钻具摩阻与扭矩

1 1、、 管柱的摩阻和扭矩管柱的摩阻和扭矩 钻大位移井时，由于井斜角和水平位移的增加而扭矩和钻大位移井时，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问题，它可以限制位移的增加。摩阻增大是非常突出的问题，它可以限制位移的增加。 管柱的摩阻和扭矩是指钻进时钻柱的摩阻和扭矩，下套管柱的摩阻和扭矩是指钻进时钻柱的摩阻和扭矩，下套 管时套管的摩阻和扭矩。管时套管的摩阻和扭矩。 （（1)1) 钻柱扭矩和摩阻力的计算钻柱扭矩和摩阻力的计算 为简化计算，作如下假设：为简化计算，作如下假设： * * 在垂直井段，钻柱和井壁无接触；在垂直井段，钻柱和井壁无接触； * * 钻柱与钻井液之间的摩擦力忽略不计；钻柱与钻井液之间的摩擦力忽略不计； * * 在斜井段，钻柱与井壁的接触点连续，且不发生失稳弯在斜井段，钻柱与井壁的接触点连续，且不发生失稳弯 曲。曲。 计算时，将钻柱划分为若干个小单元，从钻柱底部的已计算时，将钻柱划分为若干个小单元，从钻柱底部的已 知力开始逐步向上计算。若要知道钻柱上某点的扭矩或摩阻知力开始逐步向上计算。若要知道钻柱上某点的扭矩或摩阻 力，只要把这点以下各单元的扭矩和摩阻力分别叠加，再分力，只要把这点以下各单元的扭矩和摩阻力分别叠加，再分 别加上钻柱底部的已知力。别加上钻柱底部的已知力。 钻柱扭矩的计算钻柱扭矩的计算 在弯曲的井段中，取一钻柱单元，如图在弯曲的井段中，取一钻柱单元，如图 2 2——1 1。。 该单元的扭矩增量为该单元的扭矩增量为 M  R F r （（2 2——1 1）） 式中式中△△MM——钻柱单元的扭矩增量，钻柱单元的扭矩增量， N·N·mm R R ——钻柱的半径，钻柱的半径， mm；； Fr Fr ——钻柱单元与井壁间的周向摩擦力，钻柱单元与井壁间的周向摩擦力，N N。。 该单元上端的扭矩为该单元上端的扭矩为 式中式中 M M j j —— 从钻头算起，第从钻头算起，第 j j个单元的上端的扭矩，个单元的上端的扭矩， N·N·mm；； Mo Mo—— 钻头扭矩（起下钻时为零），钻头扭矩（起下钻时为零）， N•mN•m，， △ MMI I——第第I I段的扭矩增量，段的扭矩增量， N.mN.m。。 钻柱摩阻力的计算（转盘钻）钻柱摩阻力的计算（转盘钻） 转盘钻进时，钻柱既有旋转运动，又有沿井眼轴向运动转盘钻进时，钻柱既有旋转运动，又有沿井眼轴向运动, , 因此，钻柱表面某点的运动轨迹实为螺线运动。在斜井段中因此，钻柱表面某点的运动轨迹实为螺线运动。在斜井段中 取一钻柱单元，如图取一钻柱单元，如图 2-22-2。图。图2 2中，中，V V为钻柱表面为钻柱表面 C C点的运动速点的运动速 度度V Vt t，，V Vr r分别为分别为V V沿钻柱轴向和周向的速度分量；沿钻柱轴向和周向的速度分量；F F为为C C点处点处 钻柱钻柱所受井壁的摩擦力，其方向与所受井壁的摩擦力，其方向与 V V相反；相反；FtFt，，FrFr分别为分别为F F沿沿 钻柱轴向和周向的摩擦力的分量，即钻柱的轴向摩擦力和周钻柱轴向和周向的摩擦力的分量，即钻柱的轴向摩擦力和周 向摩擦力。向摩擦力。 由图由图2-22-2 V F/ V V F V F/ V V F tts 2 t rrs 2 t 2 r 2 r (2-3) (2-3) (2-4) (2-4) F F s s = f N (2-5)= f N (2-5) 式中式中F F S S— — 钻柱单元的静摩擦力，钻柱单元的静摩擦力， N N；； f f —— 摩擦系数；摩擦系数； N N —— 钻柱单元对井壁的挤压力，钻柱单元对井壁的挤压力， N N。。 N   (Tsin)(TW sin)  (2-6) (2-6) 22 式中式中 T T—— 钻柱单元底部的轴向力，钻柱单元底部的轴向力， N N；； W W —— 钻柱单元在钻井液中的重量，钻柱单元在钻井液中的重量， N N；； θθ, ,△θ△θ, ,ΔφΔφ—— 钻柱单元的井斜角钻柱单元的井斜角 ，井斜角增，井斜角增 量。量。 减小管柱扭矩和摩阻的措施减小管柱扭矩和摩阻的措施 为减小管柱在大位移井中的扭矩和摩阻，在大位移井为减小管柱在大位移井中的扭矩和摩阻，在大位移井 的设计与施工中要采取各种必要的措施。的设计与施工中要采取各种必要的措施。 (1)(1) 优化井身剖面。优化井身剖面。 (2)(2) 增强钻井液的润滑性增强钻井液的润滑性 用润滑性能好的低毒性钻井液。许多大位移井采用油基用润滑性能好的低毒性钻井液。许多大位移井采用油基 钻井液，一般来说，润滑基对油基钻井液性能影响较小，而钻井液，一般来说，润滑基对油基钻井液性能影响较小，而 油水比对润滑性影响较大。油水比对润滑性影响较大。 (3)(3)优化钻柱设计、使用高强度钻杆优化钻柱设计、使用高强度钻杆 底部钻具组合可少用钻铤，而使用高强度加重杆。底部钻具组合可少用钻铤，而使用高强度加重杆。 (4)(4)使用降扭矩工具使用降扭矩工具 使用不转动的钻杆护箍可有效地减小扭矩。使用不转动的钻杆护箍可有效地减小扭矩。 (5)(5)对于套管，可在套管上加箍或使用加厚套管。近几年对于套管，可在套管上加箍或使用加厚套管。近几年 国外应用选择性浮动装置下套管技术，可降低套管的国外应用选择性浮动装置下套管技术，可降低套管的 摩阻。这种技术的原理是在套管内全部或部分地充满摩阻。这种技术的原理是在套管内全部或部分地充满 空气，通过降低套管在井内的重量来降低套管的摩空气，通过降低套管在井内的重量来降低套管的摩 阻。用的较多的是部分充气，这种方法可使套管的法阻。用的较多的是部分充气，这种方法可使套管的法 向力降低向力降低80%80%。。 (6)(6)提高地面设备的功率提高地面设备的功率 (7)(7)使用顶部驱动系统使用顶部驱动系统 2 2、钻柱设计、钻柱设计 钻柱设计包括底部钻具组合设计和钻杆设计。钻柱设计包括底部钻具组合设计和钻杆设计。在大在大 位移井中一般使用高强度薄壁钻杆，以减少扭矩和摩阻。位移井中一般使用高强度薄壁钻杆，以减少扭矩和摩阻。 对底部钻具组合（对底部钻具组合（ BHABHA），尺寸越大，钻柱的扭矩和摩阻），尺寸越大，钻柱的扭矩和摩阻 也越大，这并不利于大位移井钻进，所以在保证钻压需要也越大，这并不利于大位移井钻进，所以在保证钻压需要 的前提下应使底部钻具组合的尺寸尽量减小。的前提下应使底部钻具组合的尺寸尽量减小。 （（1 1）钻柱设计应考虑的因素）钻柱设计应考虑的因素  尽量减小压差卡钻的可能性。尽量减小压差卡钻的可能性。 使用螺旋钻铤和螺旋扶正器，以增大环空间隙和减小使用螺旋钻铤和螺旋扶正器，以增大环空间隙和减小 钻柱与井壁之间的接触面积。钻柱与井壁之间的接触面积。  尽量