钻具摩阻与扭矩
钻井过程中摩阻监测
钻井过程中摩阻和扭阻监测1．为什么要监测摩阻?➢帮助追踪井下环境和井眼不稳定性问题；➢帮助在接立柱前的循环、循环一周或多周、用高粘/高密度/低粘等泥浆密度清洗井眼、短起下等作业时，判断井眼清洁效果；➢帮助确认岩屑床（和ECD，震动筛上的岩屑返出量一起进行）；➢帮助确定扭矩问题，钻井设备的负荷能力以及最大可钻达深度和最大套管可下入深度；➢帮助判断泥浆的润滑性，泥浆比重的效果，泥浆性能的变化；➢帮助确定每口井的裸眼和套管摩擦系数，为丛式井施工建立摩擦系数数据库；➢判断井眼轨迹增/降斜、增/降方位井段对摩阻的影响；➢帮助解决下套管/尾管时遇到的问题；➢帮助优化BHA和套管串，以及是否需要使用降扭矩工具。
2．理论摩阻曲线➢由D&M根据实际井眼尺寸，实际BHA结构，设计轨迹，正确的泥浆性能等参数建立理论上的摩阻曲线。
如果能获得实际井眼测斜数据和实际BHA工具，最好根据这些参数重新绘制；➢理论摩阻曲线应显示起钻，下钻和提离井底时的旋转扭矩；➢确保考虑了套管和裸眼在根据泥浆性能和实际经验确定的摩擦系数；➢非常重要的是，理论曲线中应有一条摩擦系数为0的悬重曲线，这条曲线将用于标定理论曲线。
如果理论曲线是正确的，旋转时的悬重将和理论曲线完全吻合。
➢在理论摩阻表中加入最大悬重曲线，该曲线将用于表明钻具使用或钻井设备极限负荷。
注意：理论摩阻曲线是根据动态摩擦系数来确定的。
监测摩阻时，悬重是在钻具开始运动且旋重稳定后的读数。
3．需要监测的参数总共需要四个参数：➢上提旋重：保持同样的速度，上提钻具至少5-6米。
➢下放旋重：保持同样的速度，下放钻具至少5-6米。
➢旋转悬重：离开井底至少1-2米后，旋转钻具时的悬重。
➢扭矩：离开井底以旋转钻进时的转速旋转钻具时的扭矩。
注意：在进行摩阻测试时，也需要记录开始上提钻具时最大的静态悬重，这一数据将用于确定从静态到动态的悬重是否会超过钻井设备或钻具的极限。
确保任何时候悬重都不要超过钻具或钻井设备的极限负荷。
钻柱力学计算
钻柱力学计算一、不带工具接头的管材在斜井段临界弯曲力的计算：式中：F c －临界弯曲力；lb ； E －杨氏模量，30 ⨯1000000 psi(钢材)； I －管材的惯性矩， in 4；W m －管材在钻井液中的重量，lb/in ； R －管材与井眼的径向间隙，in ； θ－井斜角，︒；二、带工具接头的管材在斜井段临界弯曲力的计算：式中：F c －临界弯曲力；lb ；W A －管材在空气中的重量，lb/in ； I －管材的惯性矩， in 4；A S －管材的横截面积，in 2；M W －钻井液密度，lb/gal ；D H －井眼直径，in ；D TJ －工具接头外径，in ；θ－井斜角，︒；2/1sin 2⎥⎦⎤⎢⎣⎡∙∙∙⨯=R W I E F m c θ()2/1sin 5.65550⎥⎦⎤⎢⎣⎡-∙-∙⨯=TJ H W A c D D M W I F θ()2216ID OD A I S +=三、摩擦扭矩的估算：钻具在斜直井段的摩擦扭矩：钻具在水平段的摩擦扭矩：钻具在90︒的弯曲井段中，如果钻压<0.33W M R 则：如果钻压>0.33W M R 则：式中：T －斜井段中的摩擦扭矩，ft-lb; T H －在水平井段中未接触井底旋转时的摩擦扭矩， ft-lb; T O －在90︒弯曲造斜井段造斜时的摩擦扭矩，ft-lb; OD －旋转钻具的接头外径或钻铤外径，in; L －钻具长度，ft;F －摩擦系数，在估算公式中取0.33; θ－井斜角，︒；W m －管材在钻井液中的重量，lb/in ； R －总的造斜曲率半径，ft;WOB －钻压，lb 。
24sin θ∙∙∙∙=F L W OD T M 72LW OD T M H ∙∙=72RW OD T M o ∙∙=()R W WOB OD R W OD T M M D 33.04672-+∙∙=四、钻具阻力计算：a. 钻具下入时的阻力估算：钻具在稳斜段中：钻具在水平段中：钻具在90︒弯曲造斜段：式中：D －斜井段中的摩擦阻力，lb; D H －在水平井段中的摩擦阻力，lb; D B －在90︒弯曲造斜井段的摩擦阻力，lb; W m －钻具在钻井液中的重量，lb/in ； L －钻具长度，ft;F －摩擦系数，在估算公式中取0.33; θ－井斜角，︒；R －造斜曲率半径，ft;WOB －钻压，lb 。
石油钻井管柱摩阻扭矩计算课件.ppt
o
T1
1RN
T2 FW
2
en eb
et
将重力向随动坐标系三个坐 标轴方向上分解，则有：
Wt
W
cos 2 cos1
2cos / 2
Wn
W
s in 1
sin 2 sin
sin
Wb
W
cos 2 cos1
2sin / 2
o
T1
1 R N
T2 FW
en eb
et
2
5.2.3 管柱微元受力分析
根据管柱微元的合力在三个坐标方 向上均为零列平衡方程，则有：
T1 cos / 2 T2 cos / 2 F Wt
N
n
Wn
N
b
T1
sin
/ 2 T2
sin
/ 2 Wb
o
T1
1RN
T2 FW
三个独立的未知数(T1，Nn, Nb，)，
三个方程，故可以求解。
2
en eb
et
5.2.4 管柱微元正压力计算
• 解上述方程组并化简，则有：
N Nn2 Nb2
5.1.1 摩阻扭矩的主要危害
钻柱起钻负荷很大，下钻阻力很大； 滑动钻进时加不上钻压，钻速很低； 旋转钻进时扭矩很大，导致钻柱强度破坏； 钻柱与套管摩擦，套管磨损严重，甚至被磨穿； 套管下入困难，甚至下不到底。
5.1.2 摩阻扭矩计算的主要模型
计算模型主要有三种：软模型、硬模型、有限元模型； 不管哪种计算模型其核心都是通过合理地假设以便求出管柱
井口大钩载荷，(kN)
100
200
300
400
500
600
700
17-1/2英寸井眼中 12-1/4英寸井眼中 8-1/2英寸井眼中 6英寸井眼中
丛式水平井组 钻井能力摩阻扭矩
丛式水平井组钻井能力摩阻扭矩下载提示：该文档是本店铺精心编制而成的，希望大家下载后，能够帮助大家解决实际问题。
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钻具摩阻与扭矩
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·mR —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2-2VV F V F r ts 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 ()22sin (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。
C05 扭拘和摩阻
第五章 扭矩和摩阻引言扭矩与摩阻是由于钻柱与井壁之间的摩擦所引起的。
扭矩是指使钻柱在井眼中旋转所施加的旋转力。
摩阻是指钻柱在井眼中起下钻的过程中所附加的力，在大位移井和水平井作业中，由于摩擦力可以减少打擦边井的可能性，因此，搞清形成这些力的因素，以及如何将其降低到最小，这是非常重要的。
在钻井设计过程中，为了使钻井作业取得成功，对于扭矩和摩阻的计算，将会影响到可能出现的井眼几何形状，及象技术规范所要求的那种擦边井。
过大的扭矩和摩阻可能会造成许多问题，包括：钻具扭断钻具失速井下脱扣高卸扣扭矩卡钻上提遇阻划眼受阻通常，扭矩和摩阻不但可以作为钻井过程中出现问题的参考依据，而且，也可以利用它们来监测井眼状况。
在钻井过程中，应时刻注意监测扭矩和摩阻的变化，这可用来优化钻井作业，并且还可为可能存在的一些潜在的问题提供征兆，例如：压差卡钻井内键槽井眼清洁恶化井眼失稳井内台肩影响扭矩和摩阻的因素影响扭矩和摩阻的因素有：井壁作用力接触面的性质（如接触面的类型和粗糙度）泥浆润滑性井眼的稳定性井眼的净化井壁作用力井壁作用力是推动钻柱或井下钻具贴近井壁的一个有效作用力，这个力越大，扭矩和摩阻值也越高。
之所以会有这样的结果，主要是由于井眼倾斜和狗腿附近存在张力。
井眼倾斜随着井眼倾斜度的增加，井壁所支撑钻柱的重量越多，这就是为什么在高井斜角井和大位移井中，其扭矩和摩阻值比在直井中更大。
狗腿附近的张力在张力作用下，由于钻柱本身倾向于拉伸自己，因此，它被引向狗腿一方，这些狗腿可能是钻进中有意造成的，或者是在降斜段形成的，或者是无意弯曲形成的。
有些井壁作用力是由于在井眼弯曲段，钻柱弯曲所产生的。
许多计算表明，这些力比上面所描述的那种井壁作用力更小，即使对刚性钻铤来说，也是这样。
钻柱的重量对井壁作用力也会产生一些影响，特别是在水平井中，重力的作用使钻具贴近井眼低边。
因此，如果使用重量轻一点的钻具，将有助于减少这些作用力。
接触面的性质由于光滑的接触面比粗糙接触面所产生的扭矩更小，因此，套管井比裸眼井所产生的摩擦力要小。
水平井钻柱摩阻、摩扭分析
水平井钻柱摩阻、摩扭分析张宗仁一、文献调研与综述在水平井中，由于重力的作用，钻具总是靠着井壁（或套管）的，其接触面积就比直井大很多所产生的摩擦力和扭矩将会大大的增加。
对管柱的摩擦阻力和轴向拉力研究计算，保证钻井管柱（钻柱或则套管，油管）的顺利上提和下放。
如今，国内外已经有很多关于磨阻计算的力学模型，主要分为两大类：一类为柔杆模型，另一类为柔杆加刚性模型。
1．1约翰西克柔杆模型：约翰西克(Johansick)在1983年首次对全井钻柱受力进行了研究，为了研究的方便，在研究过程中.他作了以下几点假设: (1)钻柱与井眼中心线一致； (2)钻柱与井壁连续接触:(3)假设钻柱为一条只有重量而无刚性的柔索； (4)忽略钻柱中剪力的存在:(5)除考虑钻井液的浮力外忽略其他与钻井液有关的因素。
在此假设条件下，建立了微单元力学模型，根据单元的力学平衡，推导出如下的拉力、扭矩计算公式:1222cos [(sin )(sin )]t T W NM NrN T T W αμμθααα∆=±∆==∆+∆+式中：T:钻柱单元下端的轴向拉力，N ； Mt:钻柱扭矩，N.m ；N:钻柱与井壁的接触正压力，N ； W:钻柱在钻井液中的重量，N ； u:钻柱与井壁的摩擦系数； r:钻柱单元半径；a,△a,△θ:平均井斜角，井斜角增量，方位角增量;起钻时取“+”，下钻时取“-”。
1．2二维模型:Maida 等人对拉力、扭矩进行了平面和空间的分析，建立了应用于现场的二维和三维的数学模型。
他建立的二维模型和三维模型如下:111211111**[(1)(sin sin )2(cos cos )]1exp[()](exp[()](Ai Ai B i i B i i BB i i B i i i i i qRF A F C a A a C a A a A a a A a a l l a a μμμμμ-------=+--+-+=-=---i 起钻)下钻)R=式中B μ为摩擦系数，li 计算点井深，FAi 为计算点轴向载荷，C1、C2为符号变量，其取值由表1-1给出：1111()()()()[()][()*()()*()()*()arccos[cos()*sin *sin cos *cos ]24()()(1)1Au B s N N b u b p i i i i i i i i s F q l C l q l dlq l q l q l q l q l q b l q l q p l l l R a a a a C l l μμθθγππ----=±=+===-=-+=-+式中u(l) , b(1) , p(1)分别为计算单元井段切线、副法线和主法线方向向量。
水平井高摩阻影响因素及解决对策
水平井高摩阻影响因素及解决对策摘要: 在水平井钻井施工过程中,摩阻通常指的是钻具使用中需要面对的摩擦阻力,通常来自于两个方面,分别是轴向上所存在的扭矩以及摩擦阻力,在钻井过程中需要对工程施工中形成摩擦阻力的不同类型因素进行梳理,制定出针对性的减少摩擦的措施,从而为项目施工的有序进行提供保障｡水平井钻井作业中,钻具面临着造斜段以及水平段不同类型力所带来的影响,而摩擦阻力通常是由于井壁跟管柱之间存在的反扭矩以及轴向上存在的阻力所引起,所以要想促进钻井施工效率和质量的提高,需要对摩擦阻力的影响因素进行分析,制定出针对性的减摩措施｡关键词: 水平井；摩阻影响；钻柱；钻具；井眼曲率半径；钻井液；施工效率1水平井钻井摩阻影响因素分析1.1钻柱因素油田企业在进行水平井钻井时,钻柱在使用中会面临各种因素问题,比如由于本身所具有的重量会造成井壁跟钻柱间所存在的摩擦力增加,随着摩擦力的不断提升,可能会引起钻柱出现形状的变化,也就是通常所说的屈曲｡钻柱在发生屈曲变形的情况下,钻壁能够对钻柱形成支撑,钻柱在短期内的稳定性不会受到任何的影响,但是在不断作业的过程中,其所面临的载荷会不断增加,当超出其所能承受的最大值时,就会发生损坏｡在进行水平井钻井的过程中,需要重点关注钻具的选择问题,如果选择钻具组合跟项目施工的要求之间存在偏差,必然会引起钻柱面临的重力持续增加,引起钻井效率的降低,钻具受到的摩擦阻力也会相应增加,甚至造成钻具的损坏｡(1)钻柱刚度因素｡针对钻柱的刚度进行一系列的研究能够发现,钢柱的强度越高,则其所具有的抵抗变形的能力也会越强,而钻井施工中摩擦阻力跟弯曲段所具有的反力之间存在正相关关联,这种情况跟水平井身段具有的曲率存在着某些关联｡而且假如在斜率较大的油气井钻井施工中私用刚性相对较大的钻柱,钻柱会不断地升起和下降,容易发生托槽的风险,使得水平井内壁跟钻柱之间形成更大的接触面积,从而使得摩擦阻力不断增加,这时候需要操作人员采取针对性的措施及时解决键槽卡钻｡(2)钻柱结构因素｡在开展钻井作业时,一般会把刚性较强的套管附件放在管串当中,从而有效的限制摩擦阻力的增加,因此钻柱的构造也是影响摩擦阻力的一个重要因素,有关人员对小套管施工的过程进行研究,结果显示,对套管串的构造开展有效的优化,依据实际作业情况将新套管附件添加到钻柱中,并依据有关进行落实,能够有效的使摩擦阻力降低｡1.2钻井轨迹因素为了促进钻井作业过程中摩擦阻力的降低,需要对钻井作业的轨迹进行科学有效的规划,从而使钻具跟水平井内壁接触所形成的面积尽量的小,促进两者之间接触力的下降,从而实现钻井摩阻降低的目标｡(1)井眼曲率半径因素｡井身的质量跟曲率半径之间具有紧密的关联,而曲率半径会对摩阻产生影响｡在井眼曲率半径相对较大的情况下,管柱形成的刚度也会不断增加,钻具跟水平井的内部面临反力带来的影响,会引起摩擦阻力的增加｡通常状况下,在开展位移较大的水平井段工程方案的设计过程中,首先要对那些对摩擦阻力存在影响的因素开展分析,假设经验曲率半径相对较大,那么管柱就会受到影响,导致管柱施工不能有序进行｡所以,在水平井设计施工过程中,要对井深剖面进行重点考虑,尽量规避井眼曲率半径在施工摩阻增加中造成的影响｡(2)地层弹性因素｡地层呈现出的地质环境条件对其所具有的弹性系数具有决定性影响,在开展水平井作业施工的过程中,地层条件会对施工的进程会产生影响,地层硬度越低,则施工的速度越快,水平井半径的扩大速度也会不断的增加;地层硬度不断提升的过程中,井壁跟钻柱之间接触点的数量也会不断变少,各个接触点都会受到反力的影响,使得钻井施工摩擦阻力变大｡地层变形量跟弹性系数到达一定的数值以后会不断的变小,这个时候地层呈现出刚性地层的特征,作业摩阻也趋向于平稳｡(3)井壁粗糙度因素｡水平井内壁的粗糙度受到各种不同类型因素的影响,包括工程项目的环境条件､地层硬度等,随着井壁粗糙度的增加,钻具跟井壁之间的摩擦系数也会不断的增加,并且钻井施工过程中的摩阻也会变大,然而水平井跟钻具所具有的摩擦系数之间的关系并非线性,因为摩擦系数对摩擦阻力产生影响的基础上,两者的接触面积以及接触位置的反力等都会使其发生变化,因此互相之间所具有的关联十分密切｡1.3钻井液因素(1)钻井液类型因素｡一般状况下,使用不同类型的钻井液,管柱的摩阻也具有很大的差别,井壁跟钻具因为应用的钻井液不同,井眼中的环境会发生很大的改变,使用空气或者气泡类型的钻井液时,钻具的速度较快,并且携砂能力和循环能力都获得提高,由于井壁和管柱之间存在空气介质,所以摩阻相对较小｡在使用油基类型钻井液时,由于其具有较强的润滑作用,钻井液的密度较小,所以摩阻也不高｡使用润滑防塌钻井液时,摩阻也很小｡因此,要选择合适的钻井液类型,避免出现卡钻的情况｡(2)钻井液性能因素｡各种类型的因素都会对钻井液的功能产生影响,然而钻井液所具有的性能可以使摩擦阻力产生变化的参数通常包括粘度､密度､泥饼质量以及切力等｡在钻井液所具有的密度相对较大时,管柱会受到内外部压力的影响紧贴在管壁上,两者的接触面积会增加,所以摩擦阻力也会相应的变大;在泥饼质量降低的过程中,井壁的稳定性也会发生一些改变,稳定性降低会引起地层中出现掉块的情况,因此管柱中如多存在大量的泥饼,就会造成其跟水平井内壁之间剩余的空间过小,造成两者接触面积不断变大的同时使得摩擦阻力出现大幅提升｡当钻井液黏度不断减小的情况下,钻井液所具有的切力也会不断降低,使得携带砂石的水平不高,许多泥沙会在管柱上发生沉积,使用较长时间以后,管柱提升和下降会出现困难｡2水平井钻井减摩技术分析2.1钻具的优化首先,要对水平井钻井的地质条件和项目施工现场的情况进行分析,对钻具进行合理的选择,使钻柱的重量尽量的小,避免因为钻柱自重过高造成的摩擦问题,这也是促进钻井摩阻下降最为重要的措施｡其次,要引入减少摩擦和阻力的具有较高专业度的工具,这类工具在大位移井以及水平井中都能够得到有效的利用,通过这种类型工具的应用不但可以有效的降低扭矩和摩擦阻力,还能够使套管跟结构之间形成的摩擦阻力降低,从而避免钻井作业过程中发生卡钻的情况,使得钻井作业的速度得到较大程度的提高｡这种类型的工具具有较高的适用性,可以在水平井钻井作业中得到充分的利用｡减少摩擦阻力工具在使用过程中发挥主要作用的部件是减摩轴承套,在内部涂抹一定厚度的薄层,外部配备多个滚轮安装槽,工程人员可以依据钻井项目的要求将滚轮安装上去,使其通过咬合有效的连接到一起,通过首尾连接的方式形成一个圆环,从而保证轴承套的稳定性,在钻井施工时受到上下受力的情况下不会出现分离或者旋转的情况｡2.2钻井轨迹的优化为了使钻井作业过程中的摩阻下降,需要对作业的轨迹开展科学有效的设计和优化,当前,信息化和大数据技术不断更新和发展,人工智能算法开始应用于水平井钻井当中｡在开展钻井轨迹的规划时,技术人员可以将其引入其中,对地层条件进行全面的分析,对其中的不可控因素进行提前的估计,利用计算机技术设计出科学合理的钻井轨迹,制定出多套钻井计划,并对其进行比较和分析,选择最为科学有效的钻井轨迹方案,从而保证钻井轨迹的科学性｡2.3合理进行钻井液的配置首先,技术人员要在实验室中进行科学的实验,选择适合钻井需求的钻井液密度,避免因为钻井液密度太大或者太小对钻井作业的速度产生影响;其次,要加强对国外先进技术的引入和学习,目前许多国外企业所应用的钻井液效果更佳,通过及时的引进和应用,不但能够使钻井作业过程中的摩擦阻力得到降低,还能够使作业的效率得到大幅提高;最后,要在钻井液中添加一定比例的润滑物质,使钻井液在应用过程中起到润滑作用,从而促进井壁和钻具之间所具有的摩擦力得到大幅降低｡参考文献:[1]吕保山.水平井钻井摩阻影响因素及减摩技术分析[J].石化技术,2021,28(10):2.[2]贾佳.临兴区块致密气水平井高摩阻影响因素及应对措施[J].录井工程,2020,31(03):5.。
石油钻井管柱摩阻扭矩计算
n Do arctan 60Va cos、 c sin a
5.3 摩阻扭矩计算的一般步骤
• 收集数据，包括：井眼轨迹测斜数据（设计轨道为分点计算数 据）、管柱组合数据（各段长度、外径、内径、接头外径、扶正 器外径、每米重量等）、泥浆密度、钻压、转速、套管下深、摩 阻系数、井眼直径等； • 将管柱组合划分为若干个微元或单元。对于软模型（或硬模型）， 可以将一个测段划成一个微元；若一个测段内管柱参数不一样， 则需要将不同的管柱分成不同的微元；对于有限元模型，需要划 分成若干个单元，单元长度不能相差太大。 • 采用摩阻扭矩递推计算公式求解，或采用有限元法求解。
T2 F W
2
5.2.4 管柱微元正压力计算
• 解上述方程组并化简，则有：
1 o R
en T1 N eb et
T2
N
Nn Nb
2
2
F
W
2 W n 2T2 W t sin W b 2
2
2
5.2.5 摩阻扭矩计算递推公式
• 按下式递推算出各段摩阻扭矩： F ：微元摩阻力，N ；
不同工况下 摩阻扭矩计算递推公式
（3）滑动钻进工况
• 管柱在井眼中仅有轴向运动，可以按下钻工况处理。
F N 最下面的单元管柱下端的轴向力T2=－WOB T1 T2 Wt F
（4）旋转钻进工况
• 管柱在井眼中有轴向运动和转动，可以按正划眼工况处理。
F a N T1 T2 Wt F M N D 2 c o
石油钻井管柱的摩阻扭矩计算
5.1 摩阻扭矩计算概述
随着水平井、大位移井等大斜度定向井的出现，摩阻扭 矩问题逐渐被人们认识和重视。 大斜度井的突出特点是水平位移较大，且大部分井段井 斜超过60°，这使得在钻进、起下钻和下套管等作业过 程中摩阻扭矩问题非常突出。
大位移井摩阻和扭矩分析及其对钻深的影响_王秀亭
引
言
响, 并对模型进行了改进。 1988 年, 何华 山以大 变形为基础, 并考虑了钻柱刚度的影响 , 提出了改 进的拉力、扭矩模型。 1992 年, 杨姝提出 的修正 模型综合考虑了井眼轨道和井眼状态, 特别考虑了 钻柱的运动状态、钻井液粘滞力和结构力的影响。 美国得克萨斯大学的 Cheng Y an 博士开发了圆管的 弯曲模型 , 该模型考虑了三维实际井眼 , 以及钻柱 的刚性影响。国外的摩阻、扭矩模型大都采用了管 柱变形曲线与井眼曲线一致的假设, 基本上能够满 足工程技术的需要。 国内 对 摩阻、扭 矩 的 研 究始 于 八五 七五 和
[ 9]
1 位移为 3 000 m 大位移井钻井和下套管过程 中的摩阻分析 利用摩阻分析软件对位移为 3 000 m 大位移井 采用水基钻井液在钻井和下套管过程中的滑动钩载、 扭矩进行了分析, 计算结果如表 2 、表 3所示。
表 2 位 移为 3 000 m 大位移井钻井过程中的摩阻分析
井眼直径 311 mm 垂深 / m 井深 / m 1 000 2 659 1 500 2 821 井眼直径 216 mm
滑动 滑动 旋转钻井 旋转钻井 井深 / 钩载 / 钩载 / 扭矩 / 钩载 / 钩载 / 扭矩 / m kN ( kN m ) kN ( kN m ) kN kN 232 364 515 583 20 9 3 459 20 8 3 621 87 230 540 582 31 2 30 1
注 : 垂深为 1 500 m 时 , 用 127 mm 钻杆和 127 mm 加重钻杆 组成倒装组合; 垂深为 1 000 m 时 , 须使用钻铤才 能保证滑动钻井 时的加压 , 大斜度段必须用 139 7 mm 钻杆才能避免屈曲失稳。
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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M R F r （2—1）式中一钻柱单元的扭矩增量，NmR—钻柱的半径，m ；F—r 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 —从钻头算起，第j个单元的上端的扭矩,N m ；M—o 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2-2F t V t F s/ V2V2 F r V r F s/ V2 V2s =F f N (2-3)(2-4)(2-5)式中 F S—钻柱单元的静摩擦力，N ;—摩擦系数；—钻柱单元对井壁的挤压力，N。
N 式中(T sin )2 (T WsinT—钻柱单元底部的轴向力，N ;W钻柱单兀在钻井液中的重量，N ；2)(2-6) 0 , —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，c『ElWasinF CRIT 2V R式中CR IT—临界弯曲载荷，lb;—杨氏模量，psi;—惯性矩，in4;W占杆在空气中的重量，lb/ft;b —浮力系数，无因次；0 —井斜角，度；—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，WOBF CRIT+W BS式中WOB—设计钻压；B W S —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a b和L W。
关键参数的求法：已知a b求L w1 CO S1 (D D a) lntg —4b—St21 cos b lntg b Sin b1cos b 1用下式计算特征参数AS t L w sin b1COS b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：L b D a atg bbD b D a alntg —4 2S b a —1— 1cos b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 （亦称最大主应力）、最大水平应力0和最小水平应力S，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S e和径向应力S R ,如下图b。
（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S。
沿周边位置变化，其大小也发生变化，且必然存在Se min和S o ma,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Se mn有关。
研究表明，在斜井中，随着井斜的增加，S e mn减小，并趋于拉应力状态，当拉伸应力So min超过岩石的抗张强度时，岩石发生破裂。
对直井e S n= 2 S H - P W- P P（1）对水平井Se min= 3S H -S V - F 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2 0，所以水平井中的S e mn总是小于直井中的S e mn，更具有拉伸性。
井壁坍塌（压缩破坏）井壁坍塌与Se max有关。
研究表明，在斜井中，随着井斜的增加，S e max也增加，且更趋于压应力状态，当Senax 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S e mxa= 2 S H - P W- P P （3）对水平井S e max= 3S v -S H - P W- P P （4）同样，水平井的S e max总是大于直井的Se max,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。