钻具摩阻与扭矩(仅供参考)
丛式水平井组 钻井能力摩阻扭矩
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水平井钻柱摩阻、摩扭分析
水平井钻柱摩阻、摩扭分析张宗仁一、文献调研与综述在水平井中，由于重力的作用，钻具总是靠着井壁（或套管）的，其接触面积就比直井大很多所产生的摩擦力和扭矩将会大大的增加。
对管柱的摩擦阻力和轴向拉力研究计算，保证钻井管柱（钻柱或则套管，油管）的顺利上提和下放。
如今，国内外已经有很多关于磨阻计算的力学模型，主要分为两大类：一类为柔杆模型，另一类为柔杆加刚性模型。
1．1约翰西克柔杆模型：约翰西克(Johansick)在1983年首次对全井钻柱受力进行了研究，为了研究的方便，在研究过程中.他作了以下几点假设: (1)钻柱与井眼中心线一致； (2)钻柱与井壁连续接触:(3)假设钻柱为一条只有重量而无刚性的柔索； (4)忽略钻柱中剪力的存在:(5)除考虑钻井液的浮力外忽略其他与钻井液有关的因素。
在此假设条件下，建立了微单元力学模型，根据单元的力学平衡，推导出如下的拉力、扭矩计算公式:1222cos [(sin )(sin )]t T W NM NrN T T W αμμθααα∆=±∆==∆+∆+式中：T:钻柱单元下端的轴向拉力，N ； Mt:钻柱扭矩，N.m ；N:钻柱与井壁的接触正压力，N ； W:钻柱在钻井液中的重量，N ； u:钻柱与井壁的摩擦系数； r:钻柱单元半径；a,△a,△θ:平均井斜角，井斜角增量，方位角增量;起钻时取“+”，下钻时取“-”。
1．2二维模型:Maida 等人对拉力、扭矩进行了平面和空间的分析，建立了应用于现场的二维和三维的数学模型。
他建立的二维模型和三维模型如下:111211111**[(1)(sin sin )2(cos cos )]1exp[()](exp[()](Ai Ai B i i B i i BB i i B i i i i i qRF A F C a A a C a A a A a a A a a l l a a μμμμμ-------=+--+-+=-=---i 起钻)下钻)R=式中B μ为摩擦系数，li 计算点井深，FAi 为计算点轴向载荷，C1、C2为符号变量，其取值由表1-1给出：1111()()()()[()][()*()()*()()*()arccos[cos()*sin *sin cos *cos ]24()()(1)1Au B s N N b u b p i i i i i i i i s F q l C l q l dlq l q l q l q l q l q b l q l q p l l l R a a a a C l l μμθθγππ----=±=+===-=-+=-+式中u(l) , b(1) , p(1)分别为计算单元井段切线、副法线和主法线方向向量。
钻具扭矩、重量计算参考标准
95.2-107.9 120.6
142.9-171.4 190.5-222.2 241.3-342.9 374.6-444.5 508-660.4
上扣扭矩
KN.m 2.4-3.7 4.2-6.9 7.1-11.5 17-26.4 50.3-57.5 65.5-86.1
空气中重 量kn 0 0 0 0 0 0 0
长度m
空气中重 加重钻杆 量kn 外/内径
长度m
1746.3 506.427 127/76 208.49
0
89/52.4
0
0
0
0
0
0
0
40 14 18 29.6
空气中重 量kn
145.943 0 0 0 0 0 0 0 0
228/72 203/72 178/72 178/57.2 165/72 165/57.2 159/72 159/57 127/57.2 120/51 89/38.1
牙轮钻头 上扣扭矩
外径
KN.m
95.2-107.9 120.6
142.9-171.4 190.5-222.2 241.3-342.9 374.6-444.5 508-660.4
4.1-4.7 6.1-7.5 9.5-12.2 16.3-21.7 38-43.4 46.1-54.2 54.2-81.3
0
197
0
172
16.2384 165
0
120
0
95
0
89
0
长度m 0
0 8.97
空气中重 量kn 0 0 0
10.4949 0 0 0 0
0 0
224
65
210
钻具的受力分析
五、水平井钻具的受力分析水平井钻具的受力分析是一个比较复杂的力学问题，在水平井摩阻与扭矩分析和计算的基础上，我们可以定性的分析在一定井眼条件和一定钻井参数情况下，不同钻具组合对井眼轨迹控制的能力。
钻柱与井壁产生的摩阻和扭矩, 用滑动摩擦理论计算如下:Ｆ ＝μ×ＮＴr ＝μ×Ｎ×Ｒ式中:Ｆ 一 摩擦力μ 一 摩擦系数Ｎ 一 钻柱和井壁间的正压力Ｒ 一 钻柱的半径Ｔr 一 摩擦扭矩从上式可以看出，μ 和 N 是未知数，通过大量现场数据的回归计算求出：μ＝0.21（钻柱与套管）μ＝0.28～0.3（钻柱与裸眼）同时我们对正压力也进行了分析和计算。
1、 正压力大小的计算(1) 弯曲井眼内钻具重量和井眼曲率引起的正压力Ｎ1现有的摩阻和扭矩计算模式是根据"软绳"假设建立起来的，即钻具的刚度相对于井眼曲率可忽略不计．设一弯曲井眼上钻柱单位长度的重量为Ｗ，两端的平均井斜角为Ｉ，两端的平均方位角为 A 。
如果假定Ｙ轴在垂直平面内,•Ｘ轴在侧向平面内,把Ｎ1沿Ｘ和Ｙ轴分解,则: Ｎ1y=Ｔ×sin Ｉ + Ｗ×sin ＩＮ1x=Ｔ×sin Ａ×sin Ｉ(2) 钻柱弯曲产生的弯曲正压力Ｎ2钻柱通过弯曲井段时,由于钻柱的刚性和钻柱的弯曲,便产生了一种附加的正压力Ｎ2。
如图所示:Ｒ ＝ 18000/Ｋ/pi (m)Ｌ ＝ Ｒ×2×ΦΦ ＝ 2×Ｌ/ＲＬ1 ＝ 2×Ｒ×sin Φ (m)根据力学原理:Ｍ ＝ Ｅ×Ｉm ×Ｋ/18000*piＭ ＝ Ｎ2×(Ｌ1/2)-Ｔ×Ｌ1×sin Φ则有:Ｎ2 ＝ 2×Ｔ×sin Φ +2×Ｅ×Ｉm ×Ｋ/1719×Ｌ1这里:Ｋ － 井眼曲率 (°/100米)Ｌ － 井段长度 (米)Ｌ1 － Ｌ的直线长度 (米)IA T SINi w I T N sin sin )sin (1⨯⨯+⨯+⨯=Ｎ2 －附加正压力 (KN)Ｅ－弹性模量 (KN/m)Ｉm －截面惯性矩 (m^4)2、摩擦系数的确定在设计一口水平井时,我们可以利用邻井摩擦系数来预算摩阻和扭矩。
常用钻具紧扣扭矩表
160 11.5 68.8 552.3 7.8 85.05 269.1 38.5 176 11.9 93.42 671.8 7.8 105.01 297.7 48.1 172 9.9 90.26 649.1 7.8 105.01 297.7 46
管体 一级：管体外部凹伤，压痕，缩，变粗，变细，卡瓦损伤及直径减小不超过公称外径的 3％，外腐蚀≤1.4mm，坑深＜1mm，周向长＜二分之一
NC26
4.7
4.4
4.1 1.0 0.9 0.8
NC31
11.8
10.4
9.3
2.1 1.9 1.7
NC38
18.0
17.1 14.9 3.1 2.9 2.6
4″DP 41/2″DP, WDP
HT40
27.0
4.5
NC46
34.5
26.0 21.0 5.8 4.4 3.6
5″DP, WDP
NC50
31/2″DC
扣型 NC26
上扣扭矩 KN·m 液压大钳压力 MPa
6.3
1.20
41/8″DC
NC31
9.2
1.60
43/4″DC
NC35
14.7
2.50
61/4″DC (81/2″LF)
NC46
24.4
4.10
7″DC (91/2″LF)
NC50
43.4
8″DC (121/4″LF)
NC56
65.2
3″四方*12m 31/2″四方*12m 41/4″四方*14m 51/4″四方*12m 51/4″四方*14m 51/4″四方*16m
重量（t /根） 0.5 0.59 0.8 1.2 1.5 1.8
常用钻具紧扣扭矩表
mm
23/8″
60.3
46.1
7.11
S135
15.24
110.8
NC26
85.7
44.5
12.86
184.8
4.7
83
3.2
10.83
155.7
6
12.85
93.3
4.4
27/8″
73
54.6
9.19
S135
28.15
171.8
NC31
111
41.3
23.0
277.5
11.8
103
6.7
18.4
FB00001
41/4″四方
QB0001
41/2″
PEX00001
27/8″
PDZ00001
41/2″
WCX00001
8″
CC00001
121/4″
FC00001
31/2″四方
QC0001
31/2″
PCX00001
23/8″
PCZ00001
51/2″
WDX00001
7″
CD00001
91/2″
FD00001
NC52T
50.3
39.6
32.2
8.0
6.7
5.5
51/2″DP, WDP
51/2″FH
57.0
46.0
39.0
9.5
7.6
6.5
1Mpa≈4.53KN·m，1KN·m≈0.22072MPa
钻铤及稳定器
规格
扣型
上扣扭矩KN·m
液压大钳压力MPa
31/2″DC
NC26
各种钻具上扣扭矩表
常用钻具紧扣扭矩表ZQ100液压大钳与扭矩对应关系(Q10Y-M液气大钳：额定流量：107L/min，最高压力：210Kg/cm2,电机功率：40KW)钻杆，加重钻杆上扣扭矩KN·m 液压大钳压力MPa 规格扣型新一级二级新一级二级2 3/8″DP NC26 4.7 4.4 4.1 1.0 0.9 0.827/8″DP NC31 11.8 10.4 9.3 2.1 1.9 1.7 31/2″DP, WDP NC38 18.0 17.1 14.9 3.1 2.9 2.6 4″DP HT40 27.0 4.541/2″DP, WDP NC46 34.5 26.0 21.0 5.8 4.4 3.65″DP, WDP NC50 43.0 38.5 33.4 7.2 5.5 5.65″非标DP NC52T 50.3 39.6 32.2 8.0 6.7 5.5 51/2″DP, WDP 51/2″FH 57.0 46.0 39.0 9.5 7.6 6.5 1Mpa≈4.53KN·m，1KN·m≈0.22072MPa钻铤及稳定器规格扣型上扣扭矩KN·m 液压大钳压力MPa 31/2″DC NC26 6.3 1.2041/8″DC NC31 9.2 1.6043/4″DC NC35 14.7 2.50 61/4″DC (81/2″LF) NC46 24.4 4.107″DC (91/2″LF) NC50 43.4 7.208″DC (121/4″LF) NC56 65.2 10.8 9″DC (16″,171/2″,26″LF) NC61 92.3 15.20 11″DC NC77 142.5 23.30推荐钻头上扣扭矩表钻头规格API正规扣扭矩KN·m(Mpa) 上体外径（mm）37/8″～41/2″23/8″ 4.1～4.7（1.04）8043/4″～5″27/8″8.2～9.5(2.09) 9457/8″～63/4″31/2″9.5～12.2(2.69) 108～12071/2″～83/4″41/2″16.3～21.7(4.79) 146～15291/2″～141/2″65/8″33.03～43.3(9.56) 193～196143/4″～171/2″75/8″46.94～54.2(11.96) 260～266取芯工具外筒紧扣扭矩工具系列尺寸紧扣扭矩KN·m(Mpa) 备注250P(63/4″) 171.45mm×101.6mm 13.4～16.3（2.33～2.84）白棕绳搭上猫头算一圈，二挡3道250P(43/4″) 120.65mm×66.675mm 5.5～6.6(0.91～1.12) 白棕绳搭上猫头算一圈，二挡2道川式川7-4 12.5～13.3（2.13～2.33）白棕绳搭上猫头算一圈，二挡3道川式川5-4 6.0～7.0（1.01～1.22）白棕绳搭上猫头算一圈，二挡2道注：1）扭矩大时：起钻必须上下倒换钻具。
钻具紧扣扭矩要求
43
160
11.5
38.5
157
9.9
33.4
钻铤尺寸参数及操作参数
钻铤公称尺寸
公称内径
倒角圆直径
新钻铤螺纹台肩宽度
磨损后钻铤螺纹台肩宽度
横向伤深×长
纵向伤深度
均匀磨损后外径
偏麿限定尺寸
上紧扭矩KN·m
外螺纹
内螺纹
外螺纹
内螺纹
88.9
38.1
82.9
5
4.2
4.6
4
4×28
4
85.1
3.8
6.3
公司钻杆接头磨损后上紧扭矩表
钻杆
接头螺纹型式
新接头
一级接头
二级接头
公称尺寸mm
公称质量kg/m
钢级
外径mm
内径mm
上紧扭矩KN·m
接头最小外径mm
磨损后内螺纹接头台肩最小宽度mm
适应于接头最小外径的上紧扭矩KN·m
接头最小外径mm
磨损后内螺纹接头台肩最小宽度mm
适应于接头最小外径的上紧扭矩KN·m
73
15.49
S
NC31
111.1
41.3
11.8
103
6.7
10.4
101.5
6
9.3
88.9
19.81
S
NC38
127
54
18
122
8.3
17.1
119.5
7.1
14.9
127
29.05
G
NC50
165.1
82.5
34.9
154.58.72.71527.5
26.1
钻具的受力分析
五、水平井钻具的受力分析水平井钻具的受力分析是一个比较复杂的力学问题，在水平井摩阻与扭矩分析和计算的基础上，我们可以定性的分析在一定井眼条件和一定钻井参数情况下，不同钻具组合对井眼轨迹控制的能力。
钻柱与井壁产生的摩阻和扭矩, 用滑动摩擦理论计算如下:Ｆ ＝μ×ＮＴr ＝μ×Ｎ×Ｒ式中:Ｆ 一 摩擦力μ 一 摩擦系数Ｎ 一 钻柱和井壁间的正压力Ｒ 一 钻柱的半径Ｔr 一 摩擦扭矩从上式可以看出，μ 和 N 是未知数，通过大量现场数据的回归计算求出：μ＝0.21（钻柱与套管）μ＝0.28～0.3（钻柱与裸眼）同时我们对正压力也进行了分析和计算。
1、 正压力大小的计算(1) 弯曲井眼内钻具重量和井眼曲率引起的正压力Ｎ1现有的摩阻和扭矩计算模式是根据"软绳"假设建立起来的，即钻具的刚度相对于井眼曲率可忽略不计．设一弯曲井眼上钻柱单位长度的重量为Ｗ，两端的平均井斜角为Ｉ，两端的平均方位角为 A 。
如果假定Ｙ轴在垂直平面内,•Ｘ轴在侧向平面内,把Ｎ1沿Ｘ和Ｙ轴分解,则: Ｎ1y=Ｔ×sin Ｉ + Ｗ×sin ＩＮ1x=Ｔ×sin Ａ×sin Ｉ(2) 钻柱弯曲产生的弯曲正压力Ｎ2钻柱通过弯曲井段时,由于钻柱的刚性和钻柱的弯曲,便产生了一种附加的正压力Ｎ2。
如图所示:Ｒ ＝ 18000/Ｋ/pi (m)Ｌ ＝ Ｒ×2×ΦΦ ＝ 2×Ｌ/ＲＬ1 ＝ 2×Ｒ×sin Φ (m)根据力学原理:Ｍ ＝ Ｅ×Ｉm ×Ｋ/18000*piＭ ＝ Ｎ2×(Ｌ1/2)-Ｔ×Ｌ1×sin Φ则有:Ｎ2 ＝ 2×Ｔ×sin Φ +2×Ｅ×Ｉm ×Ｋ/1719×Ｌ1这里:Ｋ － 井眼曲率 (°/100米)Ｌ － 井段长度 (米)Ｌ1 － Ｌ的直线长度 (米)IA T SINi w I T N sin sin )sin (1⨯⨯+⨯+⨯=Ｎ2 －附加正压力 (KN)Ｅ－弹性模量 (KN/m)Ｉm －截面惯性矩 (m^4)2、摩擦系数的确定在设计一口水平井时,我们可以利用邻井摩擦系数来预算摩阻和扭矩。
C05 扭拘和摩阻
第五章扭矩和摩阻引言扭矩与摩阻是由于钻柱与井壁之间的摩擦所引起的。
扭矩是指使钻柱在井眼中旋转所施加的旋转力。
摩阻是指钻柱在井眼中起下钻的过程中所附加的力，在大位移井和水平井作业中，由于摩擦力可以减少打擦边井的可能性，因此，搞清形成这些力的因素，以及如何将其降低到最小，这是非常重要的。
在钻井设计过程中，为了使钻井作业取得成功，对于扭矩和摩阻的计算，将会影响到可能出现的井眼几何形状，及象技术规范所要求的那种擦边井。
过大的扭矩和摩阻可能会造成许多问题，包括：钻具扭断钻具失速井下脱扣高卸扣扭矩卡钻上提遇阻划眼受阻通常，扭矩和摩阻不但可以作为钻井过程中出现问题的参考依据，而且，也可以利用它们来监测井眼状况。
在钻井过程中，应时刻注意监测扭矩和摩阻的变化，这可用来优化钻井作业，并且还可为可能存在的一些潜在的问题提供征兆，例如：压差卡钻井内键槽井眼清洁恶化井眼失稳井内台肩影响扭矩和摩阻的因素影响扭矩和摩阻的因素有：∙井壁作用力∙接触面的性质（如接触面的类型和粗糙度）∙泥浆润滑性∙井眼的稳定性∙井眼的净化井壁作用力井壁作用力是推动钻柱或井下钻具贴近井壁的一个有效作用力，这个力越大，扭矩和摩阻值也越高。
之所以会有这样的结果，主要是由于井眼倾斜和狗腿附近存在张力。
井眼倾斜随着井眼倾斜度的增加，井壁所支撑钻柱的重量越多，这就是为什么在高井斜角井和大位移井中，其扭矩和摩阻值比在直井中更大。
狗腿附近的张力在张力作用下，由于钻柱本身倾向于拉伸自己，因此，它被引向狗腿一方，这些狗腿可能是钻进中有意造成的，或者是在降斜段形成的，或者是无意弯曲形成的。
有些井壁作用力是由于在井眼弯曲段，钻柱弯曲所产生的。
许多计算表明，这些力比上面所描述的那种井壁作用力更小，即使对刚性钻铤来说，也是这样。
钻柱的重量对井壁作用力也会产生一些影响，特别是在水平井中，重力的作用使钻具贴近井眼低边。
因此，如果使用重量轻一点的钻具，将有助于减少这些作用力。
接触面的性质由于光滑的接触面比粗糙接触面所产生的扭矩更小，因此，套管井比裸眼井所产生的摩擦力要小。
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1、管柱的摩阻和扭矩
钻大位移井时，由于井斜角和水平位移的增加而扭矩和摩阻增大是非常突出的问题，它可以限制位移的增加。
管柱的摩阻和扭矩是指钻进时钻柱的摩阻和扭矩，下套管时套管的摩阻和扭矩。
（1) 钻柱扭矩和摩阻力的计算
为简化计算，作如下假设：
* 在垂直井段，钻柱和井壁无接触；
* 钻柱与钻井液之间的摩擦力忽略不计；
* 在斜井段，钻柱与井壁的接触点连续，且不发生失稳弯曲。
计算时，将钻柱划分为若干个小单元，从钻柱底部的已知力开始逐步向上计算。
若要知道钻柱上某点的扭矩或摩阻力，只要把这点以下各单元的扭矩和摩阻力分别叠加，再分别加上钻柱底部的已知力。
钻柱扭矩的计算
在弯曲的井段中，取一钻柱单元，如图2—1。
该单元的扭矩增量为
F r R M =∆ （2—1）
式中 △M — 钻柱单元的扭矩增量，N·m
R — 钻柱的半径，m ；
Fr — 钻柱单元与井壁间的周向摩擦力，N 。
该单元上端的扭矩为
式中 M j — 从钻头算起，第j 个单元的上端的扭矩，
N·m ；
Mo — 钻头扭矩（起下钻时为零），N•m ，
△ M I — 第I 段的扭矩增量，N.m 。
钻柱摩阻力的计算（转盘钻）
转盘钻进时，钻柱既有旋转运动，又有沿井眼轴向运动,因此，钻柱表面某点的运动轨迹实为螺线运动。
在斜井段中取一钻柱单元，如图2-2。
图2中，V 为钻柱表面C 点的运动速度V t ，V r 分别为V 沿钻柱轴向和周向的速度分量；F 为C 点处钻柱 所受井壁的摩擦力，其方向与V 相反；Ft ，Fr 分别为F 沿钻柱轴向和周向的摩擦力的分量，即钻柱的轴向摩擦力和周向摩擦力。
由图2-2 V V F V F r t s t t 2
2/+= (2-3) V V F V F r t s r r 2
2/+= (2-4)
F s = f N (2-5)
式中 F S — 钻柱单元的静摩擦力，N ；
f — 摩擦系数；
N — 钻柱单元对井壁的挤压力，N 。
[]
)sin ()22sin (θθθφW T T N +∆+∆= (2-6)
式中 T — 钻柱单元底部的轴向力，N ；
W —钻柱单元在钻井液中的重量，N ；
θ, △θ,Δφ—钻柱单元的井斜角，井斜角增量。
减小管柱扭矩和摩阻的措施
为减小管柱在大位移井中的扭矩和摩阻，在大位移井
的设计与施工中要采取各种必要的措施。
(1)优化井身剖面。
(2)增强钻井液的润滑性
用润滑性能好的低毒性钻井液。
许多大位移井采用油基钻井液，一般来说，润滑基对油基钻井液性能影响较小，而油水比对润滑性影响较大。
(3)优化钻柱设计、使用高强度钻杆
底部钻具组合可少用钻铤，而使用高强度加重杆。
(4)使用降扭矩工具
使用不转动的钻杆护箍可有效地减小扭矩。
(5)对于套管，可在套管上加箍或使用加厚套管。
近几年
国外应用选择性浮动装置下套管技术，可降低套管的
摩阻。
这种技术的原理是在套管内全部或部分地充满
空气，通过降低套管在井内的重量来降低套管的摩
阻。
用的较多的是部分充气，这种方法可使套管的法向力降低80%。
(6)提高地面设备的功率
(7)使用顶部驱动系统
2、钻柱设计
钻柱设计包括底部钻具组合设计和钻杆设计。
在大位移井中一般使用高强度薄壁钻杆，以减少扭矩和摩阻。
对底部钻具组合（BHA），尺寸越大，钻柱的扭矩和摩阻也越大，这并不利于大位移井钻进，所以在保证钻压需要的前提下应使底部钻具组合的尺寸尽量减小。
（1）钻柱设计应考虑的因素
●尽量减小压差卡钻的可能性。
使用螺旋钻铤和螺旋扶正器，以增大环空间隙和减小钻柱与井壁之间的接触面积。
●尽量减少丝扣连接的数量。
●采用井下可调稳定器。
●尽量减少在大斜度井段使用加重钻杆的数量。