【文章內(nèi)容簡介】 向上計(jì)算。若要知道鉆柱上某點(diǎn)的扭矩或摩阻力，只要把這點(diǎn)以下各單元的扭矩和摩阻力分別疊加，再分別加上鉆柱底部的已知力。 ⑴ 鉆柱扭矩的計(jì)算 在斜井段中取一鉆柱單元，其受力狀態(tài)單元所處的井斜角和方位角分別為θ和φ，單元鉆柱底部的扭矩為 M，拉力 T。 該單元的扭矩增量為 rRFM?? （ 31） 式中 M? — 鉆柱單元的扭矩增量， N m。 R — 鉆柱的半徑， m。 rF — 鉆柱單元與井壁間的周向摩檫力， N 中國石油大學(xué)（華東）成人 (網(wǎng)絡(luò) )教育畢業(yè)論文 9 該單元上端的扭矩為 （ 32） 式中 jM — 從鉆頭算起，第 j 個(gè)單元的上端的扭矩， N m。 oM — 鉆頭扭矩（起下鉆時(shí)為零）， N m； iM? — 第 i 段的扭矩增量， N m。 ⑵鉆柱摩阻力的計(jì)算（轉(zhuǎn)盤鉆） 轉(zhuǎn)盤鉆進(jìn)時(shí)，鉆柱既有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，又有沿井眼軸向運(yùn)動(dòng)，因此，鉆柱表面某點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)為螺線運(yùn)動(dòng)。在斜井段中取一鉆柱單元，如圖 31。圖 31 中， V 為鉆柱表面 C 點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度， Vt和 Vr 分別為 V 沿鉆柱軸向和周向的速度分量； F 為 C 點(diǎn)處鉆柱所受井壁的摩擦力，其方向與 V 相反；Ft， Fr 分別為 F 沿鉆柱軸向和周向的摩擦力的分量，即鉆柱的軸向摩擦力和周向摩擦力。 圖 31鉆柱摩阻力 由圖 31 可知： C Fr F Ft Vr Vt V ?? ??? ji ioj MMM 1中國石油大學(xué)（華東）成人 (網(wǎng)絡(luò) )教育畢業(yè)論文 10 VVFVF rtstt 22/ ?? (33) VVFVF rtsrr 22/ ?? (34) 22 rt FFF ?? (35) fNFS ? (36) 式中 SF — 鉆柱單元的靜摩擦力， N； f — 摩擦系數(shù)； N — 鉆柱單元對井壁的擠壓力， N。 減小管柱扭矩和摩阻的措施 為減小管柱在大位移井中的扭矩和摩阻，在大位移井的設(shè)計(jì)與施工中要采取各種必要的措施。 (1)優(yōu)化井身剖面 選擇管柱摩阻最小的井身剖面。 (2)增強(qiáng)鉆井液的潤滑性 許多大位移井采用油基鉆井液，油水比越大，鉆井液的潤滑性越好。 (3)優(yōu)化鉆柱設(shè)計(jì) 鉆柱設(shè)計(jì)包括底部鉆具組合設(shè)計(jì)和鉆桿設(shè)計(jì)。在大 位移井中一般使用高強(qiáng)度薄壁鉆桿，以減少扭矩和摩阻。對底部鉆具組合（ BHA），尺寸越大，鉆柱的扭矩和摩阻也越大，這并不利于大位移井的鉆進(jìn)，所以在保證鉆壓需要的前提下應(yīng)使底部鉆具組合的尺寸盡量減小。 (4)使用降扭矩工具 中國石油大學(xué)（華東）成人 (網(wǎng)絡(luò) )教育畢業(yè)論文 11 使用不轉(zhuǎn)動(dòng)的鉆桿護(hù)箍 和減摩接頭 可有效地減小扭矩。 （ 5） 使用滾輪式套管扶正器 使常規(guī)的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦。 （ 6）漂浮法下套管 國外應(yīng)用漂浮法下套管技術(shù)，可降低套管的摩阻。這種技術(shù)的原理是在套管內(nèi)全部或部分地充滿空氣，通過降低套管在井內(nèi)的重量來降低套管的摩阻。用的較多的是部分充氣，這種方法可 使套管的法向力大大降低。 （ 7）提高地面設(shè)備的功率 （ 8）使用頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 起下鉆時(shí)可適當(dāng)旋轉(zhuǎn)鉆柱，改變摩阻方向 (倒劃眼時(shí)要特別謹(jǐn)慎 ) [10]. 鉆柱設(shè)計(jì)包括底部鉆具組合設(shè)計(jì)和鉆桿設(shè)計(jì)。在大位移井中一般使用高強(qiáng)度薄壁鉆桿，以減少扭矩和摩阻。對底部鉆具組合（ BHA），尺寸越大，鉆柱的扭矩和摩阻也越大，這并不利于大位移井的鉆進(jìn)，所以在保證鉆壓需要的前提下應(yīng)使底部鉆具組合的尺寸盡量減小 [8]。 鉆柱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮的因素 （ 1）盡量減小壓差卡鉆的可能性； （ 2） 使用螺旋鉆鋌和螺旋扶正器，以增大環(huán)空間隙和減少鉆柱與井壁直接的接觸面積 （ 3）盡量減少絲扣連接的數(shù)量； （ 4）采用井下可調(diào)穩(wěn)定器； （ 5）盡量減少在大斜度井段使用加重鉆桿的數(shù)量 ； （ 6）選用高強(qiáng)度鉆桿，使之具有足夠的抗扭轉(zhuǎn)力和抗磨能力； （ 7）給鉆頭施壓時(shí)盡量不使鉆桿發(fā)生彎曲。 中國石油大學(xué)（華東）成人 (網(wǎng)絡(luò) )教育畢業(yè)論文 12 鉆壓設(shè)計(jì) 大位移井的鉆柱設(shè)計(jì)主要是鉆壓設(shè)計(jì)。在直井段底部和彎曲井段，鉆柱的彎曲是不可避免的。在斜井段，可通過底部鉆具的足夠重量給鉆頭施加足夠的鉆壓來避免鉆柱的彎曲。為減少鉆柱的扭矩和摩阻，在大位移井中底部鉆具組合可部分的或全部 的使用加重鉆桿施加鉆壓。 若用常規(guī)鉆桿對鉆頭施加鉆壓，要考慮鉆桿的彎曲問題。設(shè)計(jì)的原則是鉆桿某點(diǎn)受到的壓力載荷，不應(yīng)超過鉆桿的臨界彎曲載荷。在大斜度井中，井斜角有利于鉆桿的穩(wěn)定性，所以鉆桿在直井中的臨界彎曲載荷適用于大斜度井。在直井中，鉆桿的臨界彎曲載荷用下式計(jì)算， （ 37） 式中 FCRIT — 臨界彎曲載荷 ， lb； E — 楊氏模量 ， psi； I — 慣性矩 ， in4； W — 鉆桿在空氣中的重量 ， lb/ft； BK — 浮力系數(shù)，無因次 ； ? — 井斜角 ，度； R — 鉆桿和井眼間的徑向間隙 ， in 上式提供了加重 鉆桿在直井中施加鉆壓 的限制范圍。鉆桿所受的壓力與上式計(jì)算的臨界彎曲載荷相比，可以確定鉆桿是否發(fā)生彎曲，如果發(fā)生彎曲，則要降低鉆壓，或更換具有更大的臨界彎曲載荷的鉆桿。 如上所述，鉆桿所能施加的鉆壓可由下式確定， RE IW KF BC R I T ?s i n2?中國石油大學(xué)（華東）成人 (網(wǎng)絡(luò) )教育畢業(yè)論文 13 BSC R IT WFW O B ?? (38) 式中 WOB — 設(shè)計(jì)鉆壓； BSW — 鉆桿的浮重。 軌道設(shè)計(jì)的原則 ： 大位移井軌道設(shè)計(jì)，要求對所有參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，盡量降低井眼對管柱的扭矩和摩阻，提高管柱和測量工具的下入能力，并能盡量增大大位移井的延伸距離 [8]。 國外大位移井 井身剖面的主要類型： （ 1）增斜 — 穩(wěn)斜剖面 。 這種剖面的造斜率低，井斜角及測深增幅緩慢，但可降低鉆柱的扭矩、摩阻和套管的磨損。 （ 2）小曲率造斜剖面 。 這種剖面的特點(diǎn)是造斜點(diǎn)較深，井斜角大，能降低扭矩和摩阻，而且隨目標(biāo)深度的增加，旋轉(zhuǎn)扭矩的增幅較小。 （ 3）準(zhǔn)懸鏈線剖面 。 準(zhǔn)懸鏈線剖面有許多優(yōu)點(diǎn)，它不但對管柱的扭矩和摩阻低（鉆柱與井壁之間的接觸力近似為零），而且使套管的下入重量增加。目前這種剖面在大位移井中廣為應(yīng)用 [8]。 石油大學(xué)的韓志勇教授在準(zhǔn)懸鏈線剖面的基礎(chǔ)上提出了側(cè)位懸鏈線剖面的設(shè)計(jì)方法，這種剖面比準(zhǔn)懸鏈 線剖面的扭矩和摩阻小 。 影響大位移井井壁不穩(wěn)定的因素 （ 1）狹窄的鉆井液密度范圍 一般來講，當(dāng)井眼傾角增加時(shí)，鉆井液要提供足夠大的壓力來防止井壁坍塌。與此同時(shí)，井壁出現(xiàn)裂縫的可能性也增加了。簡言之，防止井壁中國石油大學(xué)（華東）成人 (網(wǎng)絡(luò) )教育畢業(yè)論文 14 坍塌的鉆井液密度范圍較小。 （ 2）當(dāng)量循環(huán)密度高（ ECD） 大位移井井眼長，鉆井液循環(huán)時(shí)環(huán)空壓降大，而鉆井液密度工作范圍窄，高的當(dāng)量循環(huán)密度容易達(dá)到井壁的破裂壓力，而使井壁破裂。 （ 3）抽吸壓力和激動(dòng)壓力在大位移井中，由于狹窄的鉆井液密度范圍，井壁對抽吸壓力和激動(dòng)壓力相當(dāng)敏感，可 能導(dǎo)至井壁坍塌或破裂。 （ 4）時(shí)間關(guān)系井壁在低密度泥漿中長期侵泡，特別是水基鉆井液的情況 下，非穩(wěn)定性尤為明顯，常常會(huì)造成許多井下事故 （ 5）化學(xué)反應(yīng)鉆井液和地層間的化學(xué)作用也影響井壁穩(wěn)定性，水基鉆井 液和油層上部的泥頁巖經(jīng)常發(fā)生強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)，泥頁巖膨脹 造成縮徑或井壁坍塌 [7]。 井壁穩(wěn)定性機(jī)理 （ 1）井眼（井壁）應(yīng)力 原始地應(yīng)力分為三項(xiàng)主應(yīng)力，即上復(fù)應(yīng)力 Sv（亦稱最大主應(yīng)力）、最大水平應(yīng)力 SH 和最小水平應(yīng)力 Sh， 打開井眼之后，原始地應(yīng)力消失，而沿井壁重新分布，即平行于井眼軸線的應(yīng)力 SZ、周向應(yīng)力 Sθ和 徑向應(yīng)力SR,如下圖 32。 圖 32地應(yīng)力變化圖 （ 2）巖石的破壞 Sv SH SZ SR Sθ Sh 中國石油大學(xué)（華東）成人 (網(wǎng)絡(luò) )教育畢業(yè)論文 15 1）壓縮破壞當(dāng)作用于巖石上的壓力大于巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生壓縮破壞。 2）拉伸破壞當(dāng)作用于巖石的拉力大于巖石的抗拉強(qiáng)度時(shí)產(chǎn)生拉伸破壞 .(巖石力學(xué)規(guī)定壓應(yīng)力為正，拉伸應(yīng)力為負(fù)。 ) （ 3）巖石的破壞在井筒內(nèi)的表現(xiàn)形式 1）巖石的壓縮破壞在井筒內(nèi)表現(xiàn)為井壁坍塌。 2）巖石的拉伸破壞在井筒內(nèi)表現(xiàn)為井壁破裂。 （ 4）大位移井眼的不穩(wěn)定性。 隨著井斜的增加，井壁的不穩(wěn)定性增加。井眼由 垂直變?yōu)樗健?其應(yīng)力狀態(tài)的變化如下圖 33 圖 33應(yīng)力變化圖 大位移井同其它類型井一樣，好的井眼清洗和凈