，将整个下部钻具组合分为3跨梁、3个支座，钻头中心至直螺杆钻具上端面为第1跨梁，垂钻工具下端面至钻柱扶正器中心为第2跨梁，钻柱扶正器中心以上部分为第3跨梁，所述3个支座为虚支座、钻柱扶正器、上部钻柱与井壁的接触点，所述虚支座在所述直螺杆钻具与垂钻工具连接处，所述钻具组合力学模型为：

q₃L₃⁴X(u₃)+8M₃Y(u₃)L₃²+4M₂Z(u₃)L₃²＝24EI₃[kL₃(L₁+L₂₁+L₂₂+L₃)-y₃+y₂] (3)

式中：M_i为第i支座(i＝1～3)处内弯矩；

X(u_i)、Y(u_i)、Z(u_i)为第i跨梁柱的放大因子；

I_i、q_i、L_i分别为第i跨梁的惯性矩、线重、长度；L21和L22分别代表垂钻工具和短钻铤的长度；

F为导向合力；

y_i为第i个支座的纵坐标；

P_i为各跨梁所受的轴向力；

K为井眼曲率；

E为弹性模量。

5.根据权利要求4所述的基于垂直钻井系统的新型钻具组合的钻进参数优化方法，其特征在于，通过求解所述钻具组合的力学模型，得到钻头侧向力和钻头转角计算公式：

式中：N_b为钻头侧向力；

A_t为钻头转角；

P_B为钻压。

6.根据权利要求5所述的基于垂直钻井系统的新型钻具组合的钻进参数优化方法，其特征在于，根据求得的钻头侧向力和钻头转角，利用钻头与地层交互作用模型，计算出钻进趋势角，所述钻进趋势角A_r计算公式见式为

式中，I_b为钻头各向异性指数。