李細(xì)鴻

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

摩阻對(duì)水平井機(jī)械鉆速的影響及減小摩阻的新途徑探討

李細(xì)鴻

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

概述了摩阻對(duì)水平井機(jī)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(shè)計(jì)及可行性分析,同時(shí)對(duì)滾珠式減摩降扭接頭對(duì)鉆柱摩阻、扭矩的影響進(jìn)行了研究。結(jié)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(duì)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(duì)水平井機(jī)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(jī)械鉆速都不快。參照這幾部鉆機(jī)的大鉤負(fù)荷記錄資料，對(duì)水平井上部鉆具和下部鉆具組合的摩阻力分析，發(fā)現(xiàn)這些井的大斜度段和水平段的摩阻因數(shù)最大。盡管在減小摩阻上加大了科研和生產(chǎn)投入，(1)優(yōu)化井眼軌跡，(2)往鉆井液里混渣油，(3)往鉆井液里混潤(rùn)滑液，(4)上下倒換鉆具組合，但機(jī)械鉆速仍然不快，嚴(yán)重地制約了該區(qū)鉆井速度和經(jīng)濟(jì)效益。如果能有效地減小鉆井摩阻，就可大大提高該區(qū)的鉆井速度，同時(shí)帶來相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)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(yōu)化、鉆具組合優(yōu)化設(shè)計(jì)、鉆井液設(shè)計(jì)、減扭工具的研制與應(yīng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)及可行性分析

目前國(guó)內(nèi)外己經(jīng)有了幾種減摩、降扭工具，其中部分是通過采用摩擦系數(shù)很小的橡膠材料等減小摩阻，有的是通過滾動(dòng)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(shè)計(jì)思路巧妙，安全可靠性高，在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中減扭效果好，有一定的降摩效果。但是定向鉆進(jìn)和起下鉆時(shí)，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(dòng)柱子設(shè)計(jì)思想，利用柱子的滾動(dòng)摩擦取代鉆桿接頭與井壁/套管之間的滑動(dòng)摩擦，從而達(dá)到減小鉆柱的軸向摩擦，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)小。在定向鉆進(jìn)和起下鉆時(shí)減扭效果好，有一定的降摩效果。但是在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)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(shè)計(jì)一種工具，同時(shí)具有很好的減摩和降扭效果呢？經(jīng)過研究，設(shè)計(jì)出了滾珠式減摩降扭接頭，結(jié)構(gòu)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(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，并且采用密封圈進(jìn)行密封。接頭外筒采用分體式結(jié)構(gòu)，以便鋼珠安裝方便，接頭外筒外形設(shè)計(jì)成螺旋狀、流道式結(jié)構(gòu)，以防止由于大位移井水平段內(nèi)工具貼近井底的一面造成泥漿沉積而導(dǎo)致的卡鉆。鋼珠大部分被嵌于棱上的球窩內(nèi)，通過密封圈密封，以防雜質(zhì)進(jìn)入球窩從而影響鋼珠的轉(zhuǎn)動(dòng)，并進(jìn)一步提高珠子防掉的安全系數(shù)。安裝鋼珠之前，注入適量潤(rùn)滑劑，充分潤(rùn)滑和冷卻鋼珠。軸承內(nèi)也注入適量潤(rùn)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(shù)特點(diǎn)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(chǎn)生接觸，當(dāng)轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)，接頭本體與接頭外筒之間通過軸承產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而接頭外筒與井壁在徑向保持相對(duì)靜止，因此鉆桿與井壁的滑動(dòng)接觸由接頭本體與接頭外筒之間的滾動(dòng)接觸來代替，大大減少了鉆柱傳遞的扭矩?fù)p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(dāng)轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)，鋼珠產(chǎn)生周向滾動(dòng)；當(dāng)鉆柱下放時(shí)，鋼珠產(chǎn)生軸向滾動(dòng)。由此可見，接頭與井壁間總是產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于滑動(dòng)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(chǎn)生接觸，當(dāng)轉(zhuǎn)盤帶動(dòng)鉆柱旋轉(zhuǎn)時(shí)，接頭外筒與井壁通過鋼珠產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而接頭本體與井壁在徑向保持相對(duì)靜止，因此鉆桿與井壁的滑動(dòng)接觸由接頭外筒與井壁之間的滾動(dòng)接觸來代替，大大減少了鉆柱傳遞的扭矩?fù)p失。另外，當(dāng)鉆柱下放時(shí)，接頭外筒與井壁通過鋼珠產(chǎn)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，而接頭本體與井壁在徑向保持相對(duì)靜止，因此鉆桿與井壁的滑動(dòng)接觸由接頭外筒與井壁之間的滾動(dòng)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(jié)構(gòu)。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(huán)空的低速區(qū)流場(chǎng)，使鉆柱與井眼同心，同心環(huán)空流速均勻，消除了低速區(qū)，它還有利于強(qiáng)化水平井的攜巖能力，同時(shí)鉆柱運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定、起下摩阻小、旋轉(zhuǎn)扭矩小。鉆井液通過螺旋式流道時(shí)，產(chǎn)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)特性，更有效地發(fā)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(hù)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(shù)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(jìn)一步努力，加以解決：(1)滾珠式減摩降扭接頭對(duì)鋼材抗壓、耐磨性能的要求高；(2)對(duì)珠子防掉的安全系數(shù)需要進(jìn)一步研究和驗(yàn)證；(3)珠子在裸眼井段的滾動(dòng)性有待進(jìn)一步提高；(4)珠子的分布還需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化；(5)珠子在軟地層中的滾動(dòng)性還需要進(jìn)一步研究；(6)珠子的嵌入式結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步改進(jìn)。

3 結(jié)語

通過對(duì)水平井摩阻的研究，能夠充分地認(rèn)識(shí)到它對(duì)機(jī)械鉆速的影響，更好地探索減摩降扭的新途徑。通過構(gòu)思，設(shè)計(jì)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(dòng)接觸代替滑動(dòng)接觸，從而實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦，大大地減少了鉆柱的扭矩?fù)p失和摩阻，能有效地解決托壓的問題；螺旋狀、流道式結(jié)構(gòu)能有效地提高水平井的攜巖能力，防止造成泥漿沉積而導(dǎo)致的卡鉆，對(duì)水平井提速有著重要的意義。

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李細(xì)鴻,男,工程師,1980年出生,2004年畢業(yè)于江漢石油學(xué)院機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè),獲得學(xué)士學(xué)位,現(xiàn)在大慶油田有限責(zé)任公司鉆探集團(tuán)鉆井工程技術(shù)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(xiàn)場(chǎng)技術(shù)服務(wù)工作。