水平井是非常规油气资源高效经济开发的重要手段之一,随着水平井水平段设计长度的增加,在实际施工过程中出现了摩阻过大,严重“托压”问题,降低了钻井效率,甚至无法钻达设计井深而提前完钻。因此,现场急需一种低摩阻、低成本的减阻工具。本文依托四川省科技支撑计划项目“页岩气钻完井工程技术研究”子课题“页岩气水平井新型降摩减阻钻井工具研制”,以及“十三五”国家科技重大专项“工厂化钻井关键技术研究及应用”子课题“可控复合导向减阻系统研制与试验”的部分研究内容。本文在国内外相关研究成果的基础上,主要开展了以下各方面的工作:(1)广泛调研国内外机械式减阻工具的研究现状和应用成果,对机械式减阻技术进行分类,对比不同减阻类型工具的减阻性能、经济性和安全性。在此基础上,深入分析目前机械式减阻工具的优点和存在的问题,据此提出本文的研究方向及思路。(2)提出了扭矩离合钻井工具整体方案设计,并完成离合器、液压控制系统和测控系统的详细设计。其中,离合器采用并联式离合单元实现了小尺寸、大扭矩的功能要求,液压控制系统利用钻柱内外泥浆压力差作为液压动力源,实现了低功耗的目标。在此基础上,完成了工具关键系统加工、装配和调试工作。国内外未见与本工具结构相同或类似的井下钻井工具,具有较强的创新性。工具长度5m,外径178mm,内径50mm,工作扭矩5000N·m。(3)建立了钻柱与井壁非线性动态摩擦模型。基于钻柱与井壁接触的微观机理和“鬃毛”变形理论,建立了钻柱与井壁非线性动态摩擦模型,及其离散求解方法。根据已发表的实验数据验证模型,结果表明模型预测的摩擦力具有较高的精度。根据建立的模型分析钻柱在转动、纵振和扭振情况下,轴向摩阻的变化,得到钻柱的减阻规律。(4)运用拉力-扭矩模型《和井筒循环压耗模型确定工具合理安放位置,评价扭矩离合钻井工具减阻效果。基于传统拉力-扭矩模型,对定向钻井时,钻柱的扭矩分布分为三种情况:钻柱顶部约束、钻柱顶部施加扭矩小于整体钻柱旋转的摩擦扭矩、钻柱顶部施加扭矩大于整体钻柱旋转的摩擦扭矩,分别建立计算方法。利用修正后的拉力-扭矩模型,计算不同钻具组合情况下,工具面稳定和工具正常工作需要工具的安放位置和钻具组合,以及钻柱分布摩擦力和摩擦扭矩。分析工具减阻性能结果表明,工具在定向钻进过程中,能有效降低工具以上钻柱的轴向摩阻。(5)建立了钻柱动态摩阻-扭矩模型,分析钻柱在不同参数下钻压的加载能力。分析钻柱在井眼中的受力情况,简化钻柱与井壁的接触,建立动态摩阻-扭矩模型,并给出了数值求解方法。利用所建立的模型,动态分析使用了扭矩离合钻井工具情况下,动态摩阻、钻压和钻头扭矩的变化情况。结果表明,扭矩离合钻井工具可以有效地降低钻柱在滑动中的轴向摩阻,增强定向钻进时,钻柱加载钻压的能力。(6)完成离合器和液压控制系统等关键系统室内测试,设计了扭矩离合钻井工具工程样机室内测试方案。对离合器的推靠力、扭矩承载能力和动态啮合性能开展测试。测试结果表明,所加工、装配的离合器啮合、分离正常,啮合状态下扭矩承载能力满足设计要求,达到预期设计目标。开展了液压系统和控制阀工作性能的测试工作,结果表明液压系统动作灵活、迅速,无明显渗漏,控制阀性能优良,满足预期的设计要求。本文在系统调研和理论研究的基础上,提出了一种新型降摩减阻方法,并完成了基于该方法的扭矩离合钻井工具的研制工作,对工具关键系统开展了室内测试。采用理论研究方法,分析了钻柱的减阻机理,工具减阻效果、合理的安放位置及钻压传递的能力,为扭矩离合钻井工具下一步研制奠定了基础,对解决水平井钻井过程中摩阻过大的难题具有一定的意义。