石油定向井施工动力钻具反扭角的计算.docx
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石油定向井施工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φn表示。
若从井口俯视φn是反时针方向的;当然,若从井底仰视,φn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φn,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φs表示)等于装置方位角加上动力钻具反扭角,即
定向方位角如图3—24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φn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φs保证所需要的φw,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。
φn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φn减小。
摩接力矩越大,则φn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0—180°范围内,反扭角将小于正常值;当装置角在180°—360°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φn是很困难的。
可是,在工程上又必须确定反扭角φn,只有确定了反扭角φn,才能计算出定向方位角φs所以,人们采取多种方法,以求确定反扭角φn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φn。
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φn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φn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φn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。
在计算φn时,先用(3—46)式计算出临界长度Lo来,然后与当时的井深L比较。
若
L<Lo,则将L代人(3—45)式中计算φn;若L≥Lo,则将Lo代入(3—45)式中计算φn。
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φn。
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φn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φn=20°。
当钻进至600英尺时,井斜角为3°,继续增斜时,ω=0°,查表并经过插入计算得φn=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—中硬
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α1,井斜方位角φ1,造斜工具的定向方
位角φs;钻进之后的井斜角α2,井斜方位角φ2,钻进井段长度ΔL。
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γ,可用如下公式计算:
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(DynaDrill)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。
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°=l4l°。
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l18°。
试求动力钻具实际的反钮角为多大。
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。
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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