石油定向井施工動(dòng)力鉆具反扭角的計(jì)算

1、動(dòng)力鉆具反扭角的計(jì)算動(dòng)力鉆具反扭角的計(jì)算目前常用的井底動(dòng)力鉆具， 包括渦輪鉆具和螺稈鉆具，在起動(dòng)以后，作用于轉(zhuǎn)子上有一個(gè)轉(zhuǎn)矩 Mr，此轉(zhuǎn)矩超過(guò)主軸傳 給鉆頭去破碎巖石。作用于定子上有一個(gè)與Mr大小相等，方向相反的反轉(zhuǎn)矩，此反轉(zhuǎn)矩將引起鉆柱的扭轉(zhuǎn)。但由于鉆 柱上端被鎖在轉(zhuǎn)盤(pán)上，所以，鉆柱不能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，只能扭轉(zhuǎn) 一卜角度。這個(gè)扭轉(zhuǎn)角度，在鉆柱的不同截面處是不同的。 緊靠動(dòng)力鉆具處的鉆柱斷面扭轉(zhuǎn)角最大（此處正是彎接頭所在的位置），向上扭轉(zhuǎn)角逐漸變小。 這種扭轉(zhuǎn)角的方向與鉆頭 轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反。我們把緊靠動(dòng)力鉆具處鉆柱斷面的扭轉(zhuǎn)角， 稱(chēng)為動(dòng)力鉆具反扭角，以 $ n表示。若從井口俯視 $ n是反 時(shí)針?lè)较虻?/p>

2、；當(dāng)然，若從井底仰視，$ n乃是順時(shí)針?lè)较虻模桥c鉆柱絲扣的上緊方向一致的。上節(jié)我們講了彎接頭的裝置角和裝置方位角的計(jì)算，那是根據(jù)造斜和扭方位的需要而計(jì)算的。可是，當(dāng)動(dòng)力鉆具起動(dòng) 以后，彎接頭處將產(chǎn)生一個(gè)反扭角$ n,這就改變了原先預(yù)定好的彎接頭方向，顯然不能保證原來(lái)計(jì)算好的裝置角。這 就告訴我們，在給彎接頭定向時(shí)，應(yīng)該考慮反扭角的影響。由此引出彎接頭定向方位角的概念。定向方位角（以$s表示）等于裝置方位角加上動(dòng)力鉆具反扭角，即也十（3-44）11定向方位角如圖324所示一、影響反扭角的因素影響反扭角的因素很多，但大體上有如下幾方面：(1) 反扭矩的大小。反鈕矩Mr越大，則$ n越大。而Mr又

3、與動(dòng)力鉆具本身結(jié)構(gòu)性能有關(guān)，與泥漿排量Q或泥漿壓力有關(guān)，還與鉆壓大小以及巖性 有關(guān)。這些因素在鉆進(jìn)中都是經(jīng)常變化的，所以 Mr也是一個(gè)可能在相當(dāng)大范圍內(nèi)變化的 參數(shù)。要想確定$ s保證所需要的$w，就須保持排量和鉆壓基本上不變。(2) 鉆柱尺寸的影響。鉆拄尺寸包括鉆柱內(nèi)外的直徑和長(zhǎng) 度。$n與鉆柱長(zhǎng)度成正比，而與鉆柱的斷面圾慣性矩成反 比。(3) 鉆柱與并壁的摩擦力的影響。站住與井壁的摩擦力作 用在鉆柱表面上，使鉆往斷面上受到一個(gè)摩擦力矩的作用。此摩擦力矩將阻止鉆柱產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，使反扭角$ n減小。摩接力矩越大，則$ n越小。而摩擦力矩的大小，又與井斜角大 小有關(guān)，與鉆柱和井壁間的摩擦系數(shù)有關(guān)。顯

4、然，這是一個(gè) 更為復(fù)雜的影響因素。(4) 彎接頭裝置角的影響。現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)證明，當(dāng)裝置角在0180。范圍內(nèi)，反扭角將小于正常值； 當(dāng)裝置角在180° 360 °范圍內(nèi)，反扭角將大于正常值。而且裝置角對(duì)反扭角的影響在井斜角不同的情況下也是不同的。 裝置角為90°和 270°時(shí)，對(duì)反扭角影響最大； 為0°和180°時(shí)，影響最小。由以上分析可知，要準(zhǔn)確地算出反扭角$ n是很困難的?？墒?，在工程上又必須確定反扭角$ n,只有確定了反扭角$ n,才能計(jì)算出定向方位角 $ s所以，人們米取多種方法， 以求確定反扭角$ n的值。二、公式法計(jì)算反扭角在我

5、國(guó)現(xiàn)場(chǎng)上，過(guò)去使用渦輪鉆具帶彎接頭扭方位時(shí)，多使用公式計(jì)算$ n。到目前為止，公開(kāi)見(jiàn)于書(shū)刊上的公式有三種。這三種公式，都是對(duì)定向井的實(shí)際問(wèn)題大膽地進(jìn)行簡(jiǎn) 化，然后推導(dǎo)出計(jì)算$ n的公式來(lái)。這些大膽的簡(jiǎn)化，往往同實(shí)際情況相差太遠(yuǎn)，所以，計(jì)算出來(lái)的$ n值是很難符合實(shí)際的。一種動(dòng)力鉆具第一次下井，沒(méi)有任何資料可以借鑒，這時(shí)不妨用公式計(jì)算$ n作為參考。盡管可能不符合實(shí)際情況， 但作為參考還是可以的。待有了一定的資料或經(jīng)驗(yàn)之后，就 可以不用公式計(jì)算了。上面說(shuō)有三套公式都不是準(zhǔn)確的，所以我們只推薦一套計(jì) 算較簡(jiǎn)單的公式。(3-45)18Q M丄-承£治八*血守仇二C片(3-46)r2Mt式中

6、Mr動(dòng)力鉆具反轉(zhuǎn)矩*牛米？L 一井深，米鼻M鎧柱與井壁間的摩擦系數(shù)，可取尹=0認(rèn)一0.右。柱一鉆桿外徑，米F久單往長(zhǎng)度鉆桿在鉆井液中的重力，半/米；入當(dāng)時(shí)井眼的最大井斜角.度$&一鉆柱鋼材剪切彈性模蜃，C = ?.355xi0lff帕$匚鉆桿斷面的扱慣性矩，米S扭轉(zhuǎn)鉆柱杓臨界畏度*總Lo來(lái)，然在計(jì)算$ n時(shí)，先用(346)式計(jì)算出臨界長(zhǎng)度 后與當(dāng)時(shí)的井深L比較。若L v Lo，則將L代人(345)式中計(jì)算$ n；若L > Lo，則將 Lo代入(345)式中計(jì)算$ n。三、用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法確定反扭角某種動(dòng)力鉆具在一定的并下條件下，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用，積累一定的資料，可以摸清反扭角的變化

7、規(guī)律。 在以后的使用中，只要了解井下條件，就可以借用過(guò)去的資料來(lái)確定反扭角。* 3-4 Dy鉆具反扭倉(cāng)煙嗟致?lián)硎┝宵c(diǎn)聲團(tuán)英尺050050010001000*101150&5000大Tsm反 fil如25v3515»a:表34所列的是美國(guó)DyNa鉆具的反扭角經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。當(dāng) 裝置角為95°和265°時(shí)， 可以直接查表中數(shù)據(jù)。當(dāng)裝置角為95°和265。以外的其他值時(shí)，可以使用直線(xiàn)插入法計(jì)算$ n。經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法比起公式計(jì)算法來(lái)較為接近實(shí)際，但也不能認(rèn)為就基本上符合實(shí)際。因?yàn)樵趯?shí)際條件下，因素總是變化多 端的。由表中查得的 $ n值有時(shí)也與實(shí)際相差很遠(yuǎn)?，F(xiàn)舉

8、一 例加以說(shuō)明。某井從井深500英尺開(kāi)始造斜（當(dāng)時(shí)并斜角1.5° ），查表可得$ n= 20 °。當(dāng)鉆進(jìn)至600英尺時(shí)，井斜角 為3°，繼續(xù)增斜時(shí)，3= 0°,查表并經(jīng)過(guò)插入計(jì)算得 $ n =50°前后井深只差100英尺，并斜角只差1.5°。而反扭角相差30°,這是很難想象的。所以經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法的使用也與 公式法相同，在某鉆具第一次下井或該地區(qū)第一次使用，可 以查經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù) 作為參考。待到下井鉆進(jìn)一段以后，就應(yīng)該用資料反算法。 表中數(shù)據(jù)的使用條件如下：地層軟一中硬鉆具彎接頭+ "/鉆桿卡3/Dy豳鉆具2°彎接頭

9、+ 31/鉆桿+ 5y/Dyna鉆具2。彎接頭+ 4】/鉆桿+刖/Dy陰鉆具 曠彎接頭+ 73/?Dyna鉆具2°彎接頭+ 5"鉆桿十97/zDyna鉆具四、用資料反算法確定反扭角在鉆進(jìn)一個(gè)井段之前，我們可以根據(jù)公式計(jì)算法或經(jīng)驗(yàn)數(shù) 據(jù)法，先粗略地估計(jì)一下反 扭角。在鉆進(jìn)這個(gè)井段之后，能不能知道在鉆進(jìn)過(guò)程中實(shí)際 的反鈕角有多大呢？能不能檢 驗(yàn)一下粗估的反扭角與實(shí)際相差多大呢？答案是：能。其方法就是根據(jù)實(shí)鉆資料反算反扭 角。反算反扭角所需要的資料有：鉆進(jìn)前的井斜角a 1,井斜方位角01，造斜工具的定向方位角0 S；鉆進(jìn)之后的井斜角a 2,井斜方位角0 2,鉆進(jìn)井段 長(zhǎng)度 L。資

10、料反算法在國(guó)外(例如美國(guó)現(xiàn)場(chǎng))也有，但他們是利用定 向鉆井計(jì)算尺 “靈應(yīng) 板”或沙尼金圖解法來(lái)反算，這是不夠準(zhǔn)確的。本書(shū)作者提 出用解析法進(jìn)行反算，在理論 上是站得住腳的，并且已經(jīng)在我國(guó)現(xiàn)場(chǎng)得到廣泛應(yīng)用。用解析法進(jìn)行資料反算的步驟如下：(1)計(jì)算該井段的狗腿角Y ,可用如下公式計(jì)算：V arccofiCcosa j COSa； -+*ainai sin OaCOS(3*47>(2 )計(jì)算造斜工具的實(shí)際裝置角實(shí)裡増敘時(shí)a實(shí) arc sin血(3-48)在減斜時(shí)；實(shí)=1的"嵐祐in叱龍書(shū)也一(3-49)*Is sin? >(3 )；k算實(shí)際反扭角札實(shí)0,男=+ 0 j 一實(shí)(

11、3-50)一個(gè)井段已鉆完，根據(jù)實(shí)鉆資料反算反扭角， 這有什么實(shí) 際意義呢？首先，大量積累這類(lèi)實(shí)鉆資料，可以從中找出反扭角的 變化規(guī)律，從而進(jìn)一步修正、豐富、完善經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法，使粗 估的反扭角更為準(zhǔn)確。其次，根據(jù)實(shí)鉆資料反算出來(lái)的反扭 角值，對(duì)于緊接著的鉆進(jìn)井段具有最現(xiàn)實(shí)的意義。因?yàn)榫o接 著鉆進(jìn)時(shí)，鉆具結(jié)構(gòu)末變，井眼條件變化不大，鉆進(jìn)參數(shù)也 可以維持不變。這樣，從上段資料反算的反扭角，用在下段 鉆進(jìn)時(shí)確定定向方位角，這比公式法和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)法都更為準(zhǔn) 確，更符合實(shí)際情況。在實(shí)際工作中，如果扭方位井段較長(zhǎng)，可以先試鉆一個(gè)單 根，摸一下反扭角的大小，然后調(diào)整定向方位角。這是比較 好的作法?？偠灾緯?shū)所

12、述的資料反算法是值得推薦的 一種好方法?，F(xiàn)舉例題說(shuō)明資料反算法的方法：例10某定向井井深已達(dá) 2400米，井底井斜角為 28° 40',井斜方位角為165 °?，F(xiàn)打算用代納鉆具(Dyna Drill) 帶2°彎接頭扭方位，彎接頭的定向方位角定為143°。鉆進(jìn)180米以后，測(cè)斜得井底井斜角為31 ° 15 '，井斜方位角為137 °。試求這種造斜工具的實(shí)際造斜率及動(dòng)力鉆具的實(shí)際反扭角。解 井斜方位角增14= 137D - 165P= - 28°所鉆井段的殉腿角 V工cas-ycos?站4LCQS31XP + &

13、#163;in28蔦F血315x cas( -2ftQ)3= 1MO°ir造斜工具的造斜率K = -匯廠；話(huà)繫-7禱3度/10O來(lái)彎接頭的實(shí)際裝置角實(shí)二如鯉二盔曙泊工-88,07° -271,93°動(dòng)力鉆具的實(shí)際反扭角 氛實(shí)=143 16肝-(-馳廠266*07°例11某定向井鉆至1500米時(shí)，井底井斜角為22°,并 斜方位角為150°。用DyNa鉆具帶彎接頭扭方位，確定彎 接頭裝置角為279。，并預(yù)計(jì)動(dòng)力鉆具反扭角為72 °，所以彎接頭的定向方位角定為150。十279。十72°= 141。當(dāng)鉆至1665. 72米

14、時(shí)，用單點(diǎn)測(cè)斜儀測(cè)得井底井斜角為25°,井斜方位角為118 °。試求動(dòng)力鉆具實(shí)際的反鈕角為多大。解力0 = 11站一 15廣=-32 3書(shū)宴=cos-1Ccxjs25&cos22o 十 sin25°sin22°cos( - 32°>J= 12.95°_ r sin25°sin( -3站八 gm 臥12；甬L=me =271.34札實(shí)=141° - 150° - ( - 88*16.° ) = 79.16*例12某定向井用國(guó)產(chǎn)新型螺桿鉆具帶彎接頭扭方位，自井深2150.22米鉆至2195.43米，定向方位角定為 236 °。 鉆進(jìn)結(jié)果使井斜角由 39°降至37.5°，井斜方位角由 77° 增至83°。試求該動(dòng)力鉆具的實(shí)際反扭角。解卩二 gs"C0S3曠COS3九5。+ 血139*1113九5°心(83” - 77c )3= 4.00f實(shí)=180°