摩阻對水平井機械鉆速的影響及減小摩阻的新途徑探討

李細鴻

(大慶油田有限責任公司鉆探工程公司鉆井工程技術研究院,黑龍江大慶 163411)

摩阻對水平井機械鉆速的影響及減小摩阻的新途徑探討

李細鴻

(大慶油田有限責任公司鉆探工程公司鉆井工程技術研究院,黑龍江大慶 163411)

概述了摩阻對水平井機械鉆速的影響和減小摩阻的新途徑探討。介紹了新式減摩降扭工具--滾珠式減摩降扭接頭的設計及可行性分析,同時對滾珠式減摩降扭接頭對鉆柱摩阻、扭矩的影響進行了研究。結果表明,滾珠式減摩降扭接頭能夠大大地降低鉆柱的摩阻和扭矩。該工具的使用,對水平井提速有著重要的意義。

水平井 摩阻 扭矩 滾珠式減摩降扭接頭 鉆柱

1 摩阻對水平井機械鉆速的影響

大慶榆樹林油田剛剛完鉆了5口水平井，其機械鉆速都不快。參照這幾部鉆機的大鉤負荷記錄資料，對水平井上部鉆具和下部鉆具組合的摩阻力分析，發現這些井的大斜度段和水平段的摩阻因數最大。盡管在減小摩阻上加大了科研和生產投入，(1)優化井眼軌跡，(2)往鉆井液里混渣油，(3)往鉆井液里混潤滑液，(4)上下倒換鉆具組合，但機械鉆速仍然不快，嚴重地制約了該區鉆井速度和經濟效益。如果能有效地減小鉆井摩阻，就可大大提高該區的鉆井速度，同時帶來相應的經濟效益和社會效益。

鉆井摩阻，亦稱鉆井摩阻力，是指鉆井過程中鉆井管柱與井壁之間的摩擦阻力，主要是由鉆柱的軸向摩擦阻力及周向摩擦扭矩所組成。減小摩阻的途徑主要從井眼軌跡優化、鉆具組合優化設計、鉆井液設計、減扭工具的研制與應用四方面考慮。本文通過研究鉆井摩阻，從而探討一種新減摩降扭工具——滾珠式減摩降扭接頭的設計和可行性分析。

2 減小摩阻的新途徑探討--滾珠式減摩降扭接頭的設計及可行性分析

目前國內外己經有了幾種減摩、降扭工具，其中部分是通過采用摩擦系數很小的橡膠材料等減小摩阻，有的是通過滾動軸承來減小扭矩。

第一種：流道式鉆桿減摩降扭接頭，如圖1，它設計思路巧妙，安全可靠性高，在旋轉鉆進中減扭效果好，有一定的降摩效果。但是定向鉆進和起下鉆時，減摩效果一般。

圖1 流道式鉆桿減摩降扭接頭

第二種：滾柱式鉆桿減摩降扭接頭，如圖2，它采用滾動柱子設計思想，利用柱子的滾動摩擦取代鉆桿接頭與井壁/套管之間的滑動摩擦，從而達到減小鉆柱的軸向摩擦，結構簡單，壽命長、風險小。在定向鉆進和起下鉆時減扭效果好，有一定的降摩效果。但是在旋轉鉆進中，減摩效果也一般。

圖2 滾柱式鉆桿減摩降扭接頭

上面兩種工具有著很好的減扭效果，但降摩效果一般。那么能不能設計一種工具，同時具有很好的減摩和降扭效果呢？經過研究，設計出了滾珠式減摩降扭接頭，結構如圖3，主要由接頭本體、接頭外筒總成4、軸承3，以及鋼珠、密封墊2、密封圈5等組成。其中接頭本體由上接頭1和下接頭6組成，并通過公制扣連接。接頭外筒與接頭本體通過軸承產生相對轉動，并且采用密封圈進行密封。接頭外筒采用分體式結構，以便鋼珠安裝方便，接頭外筒外形設計成螺旋狀、流道式結構，以防止由于大位移井水平段內工具貼近井底的一面造成泥漿沉積而導致的卡鉆。鋼珠大部分被嵌于棱上的球窩內，通過密封圈密封，以防雜質進入球窩從而影響鋼珠的轉動，并進一步提高珠子防掉的安全系數。安裝鋼珠之前，注入適量潤滑劑，充分潤滑和冷卻鋼珠。軸承內也注入適量潤滑劑。接頭本體留有充足的打鉗位置，采用鉆桿扣型與鉆柱直接連接。

圖3 滾珠式減摩降扭接頭

2.1 技術特點分析

(1)由于接頭外筒的外徑大于接頭本體外徑，鉆柱通過接箍、接頭外筒與套管/井壁接觸，大部分鉆桿不與井壁產生接觸，當轉盤帶動鉆柱旋轉時，接頭本體與接頭外筒之間通過軸承產生相對轉動，而接頭外筒與井壁在徑向保持相對靜止，因此鉆桿與井壁的滑動接觸由接頭本體與接頭外筒之間的滾動接觸來代替，大大減少了鉆柱傳遞的扭矩損失。鉆桿與井壁的徑向力由徑向軸承來承受，而軸向力由軸承來承受。

(2)滾珠式減摩降扭接頭通過鋼珠與井壁接觸，當轉盤帶動鉆柱旋轉時，鋼珠產生周向滾動；當鉆柱下放時，鋼珠產生軸向滾動。由此可見，接頭與井壁間總是產生滾動摩擦，遠遠小于滑動摩擦。鉆柱通過接頭外筒與套管/井壁接觸，大部分鉆桿不與井壁產生接觸，當轉盤帶動鉆柱旋轉時，接頭外筒與井壁通過鋼珠產生相對轉動，而接頭本體與井壁在徑向保持相對靜止，因此鉆桿與井壁的滑動接觸由接頭外筒與井壁之間的滾動接觸來代替，大大減少了鉆柱傳遞的扭矩損失。另外，當鉆柱下放時，接頭外筒與井壁通過鋼珠產生相對轉動，而接頭本體與井壁在徑向保持相對靜止，因此鉆桿與井壁的滑動接觸由接頭外筒與井壁之間的滾動接觸來代替，大大地減少軸向摩擦力，很好地解決了鉆柱托壓的問題。

(3)接頭外筒采用螺旋狀、流道式分體結構。螺旋狀棱體具有將鉆柱抬升、扶正的作用，減少甚至消除偏心環空的低速區流場，使鉆柱與井眼同心，同心環空流速均勻，消除了低速區，它還有利于強化水平井的攜巖能力，同時鉆柱運動穩定、起下摩阻小、旋轉扭矩小。鉆井液通過螺旋式流道時，產生旋流，有效地提高了攜巖能力。接頭外筒做成分體式，這有利于加工及鋼珠的安放，鋼珠還可以起到周向定位的作用，結構設計巧妙，安全可靠。

(4)鋼珠形成螺旋式分布，與井壁接觸更充分，沒有死角，受力均勻，很好地利用了自身的滾動特性，更有效地發揮減摩降扭的作用。

(5)由于減扭接頭比鉆桿接頭外徑大，所以可使鉆桿接頭不與井壁或套管接觸，起到保護鉆桿接頭的作用。

2.2 存在的問題

總體上講，滾珠式減摩降扭接頭在技術上取得了一些很好的減摩降扭效果，但是還存

在以下一些不足和問題，需要今后進一步努力，加以解決：(1)滾珠式減摩降扭接頭對鋼材抗壓、耐磨性能的要求高；(2)對珠子防掉的安全系數需要進一步研究和驗證；(3)珠子在裸眼井段的滾動性有待進一步提高；(4)珠子的分布還需要進一步研究和優化；(5)珠子在軟地層中的滾動性還需要進一步研究；(6)珠子的嵌入式結構有待進一步改進。

3 結語

通過對水平井摩阻的研究，能夠充分地認識到它對機械鉆速的影響，更好地探索減摩降扭的新途徑。通過構思，設計出一種新減摩降扭的工具——滾珠式減摩降扭接頭。該工具通過滾動接觸代替滑動接觸，從而實現滾動摩擦代替滑動摩擦，大大地減少了鉆柱的扭矩損失和摩阻，能有效地解決托壓的問題；螺旋狀、流道式結構能有效地提高水平井的攜巖能力，防止造成泥漿沉積而導致的卡鉆，對水平井提速有著重要的意義。

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李細鴻,男,工程師,1980年出生,2004年畢業于江漢石油學院機械設計制造及其自動化專業,獲得學士學位,現在大慶油田有限責任公司鉆探集團鉆井工程技術研究院鉆井工藝研究所任定向工程師,從事定向井、水平井現場技術服務工作。