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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。
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