一种评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法及系统与流程

1.本发明涉及油气钻井优化技术领域，尤其涉及一种评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法及系统。


背景技术：

2.由于油气开发领域中藏储油气的开采难度日益加剧，大斜度井以及水平井的需求日益呈现，旋转导向钻井技术具有摩阻扭矩小、位移延伸能力强、井眼轨迹平滑易调控等优点，在大斜度井长稳斜段以及水平井水平段钻进中具有较好的技术优势，但其结构复杂、制造成本高，工具现场服务费用高昂。相比之下，带弯螺杆的钻具组合是一种结构简单、使用成本低的长稳斜、水平段实现方式。弯螺杆的结构特点是螺杆壳体弯曲，按照井眼轨迹控制要求，弯螺杆通常有不同的弯曲角度，并与扶正器、钻铤等组成弯螺杆钻具组合。在稳斜段、水平段复合钻进时，为使钻具组合稳斜钻进，多用小角度的单弯螺杆钻具组合。
3.本发明研究人员考虑到弯螺杆钻具组合在使用过程中，在不同的钻压、转速条件下，钻具组合的钻进趋势往往发生较大改变。当井斜变化较大时，为保证井眼轨迹质量，需要采用滑动定向方式来满足井眼轨迹控制要求。但随着水平井段的延长，钻柱所受的摩阻急剧增加，导致滑动定向效率低，严重影响了机械钻速及钻井的经济效益。因此，本发明研究人员认为需要形成完整合理的弯螺杆钻具组合动态钻进趋势预测体系，以明确钻具组合、钻压、转速等因素对弯螺杆钻具组合钻进趋势的影响规律，将对实现弯螺杆钻具组合高效稳斜钻进作业目标产生重要的积极意义。
4.公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成己为本领域技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供了一种评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法及系统，该方法对弯螺杆钻具组合在长稳斜段、水平段复合钻进过程中的井斜变化趋势进行预测评价，明确钻具组合、钻压、转速等因素对弯螺杆钻具组合钻进趋势的影响规律，从而指导钻具组合优化、钻压转速等钻进参数的优选，减小井眼轨迹的起伏变化，降低定向频率，提高复合钻进的比例，进而提高机械钻速，实现长稳斜段、水平段的弯螺杆钻具组合高效稳斜钻进的作业目标；
6.具体地，在一个实施例中，所述方法包括：
7.等效设置步骤、分析目标弯螺杆钻具组合的结构特性和运行原理设计对应的等效原则，并基于所述等效原则确定能够精确替代目标弯螺杆钻具组合实现预期钻进效果的直梁钻具组合，作为等效评价钻具组合；
8.动力学模型建立步骤、对所述等效评价钻具组合进行离散处理后，根据动态问题的变分原理，推导得到钻柱单元的动力学控制方程，进而综合钻柱刚度因素、钻柱质量因
素、钻柱阻尼因素和等效载荷因素得到整体钻具组合的动力学模型；
9.运算优化步骤、求解等效评价钻具组合的动力学模型计算钻柱单元位移矢量，并基于其修正等效载荷向量直至相同钻柱单元结点的位移矢量满足设定条件；
10.评价模型构建步骤、利用等效评价钻具组合中钻柱的动力学模型求解得到钻头动态侧向力和钻头动态转角，综合钻头切削指数建立等效评价钻具组合的钻进趋势角计算模型，以等效评价目标弯螺杆钻具组合的动态钻进趋势。
11.进一步地，一个实施例中，所述等效设置步骤中包括以下操作：
12.分析在等效评价钻具组合中施加集中载荷的等效位置，以使集中载荷作用后的等效评价钻具组合精确体现目标弯螺杆钻具组合弯角的受力状态；
13.分别建立目标弯螺杆钻具组合的力学模型和在目标等效位置处施加载荷后等效评价钻具组合的力学模型，根据建立的模型分别计算弯角处的弯矩和等效位置处的弯矩，进而基于计算结果决策需施加的等效集中载荷值；
14.根据弯点两侧钻具形成的离心作用力之和与等效评价钻具组合等效质量偏心距形成的离心力相等的原则，推导等效评价钻具组合的等效质量偏心距。
15.一个优选的实施例中，在等效设置步骤中，根据弯螺杆钻具组合中弯点的位置，在等效替代的直梁钻具组合中选取相同位置处作为施加横向集中载荷的目标等效位置。一个实施例中，在等效设置步骤中，包括：
16.采用纵横弯曲梁法建立目标弯螺杆钻具组合的力学模型并确定弯角处的弯矩，在目标等效位置处施加第一集中载荷后，采用纵横弯曲梁法建立等效评价钻具组合的力学模型并计算等效位置处的弯矩，若不相等，调整施加的载荷值为第二集中载荷，重新建立力学模型并计算等效位置处的弯矩，直至两者弯矩相等，将当前施加的载荷值作为目标等效载荷值。
17.进一步地，一个实施例中，在所述动力学模型建立步骤中，采用空间梁单元对钻具组合进行离散，根据动态问题的变分原理推导出钻柱单元的动力学控制方程，进一步集合得到整体的钻柱刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵、等效载荷向量。
18.具体地，一个实施例中，在所述运算优化步骤中，包括：
19.步骤a1、利用newmark数值求解方法计算钻柱单元位移矢量，并根据计算的钻柱单元位置矢量和井眼间隙判断钻柱与井壁的接触状态；
20.步骤a2、综合接触状态判断结果和井壁接触变形量修正等效载荷向量；
21.步骤a3、在修正等效载荷向量之后利用newmark数值求解方法计算钻柱单元位移矢量，转入步骤a4；
22.步骤a4、判断约束点结点号是否前后一致，若一致，进一步分析接触变形量偏差是否在误差允许范围内，如果接触变形量偏差同时处于误差允许范围内，保存当前的结点位移、速度、加速度向量，转至步骤a1，否则，转至步骤a5；
23.步骤a5、返回步骤a1重复执行，直到上述两条件同时满足为止。
24.进一步地，在运算优化步骤中，对于一个新的时间步长，重复执行步骤a1至步骤a5并在时长满足预定的时间长度时终止计算。
25.进一步地，在一个可选的实施例中，所述方法还包括：
26.预先创建评价数据列表，所述评价数据列表中存储有针对弯螺杆钻具组合的不同
钻具组合、钻压及转速情况数据，同时关联存储有对应的针对等效评价钻具组合的钻头侧向力、钻头动态转角和钻头切削数据；
27.执行评价时，根据所述钻头侧向力、钻头动态转角和钻头切削数据设置钻进趋势角计算模型的参数，输入需要测试的钻进状态参数，分析模型输出的趋势角数据获得评价结果。
28.基于上述任意一个或多个实施例中所述的评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法，本发明还提供一种存储介质，该存储介质上存储有可实现如上述任意一个或多个实施例中所述方法的程序代码。
29.基于上述任意一个或多个实施例中所述方法的其他方面，本发明还提供一种评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的系统，该系统执行如上述任意一个或多个实施例中所述的方法。
30.与最接近的现有技术相比，本发明还具有如下有益效果：
31.本发明提供的一种评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法及系统，该方法将弯螺杆钻具组合通过横向集中载荷作用于直梁钻具组合进行代替，实现了弯螺杆钻具组合力学特性的计算分析，保障评价运算精确度的同时，控制的运算复杂度和规模，便于推广；
32.另外的，本发明的方法综合考虑了钻头侧向力、钻头转角、钻头切削各向异性指数影响的钻具组合钻进趋势角计算模型，钻进趋势评价方法考虑的因素更加全面，能够更准确的认识弯螺杆钻具组合复合钻进时井斜变化趋势以及钻具组合、钻压、转速等因素对钻具组合钻进趋势的影响规律，能够有效减小井眼轨迹的起伏变化，降低定向频率，提高复合钻进的比例，进而提高机械钻速，为实现长稳斜段、水平段的弯螺杆钻具组合高效稳斜钻进的作业目标提供理论指导。
33.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
34.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
35.图1是本发明一实施例提供的评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法的流程示意图；
36.图2是本发明实施例提供的弯螺杆钻具组合结构示意图；
37.图3是本发明一实施例中评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法的流程明细图；
38.图4是本发明另一实施例所提供评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法中井斜趋势角随螺杆扶正器外径的变化规律图；
39.图5是本发明实施例所提供评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法中井斜趋势角随上扶正器外径的变化规律图；
40.图6是本发明另一实施例提供的评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法的流程示意图；
41.图7是本发明实施例提供的评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的系统的结构示意图。
具体实施方式
42.以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
43.虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
44.计算机设备包括用户设备与网络设备。其中，用户设备或客户端包括但不限于电脑、智能手机、pda等；网络设备包括但不限于单个网络服务器、多个网络服务器组成的服务器组或基于云计算的由大量计算机或网络服务器构成的云。计算机设备可单独运行来实现本发明，也可接入网络并通过与网络中的其他计算机设备的交互操作来实现本发明。计算机设备所处的网络包括但不限于互联网、广域网、城域网、局域网、vpn网络等。
45.在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制，使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。当一个单元被称为“连接”或“耦合”到另一单元时，其可以直接连接或耦合到所述另一单元，或者可以存在中间单元。
46.这里所使用的术语仅仅是为了描述具体实施例而不意图限制示例性实施例。除非上下文明确地另有所指，否则这里所使用的单数形式“一个”、“一项”还意图包括复数。还应当理解的是，这里所使用的术语“包括”和/或“包含”规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、单元和/或组件的存在，而不排除存在或添加一个或更多其他特征、整数、步骤、操作、单元、组件和/或其组合。
47.带弯螺杆的钻具组合是一种结构简单、使用成本低的长稳斜、水平段实现方式。弯螺杆的结构特点是螺杆壳体弯曲，按照井眼轨迹控制要求，弯螺杆通常有不同的弯曲角度，并与扶正器、钻铤等组成弯螺杆钻具组合。在稳斜段、水平段复合钻进时，为使钻具组合稳斜钻进，多用小角度的单弯螺杆钻具组合。
48.本发明研究人员考虑到弯螺杆钻具组合在使用过程中，在不同的钻压、转速条件下，钻具组合的钻进趋势往往发生较大改变。当井斜变化较大时，为保证井眼轨迹质量，需要采用滑动定向方式来满足井眼轨迹控制要求。但随着水平井段的延长，钻柱所受的摩阻急剧增加，导致滑动定向效率低，严重影响了机械钻速及钻井的经济效益。因此，本发明研究人员认为需要形成完整合理的弯螺杆钻具组合动态钻进趋势预测体系，以明确钻具组合、钻压、转速等因素对弯螺杆钻具组合钻进趋势的影响规律，将对实现弯螺杆钻具组合高效稳斜钻进作业目标产生重要的积极意义。
49.现有技术中有学者针对带弯角的钻具组合进行钻井趋势预测，其运用纵横弯曲法
建立单弯螺杆力学模型，从螺杆弯角、井眼曲率、钻压、稳定器直径等参数的影响出发，分析与单弯螺杆单稳器钻具组合侧向力和极限造斜率之间的静态联系，其虽然能够一定程度上预测单弯螺杆钻具组合在造斜井段的静态造斜能力，但是其适用性存在限制，无法实现精确的弯螺杆钻具组合钻进趋势动态预测，且当藏井中涉及水平井段时，无法有效实现的钻进能力或趋势预测。
50.为解决上述问题，本发明提供一种评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法及系统，考虑到弯螺杆钻具组合的特殊结构和力学原理，直接构建运算模型难度高且运算精度难以掌控，本发明研究人员通过采用等效横向集中载荷和等效质量偏心距作用于直梁钻具组合对弯螺杆钻具组合进行等效处理，较为准确的反映弯螺杆钻具组合的受力及变形特点。
51.基于等效的直梁钻具组合，综合考虑钻头侧向力、钻头转角、钻头切削各向异性指数对钻具组合钻进趋势的影响，建立了弯螺杆钻具组合复合钻进时井斜变化趋势评价模型，以井斜趋势角为评价指标，实现了弯螺杆钻具组合井斜变化规律的定性评价以及钻具组合、钻压、转速等因素对钻具组合钻进趋势的影响规律。
52.本发明所述方法能够指导钻具组合优化、钻进参数优选，为实现长稳斜段、水平段的弯螺杆钻具组合高效稳斜钻进的作业目标提供理论指导。
53.接下来基于附图详细描述本发明实施例的方法的详细流程，附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
54.实施例一
55.图1示出了本发明实施例一提供的评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法的流程示意图，参照图1可知，该方法包括如下步骤。
56.等效设置步骤s110、分析目标弯螺杆钻具组合的结构特性和运行原理设计对应的等效原则，并基于所述等效原则确定能够精确替代目标弯螺杆钻具组合实现预期钻进效果的直梁钻具组合，作为等效评价钻具组合；
57.动力学模型建立步骤s120、对所述等效评价钻具组合进行离散处理后，根据动态问题的变分原理，推导得到钻柱单元的动力学控制方程，进而综合钻柱刚度因素、钻柱质量因素、钻柱阻尼因素和等效载荷因素得到整体钻具组合的动力学模型；
58.运算优化步骤s130、求解等效评价钻具组合的动力学模型计算钻柱单元位移矢量，并基于其修正等效载荷向量直至相同钻柱单元结点的位移矢量满足设定条件；
59.评价模型构建步骤s140、利用等效评价钻具组合中钻柱的动力学模型求解得到钻头动态侧向力和钻头动态转角，综合钻头切削指数建立等效评价钻具组合的钻进趋势角计算模型，以等效评价目标弯螺杆钻具组合的动态钻进趋势。
60.由于带弯角的钻具组合，在井眼中受井壁约束而发生变形，其受力、变形状态不同于直梁钻具组合，弯螺杆钻具组合的结构图如图2所示。为了使作为等效评价钻具组合的直梁钻具组合能够可靠地等效体现待评价弯螺杆钻具组合的受力和变形状态，需要从多个方面设计等效评价钻具组合的等效弯角数据。
61.因此，在一个实施例中，所述等效设置步骤s110中包括以下操作：
62.(1)分析在等效评价钻具组合中施加集中载荷的等效位置，以使集中载荷作用后的等效评价钻具组合精确体现目标弯螺杆钻具组合弯角的受力状态；
63.(2)分别建立目标弯螺杆钻具组合的力学模型和在目标等效位置处施加载荷后等效评价钻具组合的力学模型，根据建立的模型分别计算弯角处的弯矩和等效位置处的弯矩，进而基于计算结果决策需施加的等效集中载荷值；
64.(3)根据弯点两侧钻具形成的离心作用力之和与等效评价钻具组合等效质量偏心距形成的离心力相等的原则，推导等效评价钻具组合的等效质量偏心距。
65.具体地，根据附图3中透露的执行明细信息可知，一个实施例中，在等效设置步骤中，通过以下操作分析在等效评价钻具组合中施加集中载荷的等效位置，实现直梁钻具组合的弯角等效设计：
66.根据弯螺杆钻具组合中弯点的位置，在等效替代的直梁钻具组合中选取相同位置处作为施加横向集中载荷的目标等效位置；通常，在分析评价的过程中，施加载荷作用力的位置不变。
67.实际应用时，将弯螺杆钻具组合用直梁钻具组合替代，同时在原弯点相同位置处施加一横向集中载荷q。根据等效原则，集中载荷处的弯矩与原弯螺杆钻具组合在弯角处产生的弯矩相等时，可以用此横向集中载荷作用直梁钻具组合来等效替代原弯螺杆钻具组合的受力状态。
68.进一步地，一个实施例中，在等效设置步骤中，针对操作(2)，包括：
69.采用纵横弯曲梁法建立目标弯螺杆钻具组合的力学模型并确定弯角处的弯矩，在目标等效位置处施加第一集中载荷后，采用纵横弯曲梁法建立等效评价钻具组合的力学模型并计算等效位置处的弯矩，若不相等，调整施加的载荷值为第二集中载荷，重新建立力学模型并计算等效位置处的弯矩，直至两者弯矩相等，将当前施加的载荷值作为目标等效载荷值。
70.实际应用时，可以采用纵横弯曲梁法分别建立弯螺杆钻具组合力学模型和横向集中载荷作用下的直梁钻具组合力学模型，建立并求解两类钻具组合的三弯矩方程方程组，分别得到弯点处、横向集中载荷作用点处的弯矩，改变横向集中载荷直至载荷作用点处的弯矩值与弯螺杆钻具组合弯点处的弯矩值相同，此时的横向集中载荷即为弯角等效横向集中载荷，作为目标等效载荷值。
71.进一步地，弯螺杆钻具组合的轴线与井眼轴线不一致，钻具组合转动时，弯角造成的质量偏心距引起离心作用力，因此，在一个实施例中，针对操作(3)，具体包括：假定弯螺杆钻具组合等效质量偏心距为re，根据弯点两侧钻具形成的离心作用力之和与直梁钻具组合等效质量偏心距形成的离心力相等，推导得到直梁钻具组合的等效质量偏心距。
72.确定了能够等效替代弯螺杆钻具组合的直梁钻具组合后，进一步建立等效直梁钻具组合的动力学模型，具体地，一个实施例中，在所述动力学模型建立步骤中，采用空间梁单元对钻具组合进行离散，根据动态问题的变分原理推导出钻柱单元的动力学控制方程，进一步集合得到整体的钻柱刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵、等效载荷向量。
73.进一步地，按照特定的策略对等效直梁钻具组合的动力学模型进行求解，求解过程中，首先，在不确定钻柱与井壁是否接触的情况下，利用newmark法解方程得到钻柱单元结点的位移，考虑到钻柱所受的外力中包含有接触约束力时，该约束力会限制钻柱进一步
向井壁内深入，当钻柱与井壁不接触时，此时钻柱所受的外力中就没有井壁对钻柱的约束力，这个时候计算得到的钻柱结点横向位移可能超出井壁范围，基于此，需要通过比较钻柱单元结点位移与井眼间隙的大小，以判断钻柱单元结点是否接触到井壁并受井壁的约束力。
74.如果某钻柱单元结点的位移ur》井眼间隙δ，那么钻柱单元结点应该是接触到井壁的，此时钻柱受到井壁的约束力fn；进一步计算时要按照设定的策略计算井壁对钻柱的作用力fn并对施加力的状态进行更正；
75.修正钻柱的受力条件后，再利用newmark法重新计算得到钻柱单元结点位移的第二次计算结果，此时的位移结果因为对钻柱施加了计算得到的约束力，会与第一次的位移计算结果不同，基于此，再次判断当前的钻柱单元结点位移是否超出井眼间隙，若超出，则需要重新修正约束力，
76.重复以上步骤，直到当前的钻柱单元结点位移未超出井眼间隙，且前后两次计算得到的钻柱单元位移结果差别在允许的误差范围内时，终止计算，得到修正的钻柱受力等效载荷条件。
77.需要说明的是，上述内容只是描述的钻柱单元一个结点的判断状态，而钻柱往往分为很多单元，也就有很多结点，对每个结点需要进行单独上述分析。另外的，实际分析时，钻柱结点与井壁接触时，会产生径向、切向、轴向方向的分力，由于公式表达较多，因此简化为上述一个合力形式的公式。
78.因此有，在一个实施例中，利用newmark数值求解方法计算钻柱单元位移矢量；根据井壁接触变形量，计算钻柱径向约束力、切向阻力、轴向阻力及摩阻扭矩以修正等效载荷向量；利用newmark数值求解方法再次计算钻柱单元位移矢量，判断当前的钻柱单元结点即约束点结点号是否前后一致，接触变形量偏差是否在误差允许范围内。如果这两个条件同时满足，保存结点位移、速度、加速度向量。如果不满足条件，重复前两个步骤直到满足条件为止。实际运算中，接触变形量的偏差可以采用同结点的钻柱单元位移矢量之差表示。
79.具体地，一个优选的实施例中，在所述运算优化步骤中，包括：
80.步骤a1、利用newmark数值求解方法计算钻柱单元位移矢量，并根据计算的钻柱单元位置矢量和井眼间隙判断钻柱与井壁的接触状态，转入步骤a2
81.步骤a2、综合接触状态判断结果和井壁接触变形量修正等效载荷向量，转入步骤a3；
82.步骤a3、在修正等效载荷向量之后利用newmark数值求解方法计算钻柱单元位移矢量，转入步骤a4；
83.步骤a4、判断约束点结点号是否前后一致，若一致，进一步分析接触变形量偏差是否在误差允许范围内，如果接触变形量偏差同时处于误差允许范围内，保存当前的结点位移、速度、加速度向量，转至步骤a1，否则，转至步骤a5；
84.步骤a5、返回步骤a1重复执行，直到上述两条件同时满足为止。
85.进一步地，在运算优化步骤中，对于一个新的时间步长，重复执行步骤a1至步骤a5并在时长满足预定的时间长度时终止计算。
86.具体的，通过下式计算钻柱单元结点与井壁接触产生的作用力：
[0087][0088]
式中，fn为接触力，kc为钻柱与井壁接触刚度，δ＝u
r-δ为井壁变形量。其中δ＜0代表钻柱结点与井壁没有接触，δ≥0代表钻柱结点与井壁发生接触，进而基于该作用力计算结果修正等效载荷向量的值，例如将该作用力向量化后与当前的等效载荷向量求和。
[0089]
另外的，在另一个可选的实施例中，实际应用求解时，为了基于准确的动力模型受力情况修正施加的集中载荷，还可以根据井壁接触变形量计算钻柱径向约束力、切向阻力、轴向阻力及摩阻扭矩作为修正参数，以修正等效载荷向量；
[0090]
具体地，计算钻具组合钻进趋势角的过程中。利用钻进趋势角计算模型进行计算，实现不同钻具组合、钻进参数条件下的弯螺杆钻具组合的钻进趋势评价目标。其中，所述钻进趋势角计算模型是根据钻柱动力学分析模型求解得到钻头动态侧向力、钻头动态转角，进而考虑钻头各向异性的影响建立的计算模型，该模型能够综合考虑钻头侧向力、钻头转角、钻头切削各向异性指数的影响。
[0091]
本发明提出的弯螺杆钻具组合钻进趋势评价方法，将弯螺杆钻具组合通过横向集中载荷作用于直梁钻具组合进行代替，实现了弯螺杆钻具组合力学特性的计算分析，综合考虑了钻头侧向力、钻头转角、钻头切削各向异性指数影响的钻具组合钻进趋势角计算模型，钻进趋势评价方法考虑的因素更加全面，能够准确的识别出弯螺杆钻具组合复合钻进时的井斜变化趋势以及钻具组合、钻压、转速等因素对钻具组合钻进趋势的影响规律，为实现长稳斜段、水平段的弯螺杆钻具组合高效稳斜钻进的作业目标提供理论指导。且适用范围广，不仅适用于大斜度井稳斜段，也适用于水平井水平段的钻进趋势分析，实用性更佳。
[0092]
对于前述的各方法实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。
[0093]
以下结合附图对本发明的实施方案进行具体描述，具体步骤如下：
[0094]
(1)弯角的等效处理。
[0095]
将弯螺杆钻具组合如图1，用直梁钻具组合替代，同时在原弯点相同位置处施加一横向集中载荷q。根据等效原则，集中载荷处的弯矩与原弯螺杆钻具组合在弯角处产生的弯矩相等时，可以用此横向集中载荷作用直梁钻具组合来等效替代原弯螺杆钻具组合的受力状态。
[0096]
(2)等效横向载荷的计算。
[0097]
采用纵横弯曲梁法分别建立弯螺杆钻具组合力学模型和横向集中载荷作用下的直梁钻具组合力学模型，建立并求解两类钻具组合的三弯矩方程方程组，分别得到弯点处、横向集中载荷作用点处的弯矩，改变横向集中载荷直至载荷作用点处的弯矩值与弯螺杆钻具组合弯点处的弯矩值相同，此时的横向集中载荷即为弯角等效横向集中载荷。
[0098]
(3)等效质量偏心距的计算。
[0099]
弯螺杆钻具组合的轴线与井眼轴线不一致，钻具组合转动时，弯角造成的质量偏心距引起离心作用力。假定弯螺杆钻具组合等效质量偏心距为re，根据弯点两侧钻具形成的离心作用力之和与直梁钻具组合等效质量偏心距形成的离心力相等，推导得到直梁钻具
组合的等效质量偏心距。
[0100]
(4)等效直梁钻具组合动力学模型的建立。
[0101]
采用空间梁单元对钻具组合进行离散，根据动态问题的变分原理，推导出钻柱单元的动力学控制方程，进一步集合得到整体的钻柱刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵、等效载荷向量。
[0102]
(5)等效直梁钻具组合动力学模型的求解。
[0103]
利用newmark数值求解方法计算钻柱单元位移矢量；根据井壁接触变形量，计算钻柱径向约束力、切向阻力、轴向阻力及摩阻扭矩以修正等效载荷向量；利用newmark数值求解方法再次计算钻柱单元位移矢量，判断约束点结点号是否前后一致，接触变形量偏差是否在误差允许范围内。如果这两个条件同时满足，保存结点位移、速度、加速度向量。如果不满足条件，重复前两个步骤直到满足条件为止；对于一个新的时间步长，重复前三个步骤并在时长满足预定的时间长度时终止计算。
[0104]
(6)钻具组合钻进趋势角的计算。
[0105]
利用钻柱动力学分析模型求解得到钻头动态侧向力、钻头动态转角，考虑钻头各向异性的影响，建立综合考虑钻头侧向力、钻头转角、钻头切削各向异性指数影响的钻具组合的钻进趋势角计算模型，实现不同钻具组合、钻进参数条件下的带弯角钻具组合的钻进趋势评价目标，钻具组合、钻进参数对弯螺杆钻具组合的钻进趋势影响规律分别如图4、图5所示。
[0106]
具体地，在一个实施例中，按照以下的数学模型计算目标钻头钻进趋势角：
[0107][0108]
式中，a
p
为钻进趋势角；fy为钻头动态侧向力；f
x
为钻压；ib为钻头各项指数数据体；α为钻头动态转角。将钻柱动力学模型求解结果带入上式即可求得钻具组合动态井斜趋势角。
[0109]
需要指出的是，在本发明的其他实施例中，该方法还可以通过将上述实施例中的某一个或某几个进行结合来得到新的评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法，以实现对弯螺杆钻具组合的动态钻进情况分析。
[0110]
需要说明的是，基于本发明上述任意一个或多个实施例中的方法，本发明还提供一种存储介质，该存储介质上存储有可实现如述任意一个或多个实施例中所述方法的程序代码，该代码被操作系统执行时能够实现如上所述的评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法。
[0111]
实施例二
[0112]
图6示出了本发明实施例二提供的评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法的流程示意图，参照图6可知，该方法包括如下步骤。
[0113]
等效设置步骤s110、分析目标弯螺杆钻具组合的结构特性和运行原理设计对应的等效原则，并基于所述等效原则确定能够精确替代目标弯螺杆钻具组合实现预期钻进效果的直梁钻具组合，作为等效评价钻具组合；
[0114]
动力学模型建立步骤s120、对所述等效评价钻具组合进行离散处理后，根据动态问题的变分原理，推导得到钻柱单元的动力学控制方程，进而综合钻柱刚度因素、钻柱质量
因素、钻柱阻尼因素和等效载荷因素得到整体钻具组合的动力学模型；
[0115]
运算优化步骤s130、根据井壁接触变形量确定修正参数以修正等效载荷向量，求解等效评价钻具组合的动力学模型分别计算载荷向量被修正前后的钻柱单元位移矢量，基于相同约束结点的接触变形量偏差确定目标结点位移、速度和加速度向量；
[0116]
评价模型构建步骤s140、利用等效评价钻具组合中钻柱的动力学模型求解得到钻头动态侧向力和钻头动态转角，综合钻头切削指数建立等效评价钻具组合的钻进趋势角计算模型，以等效评价目标弯螺杆钻具组合的动态钻进趋势。针对与上述各实施例中相同或相似的技术操作，该实施例中不予赘述，仅对以下区别技术特征进行进一步说明；
[0117]
要想得到实用且全面的评价结果，保障输入数据的完整性很重要，基于此，本发明研究人员在利用构建的钻进趋势角计算模型执行评价之前，预先建立存储有全面模型输入数据的列表。具体地，列表中还保存有模型直接输入数据(针对等效评价钻具组合)以及实际具备评价需求的钻具组合状态数据(针对目标的弯螺杆钻具组合)。
[0118]
因此，在一个优选的实施例中，所述方法还包括：
[0119]
评价数据创建步骤、预先创建评价数据列表，所述评价数据列表中存储有针对弯螺杆钻具组合的不同钻具组合、钻压及转速情况数据，同时关联存储有对应的针对等效评价钻具组合的钻头侧向力、钻头动态转角和钻头切削数据；
[0120]
执行评价时，根据所述钻头侧向力、钻头动态转角和钻头切削数据设置钻进趋势角计算模型的参数，输入需要测试的钻进状态参数，分析模型输出的趋势角数据获得评价结果。
[0121]
实际应用时，专业的工作人员或者新手工作人员在清楚评价需求的情况下，都能够有效获取评价结果，具体地，根据评价需求在评价数据列表中选取与需求匹配的一种或多种钻具组合、钻压及转速情况数据，分别选取关联的钻头侧向力、钻头动态转角和钻头切削数据设置钻进趋势角计算模型的参数，就可以快速高效地获取与评价需求对应的钻具组合钻进趋势数据。
[0122]
实施例三
[0123]
上述本发明公开的实施例中详细描述了方法，对于本发明的方法可采用多种形式的装置或系统实现，因此基于上述任意一个或多个实施例中所述方法的其他方面，本发明还提供一种评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的系统，该系统用于执行上述任意一个或多个实施例中所述的评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的方法。下面给出具体的实施例进行详细说明。
[0124]
具体地，图7中示出了本发明实施例中提供的评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的系统的结构示意图，如图7所示，该系统包括：
[0125]
等效设置模块71，其配置为分析目标弯螺杆钻具组合的结构特性和运行原理设计对应的等效原则，并基于所述等效原则确定能够精确替代目标弯螺杆钻具组合实现预期钻进效果的直梁钻具组合，作为等效评价钻具组合；
[0126]
动力学模型建立模块73，其配置为对所述等效评价钻具组合进行离散处理后，根据动态问题的变分原理，推导得到钻柱单元的动力学控制方程，进而综合钻柱刚度因素、钻柱质量因素、钻柱阻尼因素和等效载荷因素得到整体钻具组合的动力学模型；
[0127]
运算优化模块75，其配置为求解等效评价钻具组合的动力学模型计算钻柱单元位
移矢量，并基于其修正等效载荷向量直至相同钻柱单元结点的位移矢量满足设定条件；
[0128]
评价模型构建模块77，其配置为利用等效评价钻具组合中钻柱的动力学模型求解得到钻头动态侧向力和钻头动态转角，综合钻头切削指数建立等效评价钻具组合的钻进趋势角计算模型，以等效评价目标弯螺杆钻具组合的动态钻进趋势。
[0129]
进一步地，一个实施例中，所述等效设置模块具体配置为执行以下操作：
[0130]
分析在等效评价钻具组合中施加集中载荷的等效位置，以使集中载荷作用后的等效评价钻具组合精确体现目标弯螺杆钻具组合弯角的受力状态；
[0131]
分别建立目标弯螺杆钻具组合的力学模型和在目标等效位置处施加载荷后等效评价钻具组合的力学模型，根据建立的模型分别计算弯角处的弯矩和等效位置处的弯矩，进而基于计算结果决策需施加的等效集中载荷值；
[0132]
根据弯点两侧钻具形成的离心作用力之和与等效评价钻具组合等效质量偏心距形成的离心力相等的原则，推导等效评价钻具组合的等效质量偏心距。
[0133]
具体地，一个实施例中，所述等效设置模块通过以下操作分析在等效评价钻具组合中施加集中载荷的等效位置：
[0134]
根据弯螺杆钻具组合中弯点的位置，在等效替代的直梁钻具组合中选取相同位置处作为施加横向集中载荷的目标等效位置；通常，在分析评价的过程中，施加载荷作用力的位置不变。
[0135][0136]
一个实施例中，所述等效设置模块采用纵横弯曲梁法建立目标弯螺杆钻具组合的力学模型并确定弯角处的弯矩，在目标等效位置处施加第一集中载荷后，采用纵横弯曲梁法建立等效评价钻具组合的力学模型并计算等效位置处的弯矩，若不相等，调整施加的载荷值为第二集中载荷，重新建立力学模型并计算等效位置处的弯矩，直至两者弯矩相等，将当前施加的载荷值作为目标等效载荷值。
[0137]
进一步地，在一个实施例中，所述动力学模型建立模块配置为：采用空间梁单元对钻具组合进行离散，根据动态问题的变分原理推导出钻柱单元的动力学控制方程，进一步集合得到整体的钻柱刚度矩阵、质量矩阵、阻尼矩阵、等效载荷向量。
[0138]
一个实施例中，所述运算优化模块，具体配置为执行以下步骤：
[0139]
步骤a1、利用newmark数值求解方法计算钻柱单元位移矢量，并根据计算的钻柱单元位置矢量和井眼间隙判断钻柱与井壁的接触状态；
[0140]
步骤a2、综合接触状态判断结果和井壁接触变形量修正等效载荷向量；
[0141]
步骤a3、在修正等效载荷向量之后利用newmark数值求解方法计算钻柱单元位移矢量，转入步骤a4；
[0142]
步骤a4、判断约束点结点号是否前后一致，若一致，进一步分析接触变形量偏差是否在误差允许范围内，如果接触变形量偏差同时处于误差允许范围内，保存当前的结点位移、速度、加速度向量，转至步骤a1，否则，转至步骤a5；
[0143]
步骤a5、返回步骤a1重复执行，直到上述两条件同时满足为止。
[0144]
进一步地，在运算优化步骤中，对于一个新的时间步长，重复执行步骤a1至步骤a5并在时长满足预定的时间长度时终止计算。
[0145]
具体的，通过下式计算钻柱单元结点与井壁接触产生的作用力：
[0146][0147]
式中，fn为接触力，kc为钻柱与井壁接触刚度，δ＝u
r-δ为井壁变形量。其中δ＜0代表钻柱结点与井壁没有接触，δ≥0代表钻柱结点与井壁发生接触，进而基于该作用力计算结果修正等效载荷向量的值，例如将该作用力向量化后与当前的等效载荷向量求和。
[0148]
另外的，在另一个可选的实施例中，实际应用求解时，为了基于准确的动力模型受力情况修正施加的集中载荷，还可以根据井壁接触变形量计算钻柱径向约束力、切向阻力、轴向阻力及摩阻扭矩作为修正参数，以修正等效载荷向量。
[0149]
进一步地，利用钻柱动力学分析模型求解得到钻头动态侧向力、钻头动态转角，考虑钻头各向异性的影响，建立综合考虑钻头侧向力、钻头转角、钻头切削各向异性指数影响的钻具组合的钻进趋势角计算模型，实现不同钻具组合、钻进参数条件下的弯螺杆钻具组合的钻进趋势评价目标；
[0150]
具体地，在一个实施例中，按照以下的数学模型计算目标钻头钻进趋势角：
[0151][0152]
式中，a
p
为钻进趋势角；fy为钻头动态侧向力；f
x
为钻压；ib为钻头各项指数；α为钻头动态转角。将钻柱动力学模型求解结果带入上式即可求得钻具组合动态井斜趋势角。
[0153]
进一步地，在一个优选的实施例中，所述系统还包括：评价数据创建模块，其配置为：
[0154]
预先创建评价数据列表，所述评价数据列表中存储有针对弯螺杆钻具组合的不同钻具组合、钻压及转速情况数据，同时关联存储有对应的针对等效评价钻具组合的钻头侧向力、钻头动态转角和钻头切削数据；
[0155]
执行评价时，根据所述钻头侧向力、钻头动态转角和钻头切削数据设置钻进趋势角计算模型的参数，输入需要测试的钻进状态参数，分析模型输出的趋势角数据获得评价结果。
[0156]
本发明实施例提供的评价弯螺杆钻具组合动态钻进趋势的系统中，各个模块或单元结构可以根据实际运算和评测需求独立运行或组合运行，以实现相应的技术效果。
[0157]
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意味着限制。
[0158]
说明书中提到的“一实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特征包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0159]
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。