定向井定向钻进钻压确定方法

定向井是通过利用特殊的井下工具，使钻头沿着设定的轨道钻达预定目标的一种区别与直井的井型。作为一种相对复杂的井型，其参数包括井斜、方位、垂深、水平位移、造斜点、狗腿度等，它可以大幅提高油气产量，降低开采成本，使油气资源得以更经济、有效的开发。

目前使用最普遍的井下定向工具为螺杆钻具，螺杆钻具具有转速稳定、过载能力好等特点，在定向井钻井中配合使用带有弯接头的动力钻具，可以有效的提高造斜能力和定向井钻井速度。螺杆钻具属于容积式（Positive Displacement Motor）井底马达，其工作动力来自钻具进出口液体流动压差做功，带动内部转子旋转，并通过万向轴和传动轴将扭矩和转速传递到钻头上，实现钻进的目的。

螺杆钻具的结构特征。螺杆钻具基本结构自远钻头至近钻头分为旁通总成、马达总成、万向轴总成和传动轴总成。旁通总成在起下钻时使环空和钻具内连通，降低下钻时的阻力和起钻时钻具内的液面高度，钻进时在高速钻井液带动下关闭而避免水功率的损失。

马达总成是螺杆钻具的动力源，由定子和转子组成，定子和转子在绕轴线的左旋螺杆上有一些列啮合点，这些啮合点构成一个密封腔，随着螺杆在转动，密封腔也向下移动并最后将能量转换完的低压泥浆排出马达。

由于螺杆钻具一般都具有一定弯度，万向轴总成就是把马达转子工作时的平面行星运动转化为为传动轴额定轴转动，同时将马达的工作扭矩传递给传动轴和钻头；传动轴总成是由壳体、传动轴及各种轴承组成，一方面承受轴向变动载荷，另一方面保证传动轴的正常工作位置。

螺杆钻具工作理论计算。由于螺杆钻具属于容积式机械钻具，根据水力学原理，其输出功率为排量与压差的乘积，即：

式中：—动力钻具理论输出功率，kw

—泵排量，L/s

—动力钻具压降，MPa

根据动力学理论及能量守恒定律，动力钻具输出功率等于钻头上扭矩功率，钻头上扭矩功率为钻头扭矩与钻头转速的乘积，于是可得出如下关系

式中：—螺杆钻具理论扭矩N.m

—钻头理论角速度Radius/s

根据螺杆钻具的容积转换关系，其理论转速与排量关系为

式中：—螺杆钻具理论转速R/S

q—螺杆钻具每转排量L/R

螺杆钻具转动角速度为

通过三式联解：

得马达理论扭矩

螺杆钻具实际工作分析。螺杆钻具实际工作中，由于受转子与定子、各处轴承等摩擦造成机械损失，定子、转子间线性密封腔钻井液的漏失造成的水力损失，都使螺杆钻具的实际效率低于理论效率。

式中：—螺杆钻具实际输出扭矩

—螺杆钻具机械效率﹪

—螺杆钻具实际转速R/s

—螺杆钻具水力效率﹪

—实际泵功率KW

—螺杆钻具效率﹪

由螺杆泵实际输出扭矩可以写成以下形式

其中，—给定排量下螺杆钻具启动泵压MPa

—给定排量、施加一定钻压时的泵压MPa

—马达传递至钻头的扭矩N.m

由式子右边前半部分为钻井液使转子自身空载旋转消耗的扭矩，后半部分为施加钻压负载后，螺杆钻具传导到钻头上的扭矩。定向钻进时，螺杆钻具上压降与动力钻具型号、钻压、泥浆性能、钻头尺寸、排量等参数有关，而钻头上的扭矩与钻压、转速、泥浆性能、地层性质、排量等参数有关，即钻头上的扭矩可表示为上述参数的函数：

于是，

由上式可以看出，在排量、泥浆性能、地层性质不变的情况下，动力钻具从悬空循环到钻头接触井底，钻头上扭矩的变化与钻压成正比关系，即与立压成正比关系。钻进中，从指重表上读取的钻压受井斜、井壁摩擦、泥浆性能等因素影响，往往失真。在地层性质一致的地层中直井段采用螺杆钻具钻进，钻压受其他因素影响也小，所以泵压的负载压降更能准确反映钻压，通过记录一组钻压与负载压降数据，确定好钻压与负载压降的关系，可以用于井斜较大时确定实际钻压。

螺杆钻具的总效率与其头数有关，头数越多，定子与转子接触面越大，马达转动时需克服的阻力也越大，其效率也就越低。目前螺杆钻具的效率值为0.4～0.7，水力效率0.9～1。某定向井钻进中使用的螺杆钻具型号为7LZ244？V*1.5埃绰莞俗昃咄肥？/8。

取螺杆钻具效率值0.5，水力效率0.95，通过上一节公式可计算出螺杆钻具的机械效率0.53。根据使用螺杆钻具参数，确定螺杆钻具每转排量q

L/r

于是可得公式

取某一井直井段定向钻进初期一系列钻压与负荷压降，并对相关数据进行分析整理，拟合出对应关系方程。求出钻压与压降对应曲线，并拟合出参数方程，得出钻压与负荷压降的关系方程

从计算结果可以看出，定向井钻井过程中，指重表上所示钻压与实际钻压相比失真较大。这是由于定向钻进过程中，螺杆钻具前方带一近尺寸扶正器，造成钻压部分加于扶正器上，特别是钻头使用至后期，由于钻头磨损导致钻头直径减小，所钻井眼变小，扶正器分压更加明显；同时，对于一些井斜、方位变化大的井段，施加钻压的效率相对其他井段也较低；由于送钻而使钻具与地层摩擦，也影响有效钻压的施加。在地层性质一致，排量、泥浆性能、钻具型号等其他参数保持不变的情况下，可以通过直井段钻压与负荷压降的变化，建立钻压与负荷压降的关系方程，并对井斜增大后的有效钻压进行计算。

在利用钻压与负荷压降关系方程求钻压时，必须保证负荷压降采集的正确，避免由于钻压施加过大、过猛，泥浆变化等对立压变化的干扰。

钻压的求取过程中，只要求了地层性质一致，未对地层走向、夹层等因素考虑，因此必然存在误差，需做进一步研究。