大斜度井中钻头侧向力测量模拟装置及钻进趋势的模拟方法

技术领域

本发明涉及一种大斜度井中钻头侧向力测量模拟装置及钻进趋势的模拟方法。

背景技术

在石油钻井的工程实际中，精确预测钻进趋势和控制井眼轨迹是多年来钻井从业者的共同愿望。井眼是在钻头和地层的相互作用下形成的，钻头在破碎岩石的过程中受力十分复杂，除了受到来自地层的轴向作用力，还受到径向的作用力，这个地层施加在钻头径向上的作用力统称钻头侧向力。在实际钻进过程中，钻头侧向力是影响钻进趋势和井眼轨迹的一个重要因素。多年来，国内外的专家学者以钻头侧向力为研究目标，进行了大量的理论研究，也取得了很多有参考价值的研究成果，对现场有效预测和控制井眼轨迹提供了一定的理论基础。

在实际的钻井作业中，在选定了一套钻具组合之后，可以人为控制的因素就只剩下钻进参数，包括钻压、转速、井斜角和钻井液性能等。但是目前缺乏相应的室内模拟装置，缺少不同的钻进参数下模拟不同钻井工况下，分析不同钻速和钻压下钻头侧向力的变化趋势的方法。

发明内容

本发明提供一种大斜度井中钻头侧向力测量模拟装置及钻进趋势的模拟方法，通过改变不同的钻进参数模拟不同钻井工况，从而获得不同钻速和钻压下钻头侧向力的变化趋势，并在此基础上进一步研究钻井参数对钻头钻进趋势的影响。

一种钻头侧向力测量装置，依托于钻柱动力学室内模拟实验装置，安装在模拟井底处，所述钻头侧向力测量装置包括：侧向力传感器、测力环和模拟钻头；所述侧向力传感器均匀分布在测力环外周，所述测量环与模拟钻头在横截面上视为点接触；所述模拟钻头后方与模拟钻柱连接，其前方安装在模拟井底上，所述模拟井底1与水平面成夹角，并在模拟井底上设置压力传感器；所述模拟钻柱设置在模拟井筒中；

随着钻柱的旋转钻进，钻头被测力环限制在一定的空间内运动；随着钻柱的振动，测力环受到来自钻头的力，安装在测力环周围的侧向力传感器把产生的电压信号传送给工控机，所述工控机记录下来每一时刻测力环的受力情况，采样频率为1000Hz。

所述侧向力传感器共有三个，所述三个侧向力传感器互成120°夹角均匀周向分布在测力环上，从而准确测量任意时刻测力环所受到的拉力或压力值。

一种利用钻头侧向力测量装置进行钻进趋势的模拟方法，所述方法包括：

步骤1.安装所述钻头侧向力测量装置，设置相应的受力参数和工控机采样频率；

将所述钻头侧向力测量装置的三个传感器所记录的瞬时拉压力分别记作：F1，F2和F3。并且规定符号：压力为正，拉力为负。将三个侧向力传感器搜集到的瞬时拉压力正交分解，再根据测力环与钻头作用力与反作用力的关系，最终合成为钻头上x方向上的合力N

步骤2.实验信号降噪及平滑处理

采用局部加权回归散点平滑法(locally weighted scatter plot smoothing，LOWESS或LOESS)对原始实验信号进行降噪处理，使得原始信号时域曲线更加平滑。

步骤3.确定方位力的影响因素和变化规律

将钻头侧向力正交分解为水平方向上的方位力Nbx及垂直方向上的井斜力Nby，分别探究这两种力在不同钻井参数下的变化趋势。

步骤4.确定转速对方位力的影响

探究转速对方位力的影响情况，固定井斜角和钻压，并计算并绘制出一定时间内方位力在不同转速下的时域曲线；

随着转速的升高，方位力N bx的波动幅度变化明显。波动幅度从低转速增加到高转速，增加了约一倍；随着转速的升高，方位力波动曲线从平缓趋于紊乱，方位力波动越来越剧烈。

通过以上分析可得，方位力曲线随着转速的改变围绕x轴周期性波动；随着转速的升高，方位力波动频率随之升高；方位力的波动幅度也明显变大，且曲线波动越来越紊乱。

步骤5.确定钻压对方位力的影响

为了观察钻压对方位力的影响，在此处固定井斜角和转速，根据实验数据绘制出方位力随着钻压变化的时域曲线图。

步骤6.确定井斜力的影响因素和变化规律

井斜力是井眼轨迹控制中至关重要的一个因素，它的大小与方向直接决定了井眼井斜角的大小以及变化趋势。因此，有必要对井斜力在不同的钻井参数下的变化趋势进行深入探究。

与方位力类似，基于正交分解的原理，先利用编程对原始实验数据预处理，最终将不同情况下的井斜力提取出来。从转速和钻压两个钻井参数出发，试图分析井斜力的变化趋势。步骤6.1分析转速对井斜力的影响

固定井斜角和钻压，并计算并绘制出一段时间内内井斜力在不同转速下的时域曲线。可得，井斜力时域曲线是一条围绕x轴周期性波动的曲线；随着转速的升高，井斜力波动频率随之升高；随着转速的升高，井斜力的波动幅度也明显变大，且波动越来越紊乱。

步骤6.2确定钻压对井斜力的影响

固定井斜角和转速，根据实验数据绘制出井斜力随着钻压变化的时域曲线图。

可以得出：钻压的改变对井斜力Nby的波动频率并无影响，随着钻压的升高，井斜力Nby的波动频率始终保持不变；而随着钻压的升高，井斜力N by的波动幅度显著升高。

步骤7.综合以上步骤分析，确定出在大斜度井眼里，随着转速和钻压的改变，待钻井眼的井眼轨迹的钻进趋势。

综合分析可知，在大斜度井眼里，随着转速和钻压的改变，待钻井眼的井眼轨迹的趋势都表现为增方位和增井斜的趋势；而且钻头增方位的趋势相对较强，而增井斜的趋势相对较弱。

本发明利用钻柱动力学室内模拟实验装置，模拟研究了大斜度井眼旋转钻柱在钻进过程中钻头侧向力的变化情况。首先通过理论推导的公式，将钻头侧向力传感器的电压信号还原成实际的受力大小，最终计算出钻头处的真实侧向力。并且采用局部加权回归散点平滑法(locally weighted scatter plot smoothing，LOWESS或LOESS)实现了对原始信号的降噪处理，得到了较好的效果。通过把钻头侧向力正交分解为方位力和井斜力，分别研究了二者随着转速和钻压的变化规律。通过对实验数据的计算及分析，从而预测不同钻进参数条件下的钻头井斜力和方位力的变化规律以及大斜度井井眼中的钻进趋势。

附图说明

图1为侧向力测量装置结构示意图；

图2为测力环及车厢里传感器安装示意图；

图3为钻头测向力示意图。

具体实施方式

一种钻头侧向力测量装置，依托于钻柱动力学室内模拟实验装置，安装在模拟井底1处，所述钻头侧向力测量装置包括：侧向力传感器2、测力环3和模拟钻头4；所述侧向力传感器2均匀分布在测力环3外周，所述测量环3与模拟钻头4在横截面上视为点接触；所述模拟钻头4后方与模拟钻柱5连接，其前方安装在模拟井底1上，所述模拟井底1与水平面成夹角，并在模拟井底上设置压力传感器6；所述模拟钻柱5设置在模拟井筒7中；

随着钻柱的旋转钻进，钻头被测力环限制在一定的空间内运动；随着钻柱的振动，测力环受到来自钻头的力，安装在测力环周围的侧向力传感器把产生的电压信号传送给工控机，所述工控机记录下来每一时刻测力环的受力情况，采样频率为1000Hz。

所述侧向力传感器共有三个，所述三个侧向力传感器互成120°夹角均匀周向分布在测力环上，从而准确测量任意时刻测力环所受到的拉力或压力值。

一种利用钻头侧向力测量装置进行钻进趋势的模拟方法，所述方法包括：

步骤1.安装所述钻头侧向力测量装置，设置相应的受力参数和工控机采样频率；

将所述钻头侧向力测量装置的三个传感器所记录的瞬时拉压力分别记作：F1，F2和F3。并且规定符号：压力为正，拉力为负。将三个侧向力传感器搜集到的瞬时拉压力正交分解，再根据测力环与钻头作用力与反作用力的关系，最终合成为钻头上x方向上的合力Nbx与y方向的合力N by。其中，N bx为方位力，其主要作用是改变井眼轨迹的井斜方位角，当方位力N bx>0时，井眼轨迹表现为增方位趋势；N by为井斜力，其主要作用是改变井眼轨迹的井斜角，当井斜力N by>0时，井眼轨迹表现为增井斜趋势。最终把方位力N bx和井斜力Nby的合力记作N b，N b便是钻头处所受的真实侧向力，x轴的正方向与侧向力N b之间的夹角为侧向力方向角，规定：钻头侧向力N b从x轴的正方向逆时针转过的角度为正。通过推导，传感器测得的瞬时拉压力F1、F2及F3与方位力N bx、井斜力N by、侧向力N b和侧向力方向角的换算关系式为：

钻头侧向力模拟实验通过改变井斜角、固定钻压和调节转速的方式进行。根据以上公式，通过编程计算，可以很方便地计算出每一组实验中钻头处所受的侧向力。通过分析方位力N bx和井斜力N by的变化规律，并以方位力N bx和井斜力N by的变化趋势来推测不同钻井参数下井眼轨迹的钻进趋势。

步骤2.实验信号降噪及平滑处理

采用局部加权回归散点平滑法(locally weighted scatter plot smoothing，LOWESS或LOESS)对原始实验信号进行降噪处理，使得原始信号时域曲线更加平滑。

LOWESS方法属于局部回归(加权线性最小二乘和一阶多项式模型)的一种，是在指定的窗口之内，任意一点的具体数据都根据临近数据通过加权回归的方法获得。LOWESS方法又分为对称LOWESS和非对称LOWESS，具体判别依据是观察数据点两侧的用来进行平滑处理的数据点是否相等。如果两侧数据相等，称之为对称LOWESS方法；反之，称之为非对称LOWESS方法。利用LOWESS方法进行数据平滑处理的重点参数在于窗口宽度的选择，窗口宽度过大将使得光滑描点涵盖的实验数据过多；反之，过窄的窗口宽度使“平滑”后的数据并不平滑。利用LOWESS算法编程，对原始侧向力数据进行预处理，并且通过不断调节窗口宽度试错，最终可以得到理想的平滑曲线。

步骤3.确定方位力的影响因素和变化规律

将钻头侧向力正交分解为水平方向上的方位力N bx及垂直方向上的井斜力N by，分别探究这两种力在不同钻井参数下的变化趋势。

步骤4.确定转速对方位力的影响

探究转速对方位力的影响情况，固定井斜角和钻压，并计算并绘制出一定时间内方位力在不同转速下的时域曲线；

随着转速的升高，方位力N bx的波动幅度变化明显。波动幅度从低转速增加到高转速，增加了约一倍；随着转速的升高，方位力波动曲线从平缓趋于紊乱，方位力波动越来越剧烈。

通过以上分析可得，方位力曲线随着转速的改变围绕x轴周期性波动；随着转速的升高，方位力波动频率随之升高；方位力的波动幅度也明显变大，且曲线波动越来越紊乱。

步骤5.确定钻压对方位力的影响

为了观察钻压对方位力的影响，在此处固定井斜角和转速，根据实验数据绘制出方位力随着钻压变化的时域曲线图。

随着钻压的增大，方位力N bx的波动频率保持稳定。直观地观察一段时间内(3s)不同钻压情况下方位力曲线的波峰数量，发现无论是在低钻压时(W＝0kg)还是高钻压时(W＝3kg)，波峰数量并没有明显变化，均为5个。因此认为方位力的波动频率和钻压没有关系，而是由转速决定。

随着钻压的增大，方位力N bx的波动幅度升高。在未施加钻压时(W＝0kg)，方位力波动幅度仅为0.25N；随着钻压逐渐增大，在低钻压时(W＝1kg)方位力波动幅度变为2N，钻压进一步升高，到达高钻压时(W＝3kg)方位力波动幅度进一步增加到6N。因此，方位力N bx的波动幅度随钻压的增大有着显著的提升。

根据以上分析可以得出：钻压的改变对方位力N bx的波动频率并无影响，随着钻压的升高，方位力的波动频率始终保持不变；而随着钻压的升高，方位力N bx的波动幅度显著升高。

步骤6.确定井斜力的影响因素和变化规律

井斜力是井眼轨迹控制中至关重要的一个因素，它的大小与方向直接决定了井眼井斜角的大小以及变化趋势。因此，有必要对井斜力在不同的钻井参数下的变化趋势进行深入探究。

与方位力类似，基于正交分解的原理，先利用编程对原始实验数据预处理，最终将不同情况下的井斜力提取出来。从转速和钻压两个钻井参数出发，试图分析井斜力的变化趋势。步骤6.1分析转速对井斜力的影响

固定井斜角和钻压，并计算并绘制出一段时间内内井斜力在不同转速下的时域曲线。可得，井斜力时域曲线是一条围绕x轴周期性波动的曲线；随着转速的升高，井斜力波动频率随之升高；随着转速的升高，井斜力的波动幅度也明显变大，且波动越来越紊乱。

步骤6.2确定钻压对井斜力的影响

固定井斜角和转速，根据实验数据绘制出井斜力随着钻压变化的时域曲线图。

可以得出：钻压的改变对井斜力N by的波动频率并无影响，随着钻压的升高，井斜力N by的波动频率始终保持不变；而随着钻压的升高，井斜力N by的波动幅度显著升高。

步骤7.综合以上步骤分析，确定出在大斜度井眼里，随着转速和钻压的改变，待钻井眼的井眼轨迹的钻进趋势。

综合分析可知，方位力曲线是一条随着转速的改变而围绕x轴作周期性波动的曲线；随着转速的升高，方位力波动频率随之升高，方位力的波动幅度也明显变大，且曲线波动越来越紊乱；钻压的改变对方位力的波动频率无明显影响，随着钻压的升高，方位力的波动频率始终保持不变，而方位力的波动幅度显著升高。

井斜力曲线与方位力曲线类似，也是绕着x轴作周期性波动；随着转速的升高，方位力波动频率随之升高，方位力的波动幅度也明显变大，且曲线波动越来越紊乱；钻压对井斜力的波动频率并无影响，随着钻压的升高，井斜力的波动频率始终保持不变，而井斜力Nby的波动幅度显著升高。

绝大部分情况下，采用转盘钻井的大斜度井眼轨迹呈现出增方位和增井斜的趋势，且钻头增方位的趋势相对较强，而增井斜的趋势相对较弱。