动力钻具反扭角的计算

动力钻具反扭角的计算目前常用的井底动力钻具，包括涡轮钻具和螺秆钻具，在起动以后，作用于转子上有一 个转矩Mr,此转矩超过主轴传给钻头去破碎岩石。作用于定子上有一个与Mr大小相等， 方向相反的反转矩，此反转矩将引起钻柱的扭转。但由于钻柱上端被锁在转盘上，所以，钻 柱不能自由转动，只能扭转一卜角度。这个扭转角度，在钻柱的不同截面处是不同的。紧靠 动力钻具处的钻柱断面扭转角最大（此处正是弯接头所在的位置），向上扭转角逐渐变小。这 种扭转角的方向与钻头转动方向相反。我们把紧靠动力钻具处钻柱断面的扭转角，称为动力 钻具反扭角，以Q n表示。若从井口俯视Q n是反时针方向的；当然，若从井底仰视，Q n 乃是顺时针方向的，是与钻柱丝扣的上紧方向一致的。上节我们讲了弯接头的装置角和装置方位角的计算，那是根据造斜和扭方位的需要而计 算的。可是，当动力钻具起动以后，弯接头处将产生一个反扭角Qn,这就改变了原先预定 好的弯接头方向，显然不能保证原来计算好的装置角。这就告诉我们，在给弯接头定向时， 应该考虑反扭角的影响。由此引出弯接头定向方位角的概念。定向方位角（以Q s表示）等于 装置方位角加上动力钻具反扭角，即=九+仇=+0.（3-44）定向方位角如图324 所示。一、影响反扭角的因素影响反扭角的因素很多，但大体上有如下几方面：(1) 反扭矩的大小。反钮矩Mr越大，则Q n越大。而Mr又与动力钻具本身结构性能有 关，与泥浆排量Q或泥浆压力有关，还与钻压大小以及岩性有关。这些因素在钻进中都是 经常变化的，所以Mr也是一个可能在相当大范围内变化的参数。要想确定(p s保证所需要 的Q w,就须保持排量和钻压基本上不变。(2) 钻柱尺寸的影响。钻拄尺寸包括钻柱内外的直径和长度。p n与钻柱长度成正比，而 与钻柱的断面圾惯性矩成反比。(3) 钻柱与并壁的摩擦力的影响。站住与井壁的摩擦力作用在钻柱表面上，使钻往断面 上受到一个摩擦力矩的作用。此摩擦力矩将阻止钻柱产生扭转，使反扭角p n减小。摩接力 矩越大，则p n越小。而摩擦力矩的大小，又与井斜角大小有关，与钻柱和井壁间的摩擦系 数有关。显然，这是一个更为复杂的影响因素。(4) 弯接头装置角的影响。现场经验证明，当装置角在0180范围内，反扭角将小于 正常值；当装置角在 180360范围内，反扭角将大于正常值。而且装置角对反扭角的 影响在井斜角不同的情况下也是不同的。装置角为 90和 270时，对反扭角影响最大；为 0和 180时，影响最小。由以上分析可知，要准确地算出反扭角p n是很困难的。可是，在工程上又必须确定反 扭角p n，只有确定了反扭角p n，才能计算出定向方位角p s所以，人们采取多种方法，以 求确定反扭角p n的值。二、公式法计算反扭角在我国现场上，过去使用涡轮钻具带弯接头扭方位时，多使用公式计算pn。到目前为 止，公开见于书刊上的公式有三种。这三种公式，都是对定向井的实际问题大胆地进行简化， 然后推导出计算p n的公式来。这些大胆的简化，往往同实际情况相差太远，所以，计算出 来的p n值是很难符合实际的。一种动力钻具第一次下井，没有任何资料可以借鉴，这时不妨用公式计算p n作为参考。 尽管可能不符合实际情况，但作为参考还是可以的。待有了一定的资料或经验之后，就可以 不用公式计算了。上面说有三套公式都不是准确的，所以我们只推荐一套计算较简单的公式。诙 MJ 一 呱D柱sin歹札普=7 厂-(3-46)円。柱siny式中Mt动力钻具反转矩，牛米；L井深，米；“钻柱与井壁间的摩擦系数，可取“ =0204；D柱钻杆外径，米；%单位长度钻杆在钻井液中的重力，牛/米；%当时井眼的最大井斜角，度；.G钻柱钢材剪切弹性模量，G* = 7.355 x 1O10帕；Jp钻杆断面的极惯性矩，米Lo扭转钻柱的临界长度，米。在计算0 n时，先用(346)式计算出临界长度Lo来，然后与当时的井深L比较。若 LVLo,则将L代人(345)式中计算Q n；若L三Lo,则将Lo代入(345)式中计算Q n。三、用经验数据法确定反扭角某种动力钻具在一定的并下条件下，经过一段时间的使用，积累一定的资料，可以摸 清反扭角的变化规律。在以后的使用中，只要了解井下条件，就可以借用过去的资料来确 定反扭角。表3-4 Dyna钻具反扭角经验数据表装置角斜井英尺6诃10 15。15 20。20 25 2_30 35。大于35。2000一 .851 i705030202015200070809095100 、100105105直井中的反扭角(a2都看作直井)造斜点深度英尺050050010001000150015005000大于5000反扭角2025u354501071000英尺表34所列的是美国DyNa钻具的反扭角经验数据。当装置角为95和265时， 可以直接查表中数据。当装置角为95 和265 以外的其他值时，可以使用直线插入法计算 Q n。经验数据法比起公式计算法来较为接近实际，但也不能认为就基本上符合实际。因为在 实际条件下，因素总是变化多端的。由表中查得的p n值有时也与实际相差很远。现举一例 加以说明。某井从井深500英尺开始造斜(当时并斜角1.5 )，查表可得p n=20。当钻进 至600英尺时，井斜角为3,继续增斜时，W =0，查表并经过插入计算得Q 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，这是很难想象的。所以经验 数据法的使用也与公式法相同，在某钻具第一次下井或该地区第一次使用，可以查经验数据 作为参考。待到下井钻进一段以后，就应该用资料反算法。表中数据的使用条件如下：地层软一中硬钻具2。弯接头+ 2V/钻杆+ 37/8Z/Dyna钻具2。弯接头+ 31 /钻杆+ 5/zDyna钻具2。弯接头+ 5 钻杆+ 61 Az/Dyna钻具2弯接头+ 5钻杆+ 73/4,zDyna钻具2。弯接头+ 5钻杆+ 9%Dyna钻具四、用资料反算法确定反扭角在钻进一个井段之前，我们可以根据公式计算法或经验数据法，先粗略地估计一下反 扭角。在钻进这个井段之后，能不能知道在钻进过程中实际的反钮角有多大呢?能不能检 验一下粗估的反扭角与实际相差多大呢?答案是：能。其方法就是根据实钻资料反算反扭 角。反算反扭角所需要的资料有：钻进前的井斜角a 1,井斜方位角 1,造斜工具的定向方 位角qs；钻进之后的井斜角a 2,井斜方位角2,钻进井段长度 L。资料反算法在国外(例如美国现场)也有,但他们是利用定向钻井计算尺“灵应 板”或沙尼金图解法来反算,这是不够准确的。本书作者提出用解析法进行反算,在理论 上是站得住脚的,并且已经在我国现场得到广泛应用。用解析法进行资料反算的步骤如下：(1)计算该井段的狗腿角Y，可用如下公式计算：V =arccosCcosariCOsa2 sin5 sin cos (血 一 0i)(3-47)(2)计算造斜工具的实际装置角。实在增斜时：s实 mrcsin越叫器2J(3-48)在减斜时：3实=180。- arc sin包噹瞥-(3 49)(3 )计算实际反扭角九实0实=, -(f i - cd实(3-50)一个井段已钻完,根据实钻资料反算反扭角,这有什么实际意义呢?首先,大量积累这类实钻资料,可以从中找出反扭角的变化规律,从而进一步修正、丰 富、完善经验数据法,使粗估的反扭角更为准确。其次,根据实钻资料反算出来的反扭角值, 对于紧接着的钻进井段具有最现实的意义。因为紧接着钻进时,钻具结构末变,井眼条件变 化不大,钻进参数也可以维持不变。这样,从上段资料反算的反扭角,用在下段钻进时确定 定向方位角,这比公式法和经验数据法都更为准确,更符合实际情况。在实际工作中,如果扭方位井段较长,可以先试钻一个单根,摸一下反扭角的大小,然 后调整定向方位角。这是比较好的作法。总而言之,本书所述的资料反算法是值得推荐的一 种好方法。现举例题说明资料反算法的方法：例10某定向井井深已达2400米，井底井斜角为28 40,井斜方位角为165。现 打算用代纳钻具(Dyna Drill)带2弯接头扭方位，弯接头的定向方位角定为143。钻进180 米以后,测斜得井底井斜角为31 15,井斜方位角为137。试求这种造斜工具的实际造 斜率及动力钻具的实际反扭角。解 井斜方位角增量 N0 = 137 - 165 = - 28所钻井段的狗腿角V = cos_1Ccos28040/cos3115/ + sin2840/sin31O15Zx cos( -28)= 14.10,造斜工具的造斜率 K =弓;=隽=7.83度/100米 弯接头的实际装置角实=血珂也篇觀汽X=-88.07 =271.93动力钻具的实际反扭角 九实=143c - 165 - ( - 88.07)= 66.07。例 11 某定向井钻至 1500 米时，井底井斜角为 22，并斜方位角为 150。用 DyNa 钻具带弯接头扭方位，确定弯接头装置角为279，并预计动力钻具反扭角为72，所以弯 接头的定向方位角定为150十279十72=1 41。当钻至1665. 72米时，用单点测斜 仪测得井底井斜角为25，井斜方位角为118。试求动力钻具实际的反钮角为多大。解 /0 二 118 - 150 = - 32*实=cos_lCcos250cos22 + sin25sin22cos( - 32)=12.953 实=sin1厂 sin25 sin (-32)、“ “.。一血1応95。J = 88-16 _27184九实=141 -150-( -88.16) = 79.16例12 某定向井用国产新型螺杆钻具带弯接头扭方位，自井深2150.22米钻至2195.43 米，定向方位角定为236。钻进结果使井斜角由39降至37.5，井斜方位角由77增 至83。试求该动力钻具的实际反扭角。解 y = cosCOS39COS37.5。+ sin390sin 37.50cos( 830 - 77)二400,一“。 sin(83-77o)sin37,51A实= 180 _gm | IJ114J90n实= 236。一 77-114.19 = 44.81除了上述三种方法以外，现在已经有了更为准确的方法，这就是随钻测斜法。显然， 这 需要有随钻测斜仪器。有了随钻测斜仪，可以在动力钻具起动之后，随时显示出弯接头在井 下实际所指的方位角。也就不需要这些复杂的计算了。