鉆具摩阻與扭矩

1、1、管柱的摩阻和扭矩鉆大位移井時(shí)，由于井斜角和水平位移的增加而扭矩和摩阻增大是非常突出的問題，它可以限制位移的增加。管柱的摩阻和扭矩是指鉆進(jìn)時(shí)鉆柱的摩阻和扭矩，下套管時(shí)套管的摩阻和扭矩。（ 1）鉆柱扭矩和摩阻力的計(jì)算為簡(jiǎn)化計(jì)算，作如下假設(shè)：* 在垂直井段，鉆柱和井壁無(wú)接觸；* 鉆柱與鉆井液之間的摩擦力忽略不計(jì)；* 在斜井段，鉆柱與井壁的接觸點(diǎn)連續(xù)，且不發(fā)生失穩(wěn)彎曲。計(jì)算時(shí)，將鉆柱劃分為若干個(gè)小單元，從鉆柱底部的已知力開始逐步向上計(jì)算。若要知道鉆柱上某點(diǎn)的扭矩或摩阻力，只要把這點(diǎn)以下各單元的扭矩和摩阻力分別疊加，再分別加上鉆柱底部的已知力。鉆柱扭矩的計(jì)算在彎曲的井段中，取一鉆柱單元，如圖2 1。

2、該單元的扭矩增量為M RFr（ 21）式中AM一鉆柱單元的扭矩增量，NmR 鉆柱的半徑，m；Fr 鉆柱單元與井壁間的周向摩擦力，N。該單元上端的扭矩為式中Mj一從鉆頭算起，第j個(gè)單元的上端的扭矩，N m;Mo一鉆頭扭矩(起下鉆時(shí)為零)，N?m, Mi第I段的扭矩增量，N.m。鉆柱摩阻力的計(jì)算(轉(zhuǎn)盤鉆)轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又有沿井眼軸向運(yùn)動(dòng)，因 此，鉆柱表面某點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)為螺線運(yùn)動(dòng)。在斜井段中取 一鉆柱單元，如圖2-Z圖2中，V為鉆柱表面C點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度 Vt, Vr分別為V沿鉆柱軸向和周向的速度分量；F為C點(diǎn)處鉆 柱所受井壁的摩擦力，其方向與V相反；Ft, Fr分別為F沿鉆 柱軸向和

3、周向的摩擦力的分量，即鉆柱的軸向摩擦力和周向 摩擦力。由圖2-2Ft VtFs/ V2 V2 (2-3)Fr Vr Fs/ V2 V2 (2-4) FWN(2-5)式中Fs一鉆柱單元的靜摩擦力，N;f摩擦系數(shù)；N一鉆柱單元對(duì)井壁的擠壓力，No22N (T sin ) (T Wsin )(2-6)式中T一鉆柱單元底部的軸向力，N;W一鉆柱單兀在鉆井液中的重量，N;0 , 0 ,。一鉆柱單元的井斜角，井斜角增量。減小管柱扭矩和摩阻的措施為減小管柱在大位移井中的扭矩和摩阻，在大位移井的設(shè)計(jì)與施工中要采取各種必要的措施。(1) 優(yōu)化井身剖面。(2) 增強(qiáng)鉆井液的潤(rùn)滑性用潤(rùn)滑性能好的低毒性鉆井液。許多大

4、位移井采用油基鉆井液，一般來(lái)說(shuō)，潤(rùn)滑基對(duì)油基鉆井液性能影響較小，而油水比對(duì)潤(rùn)滑性影響較大。(3) 優(yōu)化鉆柱設(shè)計(jì)、使用高強(qiáng)度鉆桿底部鉆具組合可少用鉆鋌，而使用高強(qiáng)度加重桿。(4) 使用降扭矩工具使用不轉(zhuǎn)動(dòng)的鉆桿護(hù)箍可有效地減小扭矩。(5) 對(duì)于套管，可在套管上加箍或使用加厚套管。近幾年國(guó)外應(yīng)用選擇性浮動(dòng)裝置下套管技術(shù)，可降低套管的摩阻。這種技術(shù)的原理是在套管內(nèi)全部或部分地充滿空氣，通過降低套管在井內(nèi)的重量來(lái)降低套管的摩阻。用的較多的是部分充氣，這種方法可使套管的法向力降低80%。(6) 提高地面設(shè)備的功率(7) 使用頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)2、鉆柱設(shè)計(jì)鉆柱設(shè)計(jì)包括底部鉆具組合設(shè)計(jì)和鉆桿設(shè)計(jì)。在大位移井中一般

5、使用高強(qiáng)度薄壁鉆桿，以減少扭矩和摩阻。對(duì)底部鉆具組合(BHA),尺寸越大，鉆柱的扭矩和摩阻也越大，這并不利于大位移井鉆進(jìn)，所以在保證鉆壓需要的前提下應(yīng)使底部鉆具組合的尺寸盡量減小。( 1)鉆柱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素盡量減小壓差卡鉆的可能性。 使用螺旋鉆鋌和螺旋扶正器，以增大環(huán)空間隙和減 小鉆柱與井壁之間的接觸面積。 盡量減少絲扣連接的數(shù)量。 采用井下可調(diào)穩(wěn)定器。 盡量減少在大斜度井段使用加重鉆桿的數(shù)量。 選用高強(qiáng)度鉆桿，使之具有足夠的抗扭轉(zhuǎn)力和抗磨 能力。 給鉆頭施壓時(shí)盡量不使鉆桿發(fā)生彎曲。(2)鉆壓設(shè)計(jì)大位移井的鉆柱設(shè)計(jì)主要是鉆壓設(shè)計(jì)。在直井段底部和彎曲 井段，鉆柱的彎曲是不可避免的。在斜井段，可

6、通過底部鉆 具的足夠重量給鉆頭施加足夠的鉆壓來(lái)避免鉆柱的彎曲。為 減少鉆柱的扭矩和摩阻，在大位移井中底部鉆具組合可部分 的或全部的使用加重鉆桿施加鉆壓。若用常規(guī)鉆桿對(duì)鉆頭施加鉆壓，要考慮鉆桿的彎曲問題。設(shè) 計(jì)的原則是鉆桿某點(diǎn)受到的壓力載荷，不應(yīng)超過鉆桿的臨界 彎曲載荷。在大斜度井中，井斜角有利于鉆桿的穩(wěn)定性，所以鉆桿在直井中的臨界彎曲載荷適用于大斜度井。在直井 中，鉆桿的臨界彎曲載荷用下式計(jì)算，式中Fcrit一臨界彎曲載荷，lb;E楊氏模量，psi;I 慣性矩，in4；W一鉆桿在空氣中的重量，lb/ft;Kb浮力系數(shù)，無(wú)因次；。一井斜角，度；R一鉆桿和井眼間的徑向間隙，in。上式提供了加重鉆桿

7、在直井中施加鉆壓的限制范圍。鉆桿所受的壓力與上式計(jì)算的臨界彎曲載荷相比，可以確定鉆桿是否發(fā)生彎曲，如果發(fā)生彎曲，則要降低鉆壓，或更換具有更大的臨界彎曲載荷的鉆桿。如上所述，鉆桿所能施加的鉆壓可由下式確定，WOBWFcrit+Wbs式中wob一設(shè)計(jì)鉆壓；Wbs一鉆桿的浮重。3、大位移井軌道到設(shè)計(jì)軌道設(shè)計(jì)的原則大位移井軌道設(shè)計(jì)，要求對(duì)所有參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，盡量降低井眼對(duì)管柱的扭矩和摩阻，提高管柱和測(cè)量工具的下入能力，并能盡量增大大位移井的延伸距離。國(guó)外大位移井井身剖面的主要類型：（ 1）增斜穩(wěn)斜剖面這種剖面的造斜率低，井斜角及測(cè)深增幅緩慢，但可降低鉆柱的扭矩、摩阻和套管的磨損。（ 2）小曲率造斜剖面這

8、種剖面的特點(diǎn)是造斜點(diǎn)較深，井斜角大，能降低扭矩和摩阻，而且隨目標(biāo)深度的增加，旋轉(zhuǎn)扭矩的增幅較小。（ 3）準(zhǔn)懸鏈線剖面準(zhǔn)懸鏈線剖面有許多優(yōu)點(diǎn)，它不但對(duì)管柱的扭矩和摩阻低（鉆柱與井壁之間的接觸力近似為零），而且使套管的下入重量增加。目前這種剖面在大位移井中廣為應(yīng)用。石油大學(xué)的韓志勇教授在準(zhǔn)懸鏈線剖面的基礎(chǔ)上提出了側(cè)位懸鏈線剖面的設(shè)計(jì)方法，這種剖面比準(zhǔn)懸鏈線剖面的扭矩和摩阻小。側(cè)位懸鏈線軌道設(shè)計(jì)方法：軌道關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算所謂軌道關(guān)鍵參數(shù)是指所有設(shè)計(jì)計(jì)算軌道的參數(shù)中需首先求出的參數(shù)。只要求出這些參數(shù)，軌道上的所有參數(shù)都可求得。圖2 3為大位移井軌道，軌道的關(guān)鍵參數(shù)為 b和Lw。關(guān)鍵參數(shù)的求法：已知x b

9、求Lw用下式計(jì)算特征參數(shù)A求出軌道的關(guān)鍵參數(shù)和特征參數(shù)之后，就可進(jìn)行軌道的節(jié)點(diǎn)和分點(diǎn)參數(shù)計(jì)算。節(jié)點(diǎn)參數(shù)的計(jì)算設(shè)計(jì)軌道是由垂直段、造斜段和穩(wěn)斜段組成，相鄰兩個(gè)井段的分界點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)。上圖軌道中，a、b為節(jié)點(diǎn)，a點(diǎn)的參數(shù) 已知，b點(diǎn)的井深、垂深和水平位移為：所謂分點(diǎn)的參數(shù)，就是在各井段內(nèi)，以上節(jié)點(diǎn)為始點(diǎn)，每隔30米為一個(gè)分點(diǎn)，每個(gè)分點(diǎn)需計(jì)算的參數(shù)有井深、垂深、井斜角、水平位移、東西坐標(biāo)、南北坐標(biāo)和造斜率7項(xiàng)。4大位移井的井壁穩(wěn)定問題1 大位移井的井壁不穩(wěn)定性影響大位移井井壁不穩(wěn)定的因素主要有以下幾種：（ 1） 狹窄的泥漿密度范圍一般地，當(dāng)井眼傾角增加時(shí)，泥漿要提供足夠大的壓力來(lái)防止井壁坍塌。同時(shí)，出

10、現(xiàn)裂縫的可能性也增加了。簡(jiǎn)言之，防止井壁坍塌的泥漿密度范圍較小。（ 2）高的當(dāng)量循環(huán)密度（ECD）大位移井井眼長(zhǎng)，泥漿循環(huán)時(shí)環(huán)空壓降大，而泥漿密度工作范圍窄，泥漿的高的當(dāng)量循環(huán)密度容易達(dá)到井壁的破裂壓力，而使井壁破裂。（ 3）抽吸和激動(dòng)壓力在大位移井中，由于狹窄的泥漿密度范圍，井壁對(duì)抽吸壓力和激動(dòng)壓力相當(dāng)敏感?？赡軐?dǎo)至井壁坍塌或破裂。（ 4）時(shí)間關(guān)系井壁在低密度泥漿中長(zhǎng)期侵泡，特別是水基泥漿的情況下，非穩(wěn)性尤為明顯，常常會(huì)造成許多鉆井事故。（ 5）化學(xué)反應(yīng)鉆井液和地層間的化學(xué)作用也影響井壁穩(wěn)定性，水基鉆井液和油層上部的泥頁(yè)巖經(jīng)常發(fā)生強(qiáng)的化學(xué)反應(yīng)，泥頁(yè)巖膨脹，造成縮徑或井壁坍塌。2 井壁穩(wěn)定性的

11、機(jī)理（ 1）井眼（井壁）應(yīng)力原始地應(yīng)力分為三項(xiàng)主應(yīng)力，即上復(fù)應(yīng)力S,（亦稱最大 主應(yīng)力）、最大水平應(yīng)力Sh和最小水平應(yīng)力Sr如下圖 a。打開井眼之后，原始地應(yīng)力消失，而沿井壁重新分布，即平行于井眼軸線的應(yīng)力Sz、周向應(yīng)力Se和徑向應(yīng)力Sr,如下圖boab（ 2）巖石的破壞*壓縮破壞當(dāng)作用于巖石上的壓力大于巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生壓縮破壞（井眼坍塌）。*拉伸破壞當(dāng)作用于巖石的拉力大于巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)拉伸破壞（井壁破裂）。（巖石力學(xué)規(guī)定壓應(yīng)力為正，拉伸應(yīng)力為負(fù)。）（ 3）大位移井眼的不穩(wěn)定性隨著井斜的增加，井壁的不穩(wěn)定性增加。井眼由垂直變?yōu)樗剑鋺?yīng)力狀態(tài)的變化如下圖在正常壓實(shí)地層，SH=Sh， Sv

12、>SH。在井眼某深度，原地應(yīng)力是固定的，井壁的周向應(yīng)力Se沿周邊位置變化，其大小也發(fā)生變化，且必然存在Se min和Se m叫這就導(dǎo)致井壁有破裂和坍塌的可能。井壁破裂(拉伸破壞)井壁破裂與Semn有關(guān)。研究表明，在斜井中，隨著井斜 的增加，Se mn減小，并趨于拉應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)拉伸應(yīng)力Se min超過巖石的抗張強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生破裂。對(duì)直井 Semn=2SH-Pv-Pp (1)對(duì)水平井 Semn=3SH SPwPp (2)式中P/泥漿柱壓力；PP-地層孔隙壓力。對(duì)比式(1)和(2) , 3Sh§總是小于20,所以水平井 中的Semin總是小于直井中的Semn,更具有拉伸性。井壁坍塌

13、(壓縮破壞)井壁坍塌與Se ma有關(guān)。研究表明，在斜井中，隨著井斜 的增加，Se mx也增加，且更趨于壓應(yīng)力狀態(tài)，當(dāng)Se max的值 超過巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，巖石發(fā)生壓縮破壞，即井壁坍塌。對(duì)直井 Se mx=2SH-PwPp (3)對(duì)水平井 Serw=3Sv&P-Pp (4)同樣，水平井的Se ma總是大于直井的Se ma,更容易發(fā)生井壁坍塌。5大位移井的井眼的清洗大位移井同其它類型井一樣，好的井眼清洗和凈化以提高鉆速、降低扭矩、縮短作業(yè)時(shí)間、節(jié)省費(fèi)用等。提高井眼清洗效率的措施（ 1） 高泵排量和環(huán)空返速都有利于井眼凈化 通常要用井眼凈化模型來(lái)計(jì)算井眼凈化的最小排量和最優(yōu)鉆井液流變性。大

14、排量可以提高泥漿的流速，增加攜巖能力。然而，大排量需要高的泵壓，在大位移井中，泵壓可能會(huì)受到限制。為使泥漿以紊流循環(huán)，可以增大鉆桿尺寸來(lái)增加給定泵壓下的環(huán)空返速。（ 2） 鉆井液的流變性 良好的鉆井液流變性對(duì)任何類型的井都非常重要，對(duì)大位移井更是如此。要保證鉆井液的流型為層流或紊流，避免過渡流，因?yàn)檫^渡流的攜巖能力差。在砂巖油層段會(huì)發(fā)生漏失，鉆井液流變性必須保持低值，以降低當(dāng)量循環(huán)密度。（ 3） 鉆具轉(zhuǎn)動(dòng) 由于大位移井的位移不斷增加，井眼的最優(yōu)排量難以達(dá)到，這就需要其它的井眼凈化技術(shù)，如提高轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)速度和倒劃眼。（ 4） 固相控制 在大位移井中，鉆屑將在環(huán)空鉆井液中長(zhǎng)期滯留，使鉆屑變的更細(xì)，更

15、難以攜帶，如要鉆井液保持良好狀態(tài)，就必須有良好的固控設(shè)備。6、大位移井的固井、完井技術(shù)在大位移井的固井、完井中，套管的摩阻和磨損是個(gè)嚴(yán)重的問題。套管磨損使套管的強(qiáng)度降價(jià)，套管摩阻會(huì)使套管難以下入到設(shè)計(jì)井深、造成卡套管或井壁坍塌等問題。特別是在井眼曲率較小的造斜段，套管的聯(lián)接部分需要有較高的抗彎能力，而且在下套管作業(yè)中，聯(lián)接部分要求有足夠的搞拉強(qiáng)度。（ 1） 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要考慮以下幾個(gè)問題井身結(jié)構(gòu)必須滿足完井設(shè)計(jì)要求。生產(chǎn)井段的井眼應(yīng)盡可能大，以利于隨鉆測(cè)井工具的下入。井身結(jié)構(gòu)不能防礙優(yōu)質(zhì)固井。（ 2）套管柱的聯(lián)結(jié)套管絲扣接頭要相互楔牢，以防套管柱通過彎曲井段時(shí)脫扣。生產(chǎn)管柱的接頭應(yīng)

16、有足夠的抗扭強(qiáng)度，以允許注水泥時(shí)套管柱旋轉(zhuǎn)。如果生產(chǎn)管柱是原始?jí)毫θ萜?，其接頭應(yīng)該是密封的。3）在大斜度井眼中下套管在大斜度井中下套管，使套管下入的動(dòng)力（套管自重）本來(lái)就很小，而且還要用來(lái)克服阻力，所以要在地面采取措施，幫助管柱下入。采取的措施有接鉆鋌，靠鉆鋌的重量將管柱推進(jìn)。調(diào)整泥漿性能，減小摩阻。在套管內(nèi)充填輕流體或氣體，以減小摩阻。（ 4） 注水泥考慮的問題由于大位移井的井壁應(yīng)力，使泥漿密度有很狹窄的工作范圍，下套管時(shí)的激動(dòng)壓力和注水泥時(shí)的循環(huán)壓降容易引起井壁破裂，發(fā)生循環(huán)漏失，所以要特別注意泥漿、前置液和水泥漿的特性。下套管前要部分地稀釋泥漿，以防下套管引起過大的激動(dòng)壓力；注水泥前要徹底稀釋泥漿，以防注水泥時(shí)的循環(huán)壓降過高。最好使用非加重前置液，這樣可降低ECD,但要注意井壁穩(wěn)定問題。在保證井內(nèi)靜液柱壓力的前提下，應(yīng)盡量增大非加重前置液的用量。要控制水泥漿的自由水含量（自由水含量最好為零），優(yōu)化水泥漿的稠化時(shí)間，保證水泥漿的穩(wěn)定性，防止固井竄槽。7、大位移井的軌跡控制用導(dǎo)向鉆井工具（略）。第二部分大位移井鉆井技術(shù)復(fù)習(xí)思考題1 大位移井的基本概念特點(diǎn)及用途。2 大位移井鉆井有哪幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)？3 示圖并分析在斜井段鉆柱所受扭矩和摩阻。4 在斜井段鉆柱摩阻的計(jì)算方法。5 在大位移井中