钻具摩阻与扭矩

钻具摩阻与扭矩 This manuscript was revised by the office on December 22, 2012

1、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，下套管时套管的摩阻和扭矩。

（1)钻柱扭矩和摩阻力的计算

为简化计算，作如下假设：

*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；

*在斜井段，钻柱与井壁的接触点连续，且不发生失稳弯曲。 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。

钻柱扭矩的计算

在弯曲的井段中，取一钻柱单元，如图2—1。

该单元的扭矩增量为

F r R M =?（2—1）

式中△M —钻柱单元的扭矩增量，N·m

R —钻柱的半径，m ；

Fr —钻柱单元与井壁间的周向摩擦力，N 。

该单元上端的扭矩为

式中M j —从钻头算起，第j 个单元的上端的扭矩，N·m；

Mo —钻头扭矩（起下钻时为零），N?m ，

△ M I —第I 段的扭矩增量，N.m 。

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,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2-2。图2中，V 为钻柱表面C 点的运动速度V t ，V r 分别为V 沿钻柱轴向和周向的速度分量；F 为C 点处钻柱

所受井壁的摩擦力，其方向与V 相反；Ft ，Fr 分别为F 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向摩擦力。

由图2-2

V

V F V F r t

s t t 22/+=(2-3) V V F V F r t s r r 22/+=(2-4)

F s =fN(2-5)

式中F S —钻柱单元的静摩擦力，N ；

f —摩擦系数；

N —钻柱单元对井壁的挤压力，N 。

[])sin ()2

2sin (θθθφW T T N +?+?=(2-6) 式中T —钻柱单元底部的轴向力，N ；

W —钻柱单元在钻井液中的重量，N ；

θ,△θ,Δφ—钻柱单元的井斜角，井斜角增量。 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，在大位移井的设计与施工中要采取各种必要的措施。

(1)优化井身剖面。

(2)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。

(3)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。

(4)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。

(5)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80%。

(6)提高地面设备的功率

(7)使用顶部驱动系统

2、钻柱设计

钻柱设计包括底部钻具组合设计和钻杆设计。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。

对底部钻具组合（BHA），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的前提下应使底部钻具组合的尺寸尽量减小。

（1）钻柱设计应考虑的因素

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

小钻柱与井壁之间的接触面积。

尽量减少丝扣连接的数量。

采用井下可调稳定器。

尽量减少在大斜度井段使用加重钻杆的数量。

选用高强度钻杆，使之具有足够的抗扭转力和抗磨

能力。

给钻头施压时尽量不使钻杆发生弯曲。

(2)钻压设计

大位移井的钻柱设计主要是钻压设计。在直井段底部和弯曲井段，钻柱的弯曲是不可避免的。在斜井段，可通过底部钻具的足够重量给钻头施加足够的钻压来避免钻柱的弯曲。为减少钻柱的扭矩和摩阻，在大位移井中底部钻具组合可部分的或全部的使用加重钻杆施加钻压。

若用常规钻杆对钻头施加钻压，要考虑钻杆的弯曲问题。设计的原则是钻杆某点受到的压力载荷，不应超过钻杆的临界弯曲载荷。在大斜度井中，井斜角有利于钻杆的稳定性，所以钻杆在直井中的临界弯曲载荷适用于大斜度井。在直井中，钻杆的临界弯曲载荷用下式计算，

式中F C RIT—临界弯曲载荷，lb；

E—杨氏模量，psi；

I—惯性矩，in4；

W—钻杆在空气中的重量，lb/ft；

K b—浮力系数，无因次；

θ—井斜角，度；

R—钻杆和井眼间的径向间隙，in。

上式提供了加重钻杆在直井中施加钻压的限制范围。钻杆所受的压力与上式计算的临界弯曲载荷相比，可以确定钻杆是否发生弯曲，如果发生弯曲，则要降低钻压，或更换具有更大的临界弯曲载荷的钻杆。

如上所述，钻杆所能施加的钻压可由下式确定，

WOB≦F CR IT+W BS

式中WOB—设计钻压；

W BS—钻杆的浮重。

3、大位移井轨道到设计

轨道设计的原则

大位移井轨道设计，要求对所有参数进行优化，尽量降低井眼对管柱的扭矩和摩阻，提高管柱和测量工具的下入能力，并能尽量增大大位移井的延伸距离。

国外大位移井井身剖面的主要类型：

（1）增斜—稳斜剖面这种剖面的造斜率低，井斜角及测深增幅缓慢，但可降低钻柱的扭矩、摩阻和套管的磨损。

（2）小曲率造斜剖面这种剖面的特点是造斜点较深，井斜角大，能降低扭矩和摩阻，而且随目标深度的增加，旋转扭矩的增幅较小。

（3）准悬链线剖面准悬链线剖面有许多优点，它不但对管柱的扭矩和摩阻低（钻柱与井壁之间的接触力近似为零），而且使套管的下入重量增加。目前这种剖面在大位移井中广为应用。

石油大学的韩志勇教授在准悬链线剖面的基础上提出了侧位悬链线剖面的设计方法，这种剖面比准悬链线剖面的扭矩和摩阻小。

侧位悬链线轨道设计方法：

轨道关键参数的计算所谓轨道关键参数是指所有设计计算轨道的参数中需首先求出的参数。只要求出这些参数，轨道上的所有参数都可求得。

图2—3为大位移井轨道，轨道的关键参数为αb和L W。

关键参数的求法：

已知αb求L W

用下式计算特征参数A

求出轨道的关键参数和特征参数之后，就可进行轨道的节点和分点参数计算。

节点参数的计算

设计轨道是由垂直段、造斜段和稳斜段组成，相邻两个井段的分界点称为节点。上图轨道中，a、b为节点，a点的参数已知，b点的井深、垂深和水平位移为：

所谓分点的参数，就是在各井段内，以上节点为始点，每隔30米为一个分点，每个分点需计算的参数有井深、垂深、井斜角、水平位移、东西坐标、南北坐标和造斜率7项。4．大位移井的井壁稳定问题

1．大位移井的井壁不稳定性

影响大位移井井壁不稳定的因素主要有以下几种：

（1）狭窄的泥浆密度范围

一般地，当井眼倾角增加时，泥浆要提供足够大的压力来防止井壁坍塌。同时，出现裂缝的可能性也增加了。

简言之，防止井壁坍塌的泥浆密度范围较小。

（2）高的当量循环密度（ECD）

大位移井井眼长，泥浆循环时环空压降大，而泥浆密度工作范围窄，泥浆的高的当量循环密度容易达到井壁的破裂压力，而使井壁破裂。

（3）抽吸和激动压力

在大位移井中，由于狭窄的泥浆密度范围，井壁对抽吸压力和激动压力相当敏感。可能导至井壁坍塌或破裂。

（4）时间关系

井壁在低密度泥浆中长期侵泡，特别是水基泥浆的情况下，非稳性尤为明显，常常会造成许多钻井事故。

（5）化学反应

钻井液和地层间的化学作用也影响井壁稳定性，水基钻井液和油层上部的泥页岩经常发生强的化学反应，泥页岩膨胀，造成缩径或井壁坍塌。

2．井壁稳定性的机理

（1）井眼（井壁）应力

原始地应力分为三项主应力，即上复应力S v（亦称最大主应力）、最大水平应力S H和最小水平应力S h，如下图a。

打开井眼之后，原始地应力消失，而沿井壁重新分布，即平行于井眼轴线的应力S Z、周向应力Sθ和径向应力

S R，如下图b。

ab

（2）岩石的破坏

*压缩破坏当作用于岩石上的压力大于岩石的抗压强度时产生压缩破坏（井眼坍塌）。

*拉伸破坏当作用于岩石的拉力大于岩石的抗拉强度时拉伸破坏（井壁破裂）。

(岩石力学规定压应力为正，拉伸应力为负。)

（3）大位移井眼的不稳定性

随着井斜的增加，井壁的不稳定性增加。井眼由垂直变为水平，其应力状态的变化如下图

在正常压实地层，S H=S h，S v>S H。

在井眼某深度，原地应力是固定的，井壁的周向应力Sθ沿周边位置变化，其大小也发生变化，且必然存在

Sθmi n和Sθmam，这就导致井壁有破裂和坍塌的可能。

井壁破裂（拉伸破坏）

井壁破裂与Sθmi n有关。研究表明，在斜井中，随着井斜的增加，Sθmi n减小，并趋于拉应力状态，当拉伸应力

Sθmi n超过岩石的抗张强度时，岩石发生破裂。

对直井Sθmi n=2S H-P W-P P（1）

对水平井Sθmin=3S H–S V-P W-P P（2）

式中P W–泥浆柱压力；

P P--地层孔隙压力。

对比式（1）和（2），3S H–S V总是小于2S H，所以水平井中的Sθmin总是小于直井中的Sθmi n，更具有拉伸性。

井壁坍塌（压缩破坏）

井壁坍塌与Sθma x有关。研究表明，在斜井中，随着井斜的增加，Sθma x也增加，且更趋于压应力状态，当Sθma x的值超过岩石的抗压强度时，岩石发生压缩破坏，即井壁坍塌。

对直井Sθma x=2S H-P W-P P（3）

对水平井Sθmax=3S v–S H-P W-P P（4）

同样，水平井的Sθma x总是大于直井的Sθma x，更容易发生井壁坍塌。

5．大位移井的井眼的清洗

大位移井同其它类型井一样，好的井眼清洗和净化

以提高钻速、降低扭矩、缩短作业时间、节省费用等。

提高井眼清洗效率的措施

（1）高泵排量和环空返速都有利于井眼净化

通常要用井眼净化模型来计算井眼净化的最小排量和最优钻井液流变性。大排量可以提高泥浆的流速，增加携岩能力。然而，大排量需要高的泵压，在大位移井中，泵压可能会受到限制。为使泥浆以紊流循环，可以增大钻杆尺寸来增加给定泵压下的环空返速。

（2）钻井液的流变性

良好的钻井液流变性对任何类型的井都非常重要，

对大位移井更是如此。要保证钻井液的流型为层流或紊流，避免过渡流，因为过渡流的携岩能力差。在砂岩油

层段会发生漏失，钻井液流变性必须保持低值，以降低

当量循环密度。

（3）钻具转动

由于大位移井的位移不断增加，井眼的最优排量难以达到，这就需要其它的井眼净化技术，如提高转盘旋转速度和倒划眼。

（4）固相控制

在大位移井中，钻屑将在环空钻井液中长期滞留，使钻屑变的更细，更难以携带，如要钻井液保持良好状态，就必须有良好的固控设备。

6、大位移井的固井、完井技术

在大位移井的固井、完井中，套管的摩阻和磨损是个严重的问题。套管磨损使套管的强度降价，套管摩阻会使套管难以下入到设计井深、造成卡套管或井壁坍塌等问题。特别是在井眼曲率较小的造斜段，套管的联接部分需要有较高的抗弯能力，而且在下套管作业中，联接部分要求有足够的搞拉强度。

（1）井身结构设计

井身结构设计要考虑以下几个问题

井身结构必须满足完井设计要求。

生产井段的井眼应尽可能大，以利于随钻测井工具

的下入。

井身结构不能防碍优质固井。

（2）套管柱的联结

套管丝扣接头要相互楔牢，以防套管柱通过弯曲井

段时脱扣。

生产管柱的接头应有足够的抗扭强度，以允许注水

泥时套管柱旋转。

如果生产管柱是原始压力容器，其接头应该是密封

的。

（3）在大斜度井眼中下套管

在大斜度井中下套管，使套管下入的动力（套管自重）本来就很小，而且还要用来克服阻力，所以要在地面采取措施，帮助管柱下入。采取的措施有

接钻铤，靠钻铤的重量将管柱推进。

调整泥浆性能，减小摩阻。

在套管内充填轻流体或气体，以减小摩阻。

（4）注水泥考虑的问题

由于大位移井的井壁应力，使泥浆密度有很狭窄的工作范围，下套管时的激动压力和注水泥时的循环压降容易引起井壁破裂，发生循环漏失，所以要特别注意泥浆、前置液和水泥浆的特性。

下套管前要部分地稀释泥浆，以防下套管引起过大

的激动压力；注水泥前要彻底稀释泥浆，以防注水

泥时的循环压降过高。

最好使用非加重前置液，这样可降低ECD，但要注意

井壁稳定问题。在保证井内静液柱压力的前提下，

应尽量增大非加重前置液的用量。

要控制水泥浆的自由水含量（自由水含量最好为

零），优化水泥浆的稠化时间，保证水泥浆的稳定

性，防止固井窜槽。

7、大位移井的轨迹控制

用导向钻井工具（略）。

第二部分大位移井钻井技术

复习思考题

1、大位移井的基本概念、特点及用途。

2、大位移井钻井有哪几项关键技术？

3、示图并分析在斜井段钻柱所受扭矩和摩阻。

4、在斜井段钻柱摩阻的计算方法。

5、在大位移井中减小管柱扭矩和摩阻的主要措施。

6、钻压设计的主要原则是什么？

7、钻杆临界弯曲载荷的实际意义。

8、大位移井轨道设计的原则。

9、什麽大位移井轨道的节点节点的基本参数是什麽

10、

11、影响大位移井井壁不稳定的因素有哪些？

12、循环压降、抽吸压力和激动压力对井底压力的影响如何？

13、岩石破坏的基本形式和井壁破坏的表现形式是什麽？

14、用应力分析的观点解释，水平井与直井相比井壁总是容易发生

破裂与坍塌。

15、提高大位移井井眼清洗效率的主要措施。

16、下套管和注水泥对大位移井的井壁稳定有什麽影响在这两个过

程中要采取什麽措施保证井壁稳定

17、