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

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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

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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

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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。

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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

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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

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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

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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。

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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°＝l 4l°。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。

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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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