随着油田的持续开发和老油区作业频繁使油水井井况日趋恶化,加上油藏的非均质性,严重影响油田采收率的提高。采用中短半径水平井技术,不但可以节约钻井成本,而且还可以增大油层裸露面积,从而提高采收率和经济效益。特别在我国,随着东部诸多主力油田相继进入高含水期,每年都有相当一部分老井枯竭停产,采用中短半径侧钻水平井技术对于“稳定东部,发展西部”的石油能源战略具有重要意义。 本文采用弹性稳定理论研究弯外壳螺杆钻具在弯曲井眼内的受力和变形特性,着重推导了同一跨内有两种不同刚度的梁柱在不同外载作用下端部转角的计算模型,用于解决下部钻具组合中所存在的变刚度力学问题。论文中计算了φ120mm和φ165mm弯外壳螺杆钻具在不同结构参数(弯角的大小和位置、下稳定器的位置和直径、上稳定器位置和直径等)、井眼几何参数(钻头处井斜角、井眼曲率等)和钻井工艺参数(钻压)下的钻头侧向力,在此基础上,采用极限曲率法对弯外壳螺杆钻具的造斜率进行了预测。本文还研究了弯外壳螺杆钻具在φ139.7mm和φ177.8mm套管内下入的可行性;在进行下部钻具组合受力分析和钻头-地层岩石相互作用机理的基础上,建立了井眼轨迹预测模型,并用实例进行了验证。 研究结果表明,弯外壳螺杆钻具的钻头侧向力和极限曲率与弯外壳螺杆钻具的结构弯角、稳定器的位置及稳定器的间隙(或垫块高度)、钻压、井底井斜角等参数密切相关。结构弯角越大、垫块高度越高,钻头侧向力越大,相应的极限曲率也大;钻压和井斜角对中短半径水平井井眼内使用的小尺寸螺杆钻具的力学性能的影响不太显著,只能起到微调的作用。弯外壳螺杆钻具组合在套管内的通过度是不一样的,φ88.9mm的双弯螺杆在φ139.7mm的套管内能顺利下入,而φ120mm单弯螺杆(弯角3.5°)在φ177.8mm套管内下入较为困难,需要借助外力才能下入。本论文的研究成果为预测弯外壳螺杆钻具的造斜率,选择螺杆钻具的结构参数和制定合理的钻井参数提供了重要的理论依据。