李细鸿

(大庆油田有限责任公司钻探工程公司钻井工程技术研究院,黑龙江大庆 163411)

摩阻对水平井机械钻速的影响及减小摩阻的新途径探讨

李细鸿

(大庆油田有限责任公司钻探工程公司钻井工程技术研究院,黑龙江大庆 163411)

概述了摩阻对水平井机械钻速的影响和减小摩阻的新途径探讨。介绍了新式减摩降扭工具--滚珠式减摩降扭接头的设计及可行性分析,同时对滚珠式减摩降扭接头对钻柱摩阻、扭矩的影响进行了研究。结果表明,滚珠式减摩降扭接头能够大大地降低钻柱的摩阻和扭矩。该工具的使用,对水平井提速有着重要的意义。

水平井 摩阻 扭矩 滚珠式减摩降扭接头 钻柱

1 摩阻对水平井机械钻速的影响

大庆榆树林油田刚刚完钻了5口水平井，其机械钻速都不快。参照这几部钻机的大钩负荷记录资料，对水平井上部钻具和下部钻具组合的摩阻力分析，发现这些井的大斜度段和水平段的摩阻因数最大。尽管在减小摩阻上加大了科研和生产投入，(1)优化井眼轨迹，(2)往钻井液里混渣油，(3)往钻井液里混润滑液，(4)上下倒换钻具组合，但机械钻速仍然不快，严重地制约了该区钻井速度和经济效益。如果能有效地减小钻井摩阻，就可大大提高该区的钻井速度，同时带来相应的经济效益和社会效益。

钻井摩阻，亦称钻井摩阻力，是指钻井过程中钻井管柱与井壁之间的摩擦阻力，主要是由钻柱的轴向摩擦阻力及周向摩擦扭矩所组成。减小摩阻的途径主要从井眼轨迹优化、钻具组合优化设计、钻井液设计、减扭工具的研制与应用四方面考虑。本文通过研究钻井摩阻，从而探讨一种新减摩降扭工具——滚珠式减摩降扭接头的设计和可行性分析。

2 减小摩阻的新途径探讨--滚珠式减摩降扭接头的设计及可行性分析

目前国内外己经有了几种减摩、降扭工具，其中部分是通过采用摩擦系数很小的橡胶材料等减小摩阻，有的是通过滚动轴承来减小扭矩。

第一种：流道式钻杆减摩降扭接头，如图1，它设计思路巧妙，安全可靠性高，在旋转钻进中减扭效果好，有一定的降摩效果。但是定向钻进和起下钻时，减摩效果一般。

图1 流道式钻杆减摩降扭接头

第二种：滚柱式钻杆减摩降扭接头，如图2，它采用滚动柱子设计思想，利用柱子的滚动摩擦取代钻杆接头与井壁/套管之间的滑动摩擦，从而达到减小钻柱的轴向摩擦，结构简单，寿命长、风险小。在定向钻进和起下钻时减扭效果好，有一定的降摩效果。但是在旋转钻进中，减摩效果也一般。

图2 滚柱式钻杆减摩降扭接头

上面两种工具有着很好的减扭效果，但降摩效果一般。那么能不能设计一种工具，同时具有很好的减摩和降扭效果呢？经过研究，设计出了滚珠式减摩降扭接头，结构如图3，主要由接头本体、接头外筒总成4、轴承3，以及钢珠、密封垫2、密封圈5等组成。其中接头本体由上接头1和下接头6组成，并通过公制扣连接。接头外筒与接头本体通过轴承产生相对转动，并且采用密封圈进行密封。接头外筒采用分体式结构，以便钢珠安装方便，接头外筒外形设计成螺旋状、流道式结构，以防止由于大位移井水平段内工具贴近井底的一面造成泥浆沉积而导致的卡钻。钢珠大部分被嵌于棱上的球窝内，通过密封圈密封，以防杂质进入球窝从而影响钢珠的转动，并进一步提高珠子防掉的安全系数。安装钢珠之前，注入适量润滑剂，充分润滑和冷却钢珠。轴承内也注入适量润滑剂。接头本体留有充足的打钳位置，采用钻杆扣型与钻柱直接连接。

图3 滚珠式减摩降扭接头

2.1 技术特点分析

(1)由于接头外筒的外径大于接头本体外径，钻柱通过接箍、接头外筒与套管/井壁接触，大部分钻杆不与井壁产生接触，当转盘带动钻柱旋转时，接头本体与接头外筒之间通过轴承产生相对转动，而接头外筒与井壁在径向保持相对静止，因此钻杆与井壁的滑动接触由接头本体与接头外筒之间的滚动接触来代替，大大减少了钻柱传递的扭矩损失。钻杆与井壁的径向力由径向轴承来承受，而轴向力由轴承来承受。

(2)滚珠式减摩降扭接头通过钢珠与井壁接触，当转盘带动钻柱旋转时，钢珠产生周向滚动；当钻柱下放时，钢珠产生轴向滚动。由此可见，接头与井壁间总是产生滚动摩擦，远远小于滑动摩擦。钻柱通过接头外筒与套管/井壁接触，大部分钻杆不与井壁产生接触，当转盘带动钻柱旋转时，接头外筒与井壁通过钢珠产生相对转动，而接头本体与井壁在径向保持相对静止，因此钻杆与井壁的滑动接触由接头外筒与井壁之间的滚动接触来代替，大大减少了钻柱传递的扭矩损失。另外，当钻柱下放时，接头外筒与井壁通过钢珠产生相对转动，而接头本体与井壁在径向保持相对静止，因此钻杆与井壁的滑动接触由接头外筒与井壁之间的滚动接触来代替，大大地减少轴向摩擦力，很好地解决了钻柱托压的问题。

(3)接头外筒采用螺旋状、流道式分体结构。螺旋状棱体具有将钻柱抬升、扶正的作用，减少甚至消除偏心环空的低速区流场，使钻柱与井眼同心，同心环空流速均匀，消除了低速区，它还有利于强化水平井的携岩能力，同时钻柱运动稳定、起下摩阻小、旋转扭矩小。钻井液通过螺旋式流道时，产生旋流，有效地提高了携岩能力。接头外筒做成分体式，这有利于加工及钢珠的安放，钢珠还可以起到周向定位的作用，结构设计巧妙，安全可靠。

(4)钢珠形成螺旋式分布，与井壁接触更充分，没有死角，受力均匀，很好地利用了自身的滚动特性，更有效地发挥减摩降扭的作用。

(5)由于减扭接头比钻杆接头外径大，所以可使钻杆接头不与井壁或套管接触，起到保护钻杆接头的作用。

2.2 存在的问题

总体上讲，滚珠式减摩降扭接头在技术上取得了一些很好的减摩降扭效果，但是还存

在以下一些不足和问题，需要今后进一步努力，加以解决：(1)滚珠式减摩降扭接头对钢材抗压、耐磨性能的要求高；(2)对珠子防掉的安全系数需要进一步研究和验证；(3)珠子在裸眼井段的滚动性有待进一步提高；(4)珠子的分布还需要进一步研究和优化；(5)珠子在软地层中的滚动性还需要进一步研究；(6)珠子的嵌入式结构有待进一步改进。

3 结语

通过对水平井摩阻的研究，能够充分地认识到它对机械钻速的影响，更好地探索减摩降扭的新途径。通过构思，设计出一种新减摩降扭的工具——滚珠式减摩降扭接头。该工具通过滚动接触代替滑动接触，从而实现滚动摩擦代替滑动摩擦，大大地减少了钻柱的扭矩损失和摩阻，能有效地解决托压的问题；螺旋状、流道式结构能有效地提高水平井的携岩能力，防止造成泥浆沉积而导致的卡钻，对水平井提速有着重要的意义。

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李细鸿,男,工程师,1980年出生,2004年毕业于江汉石油学院机械设计制造及其自动化专业,获得学士学位,现在大庆油田有限责任公司钻探集团钻井工程技术研究院钻井工艺研究所任定向工程师,从事定向井、水平井现场技术服务工作。