梁奇敏，李 劍，聶 臻，游子衛(wèi)

(1.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.西部鉆探井下作業(yè)公司，新疆 克拉瑪依 834000；3.華北油田工程技術(shù)研究院，河北 任丘 062552)

鉆進(jìn)過程中強(qiáng)化鉆進(jìn)參數(shù)(包括大鉆壓、高轉(zhuǎn)速、大排量等)對(duì)于提高機(jī)械鉆速效果顯著[1-4]。扭矩是鉆進(jìn)過程中的一個(gè)重要參數(shù)，如果強(qiáng)化參數(shù)后使得鉆柱中某點(diǎn)的實(shí)測扭矩值超過該處的抗扭強(qiáng)度值，就可能燒壞提供動(dòng)力的電機(jī)，或引發(fā)井下鉆具事故，這對(duì)鉆井工程的危害極大，尤其是大位移井鉆井中需要特別關(guān)注的問題[5-8]。如果鉆頭扭矩太大，在破巖過程中受力不均，則會(huì)出現(xiàn)“掉齒”或“斷齒”現(xiàn)象。因此，從鉆井安全角度，必須掌握鉆柱所受扭矩。本文針對(duì)不同的鉆具組合，探討了如何計(jì)算井口和鉆頭處扭矩值，可為科學(xué)選擇頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，判斷鉆具扭矩情況，避免由扭矩過大導(dǎo)致鉆具事故等方面提供理論指導(dǎo)。

1 井口鉆柱扭矩的計(jì)算

給鉆柱提供扭矩的一種方式是轉(zhuǎn)盤，其中廣泛使用的是電動(dòng)鉆機(jī)(電驅(qū)動(dòng)鉆機(jī))[9]，是用發(fā)電機(jī)發(fā)電作為動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)，以及為其他鉆井設(shè)備提供動(dòng)力。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，PLC采集轉(zhuǎn)盤電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)，計(jì)算出轉(zhuǎn)盤特速和扭矩，并在觸摸屏上顯示。對(duì)于固定的電機(jī)，扭矩和轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速有相應(yīng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，也可根據(jù)鉆進(jìn)工況限定電機(jī)的最大工作扭矩。

另一種方式是頂部驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(頂驅(qū))[10]，是從井架的頂部直接驅(qū)動(dòng)鉆具旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，也能完成循環(huán)鉆井液、接立柱、上卸扣和倒劃眼等操作的鉆井裝置，其主體控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 頂驅(qū)系統(tǒng)的主體控制結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the main controlstructure of top drive system

頂驅(qū)的實(shí)質(zhì)是一種三相交流變頻電機(jī)，若不考慮齒輪間摩擦導(dǎo)致的傳動(dòng)機(jī)械效率損失，電機(jī)功率、轉(zhuǎn)速和扭矩間存在以下關(guān)系，見式(1)～(3)。

P×1 000=F×V

(1)

T=F×R

(2)

V=2×π×R×n/60

(3)

整理式(1)～(3)，可以得到式(4)。

T=9 550×P/n

(4)

式中：P為輸出機(jī)械功率，kW；F為扭力，N；V為線速度，m/s；T為負(fù)載扭矩，N·m；n為輸出轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)/min；R為作用半徑，m。

通過測電流、電壓、功率因數(shù)，電機(jī)自身技術(shù)特性等，可以算出對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率、扭矩等數(shù)據(jù)。在額定功率和額定轉(zhuǎn)速下，電機(jī)的輸出扭矩是額定扭矩，而降低轉(zhuǎn)速，或增加電機(jī)功率都可以增加輸出轉(zhuǎn)矩。當(dāng)負(fù)載扭矩超過最大扭矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)就帶不動(dòng)負(fù)載，發(fā)生“憋?！爆F(xiàn)象，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的電流增大數(shù)倍，嚴(yán)重過熱后很容易燒壞，因此，一般都會(huì)給頂驅(qū)設(shè)置過載系數(shù)，超過后自然停止。

2 鉆頭扭矩的計(jì)算

2.1 不帶螺桿的鉆具組合

如果底部鉆具組合中沒有螺桿鉆具的鉆具組合，忽略接頭、扶正器等組件的影響，忽略管柱的動(dòng)力效應(yīng)影響，并假設(shè)其與剛性井壁的井眼軸線一致，可得到簡化的摩阻摩扭軟桿模型。在理想井眼軌跡曲線上任一弧長為dl的微元段，單元受力分析見圖2，單元軸向力、摩阻摩扭的計(jì)算公式見式(5)～(7)[11]。

Ti+1=Ti+(Wgdlcosα±μN(yùn)i)

(5)

Mi+1=Mi±μN(yùn)ir

(6)

(7)

式中：Ti+1、Ti分別為第i個(gè)鉆柱單元上端、下端的軸向應(yīng)力；Mi+1、Mi分別為第i個(gè)鉆柱單元上端、下端的扭矩；Ni為第i個(gè)鉆柱單元與井壁的接觸正應(yīng)力；Wg為單位長度鉆柱浮重；μ為滑動(dòng)摩擦系數(shù)；r為鉆柱單元半徑；α、Δα和Δφ分別為平均井斜角、井斜角增量和方位角增量。

圖2 鉆柱微元段單元受力圖Fig.2 Force diagram of micro-element element ofdrill string

由于該公式相對(duì)比較簡單實(shí)用，且精度較高，成為計(jì)算摩阻摩扭的經(jīng)典公式。使用該公式計(jì)算鉆頭扭矩時(shí)，先在鉆頭處取一個(gè)試算值Mbi，利用上式由下到上即可算得直到井口處整個(gè)管柱的軸向力和扭矩的分布，然后將計(jì)算出來的井口扭矩Msc和井口的實(shí)際扭矩Msa進(jìn)行比較，得到一個(gè)差值ΔMs(取絕對(duì)值，為正值)，則鉆頭實(shí)際扭矩值Mb即為：如果MscMsa，則Mb=Mbi-ΔMs。

2.2 帶螺桿的鉆具組合

由于螺桿兼具提速和導(dǎo)向的功能而被大規(guī)模應(yīng)用[12]。螺桿鉆具的結(jié)構(gòu)如圖3所示[13]，主要包括與外殼做成一體的定子，與主軸做成一體的轉(zhuǎn)子。一般和鉆頭直接相連，鉆井液通過螺桿鉆具后驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)， 并帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)破碎巖石， 提高鉆進(jìn)速度。

根據(jù)螺桿鉆具的特性，轉(zhuǎn)數(shù)n與流量Q成正比，扭矩M與流量Q的平方成正比，壓力降ΔP與流量Q的平方成正比，功率P與流量Q的三次方成正比[13-14]，具體見式(8)～(11)。

n1/n2=Q1/Q2

(8)

M1/M2=(Q1/Q2)2

(9)

Δp1/Δp2=(Q1/Q2)2

(10)

P1/P2=(Q1/Q2)3

(11)

圖3 螺桿鉆具的簡易結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Simple structure drawing of mud motor

常用的螺桿鉆具有很多種，不同規(guī)格的螺桿鉆具對(duì)鉆井液排量的要求不同，才能達(dá)到其最佳工作狀態(tài)，因此各生產(chǎn)廠家不同尺寸的螺桿鉆具在出廠時(shí)的手冊中都給出了具體參數(shù)，表1為某生產(chǎn)廠家常規(guī)螺桿鉆具部分規(guī)范及技術(shù)參數(shù)表。

表1 某生產(chǎn)廠的部分常規(guī)螺桿鉆具規(guī)范及技術(shù)參數(shù)表Table 1 Specifications and technical parameters of some conventional mud motor of a manufacturing plant

鉆頭提離井底時(shí)，若鉆井液排量確定，則循環(huán)壓降確定，稱為空轉(zhuǎn)泵壓；隨著鉆頭接觸井底且鉆壓增大時(shí)，泵壓升高，此時(shí)是打鉆泵壓，也就是空轉(zhuǎn)泵壓和螺桿壓降增量(負(fù)載壓降減去其空轉(zhuǎn)壓降)之和。只要螺桿的負(fù)載壓降不超過該螺桿的制動(dòng)壓降，則其輸出扭矩就會(huì)線性增加，如圖4所示[13-14]；而增大的泵壓值則反映了螺桿鉆具的負(fù)載是否正常，也反映所加的鉆壓是否合適。因此，不論滑動(dòng)還是旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，在鉆井液排量一定時(shí)，只要螺桿的負(fù)載壓降確定(不超過其制動(dòng)時(shí)的負(fù)載壓降)，則鉆頭扭矩就是此負(fù)載壓降下螺桿的輸出扭矩，可以由螺桿鉆具的工作特性曲線查出?？刂拼蜚@泵壓使螺桿的負(fù)載壓降達(dá)到最大推薦值時(shí)，螺桿輸出扭矩最大，此時(shí)鉆進(jìn)效率最高；繼續(xù)增加鉆壓時(shí)泵壓將突然增加，螺桿的轉(zhuǎn)速急劇降低至制動(dòng)，此時(shí)應(yīng)立即降低鉆壓，以防螺桿內(nèi)部損壞。

圖4 螺桿鉆具工作特性示意圖Fig.4 Schematic diagram of working characteristics ofmud motor

3 扭矩在安全鉆井中的判別

當(dāng)轉(zhuǎn)速高于一定值以后，鉆柱就會(huì)發(fā)生渦動(dòng)[15]，鉆柱與井壁的接觸點(diǎn)個(gè)數(shù)、位置都會(huì)改變，影響摩擦力大小的兩個(gè)因素(摩擦系數(shù)和側(cè)向力)也會(huì)改變，所以即使此時(shí)轉(zhuǎn)速不變，中部鉆柱段的扭矩值也會(huì)改變，這和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)也比較吻合。但是，不論是否帶有螺桿鉆具，只要井口與鉆頭扭矩值之差不超過整個(gè)鉆柱中部任一處的額定抗扭強(qiáng)度，鉆具就不會(huì)因?yàn)榭古し矫嬖虬l(fā)生破壞。

4 結(jié) 論

針對(duì)帶有轉(zhuǎn)盤的電動(dòng)變頻鉆機(jī)和帶有頂驅(qū)的鉆機(jī)，在額定功率的條件下，井口鉆柱的扭矩與頂驅(qū)或轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速有關(guān)，一旦轉(zhuǎn)速確定，則井口處的扭矩即可確定。

對(duì)于不帶螺桿的底部鉆具組合，鉆頭扭矩可以根據(jù)地面的扭矩值粗略計(jì)算。如果底部鉆具組合中帶螺桿，鉆井液排量一定的情況下，螺桿的輸出扭矩與其負(fù)載壓降成正比，一旦負(fù)載壓降確定，則鉆頭扭矩就是負(fù)載壓降下對(duì)應(yīng)的螺桿輸出扭矩值。

扭矩是安全鉆進(jìn)需要考慮的一個(gè)重要參數(shù)，從井口到井底整個(gè)鉆柱任何一處的扭矩可能會(huì)隨時(shí)變化，但只要保證井口與鉆頭扭矩值之差不超過整個(gè)鉆柱任一處的抗扭強(qiáng)度，鉆具就不會(huì)出現(xiàn)抗扭安全方面問題。