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墙上钻孔扭矩计算公式在进行墙上钻孔时，扭矩是一个非常重要的参数。
扭矩的大小直接影响到钻头在墙上的钻孔效果，因此在进行钻孔作业时，需要对扭矩进行合理的计算。
本文将介绍墙上钻孔扭矩的计算公式及其相关知识。
1. 扭矩的定义。
扭矩是一个物体受到外力作用时，产生旋转的力矩。
在进行墙上钻孔时，钻头受到的扭矩大小将直接影响到钻头的旋转速度和钻孔的效果。
因此，合理计算扭矩是非常重要的。
2. 墙上钻孔扭矩计算公式。
墙上钻孔扭矩的计算公式为：T = F × r。
其中，T为扭矩，单位为牛顿米（Nm）；F为作用在钻头上的力，单位为牛顿（N）；r为钻头的半径，单位为米（m）。
3. 扭矩计算公式的说明。
在墙上钻孔时，作用在钻头上的力F是由电钻或手动钻孔工具提供的。
钻头的半径r是钻头的直径的一半，通常在使用钻头时可以直接测量得到。
将这两个参数代入扭矩计算公式中，即可得到墙上钻孔的扭矩大小。
4. 扭矩计算公式的应用举例。
举例来说，如果我们使用电钻进行墙上钻孔，电钻提供的力F为100N，钻头的半径r为0.01m。
将这两个参数代入扭矩计算公式中，即可得到扭矩T的数值：T = 100N × 0.01m = 1Nm。
因此，使用这个电钻进行墙上钻孔时，所产生的扭矩大小为1Nm。
5. 扭矩计算公式的注意事项。
在使用扭矩计算公式时，需要注意以下几点：（1）力F的大小应该根据实际情况进行测量或估算，不同的钻孔工具提供的力F大小可能有所不同；（2）钻头的半径r应该准确测量，以确保扭矩计算的准确性；（3）在进行墙上钻孔时，应该根据实际情况选择合适的钻头和钻孔工具，以确保扭矩大小符合要求。
6. 结语。
在进行墙上钻孔时，合理计算扭矩是非常重要的。
通过使用扭矩计算公式，可以准确地得到墙上钻孔的扭矩大小，从而选择合适的钻头和钻孔工具，确保钻孔效果和施工安全。
希望本文介绍的墙上钻孔扭矩计算公式及其相关知识对大家有所帮助。
第4章管柱的摩阻扭矩计算●摩阻扭矩计算概述●摩阻扭矩计算的软模型●摩阻扭矩计算的一般步骤一、摩阻扭矩计算概述●随着水平井、大位移井等大斜度定向井的出现，摩阻扭矩问题逐渐被人们认识和重视；●大斜度井的突出特点是水平位移较大，且大部分井段井斜超过60°，这使得在钻进、起下钻和下套管等作业过程中摩阻扭矩问题非常突出；●摩阻扭矩过大，轻则会增加施工难度，延长钻井作业时间，重则使钻井作业无法进行，导致井眼提前完钻或报废。
1. 摩阻扭矩的主要危害●钻柱起钻负荷很大，下钻阻力很大；●滑动钻进时加不上钻压，钻速很低；●旋转钻进时扭矩很大，导致钻柱强度破坏；●钻柱与套管摩擦，套管磨损严重，甚至被磨穿；●套管下入困难，甚至下不到底。
2. 摩阻扭矩计算的主要模型●现有的摩阻扭矩计算模型主要有三种，软模型、硬模型和有限元模型；●不管哪种计算模型其核心都是通过合理地假设以便求出管柱与井壁的接触正压力，从而求出摩阻扭矩；●软模型和硬模型都假设管柱与井眼轴线形状一致，且与井壁连续接触，虽然硬模型考虑了管柱的刚性对摩阻扭矩的影响，但其计算精度有时还不如软模型，因为管柱刚性与“管柱与井眼轴线形状一致”是不符合实际情况的；●有限元模型假设与实际很接近，精度高，但计算困难。
二、摩阻扭矩计算的软模型1. 软模型的基本假设●管柱类似于软绳，其刚性很小，可以忽略；●管柱与井眼轴线形状完全一致，且与井壁连续接触；●井壁为近似刚性的；● 忽略管柱和井眼局部形状如钻杆接头、扶正器、井径扩大等对摩阻扭矩的影响； ● 忽略钻柱动态因素的影响。
2. 软模型的计算思路● 根据井眼轨迹测斜数据或分点计算数据将管柱分为相应的计算单元(微元)；● 对于每个微元来说，它的单位长度的浮重是已知的，只要知道微元的下端轴向力就可以计算出该微元的接触正压力、摩阻摩扭和上端轴向力；● 最下面一个微元的下端轴向力就是钻压或为零，这样自下而上逐个微元进行计算就可以计算出整个管柱的摩阻扭矩和大钩载荷。
3钻柱摩阻计算与分析 (1)3.1 摩阻研究的意义、现状及存在问题 (1)3.1.1 研究目的和意义 (1)3.1.2 研究现状和发展趋势 (2)3.1.3 摩阻分析存在的主要问题 (3)3.2 钻柱动力学基本方程 (5)3.3 钻柱摩阻预测与分析 (11)3.3.1 摩阻分析方法与对象 (11)3.3.2 三维刚杆摩阻模型 (13)3.3.3 三维软杆摩阻模型 (22)3.3.4 摩阻分析结果的表述 (29)3.3.5 摩阻预测与分析 (31)3.3.6 摩擦系数反演 (35)3.3.7 摩阻影响因素分析 (35)3.3.8 计算结果验证与分析 (37)3.4 钻柱的屈曲 (39)3.4.1 斜直井中杆管柱屈曲的微分方程 (39)3.4.2 水平井段钻柱几何线性屈曲的数学模型 (44)3.4.3 水平井段钻柱几何非线性屈曲的数学模型 (45)3.4.4 斜直井段钻柱正弦屈曲和螺旋屈曲的临界载荷 (46)3.4.5 无重钻柱的几何线性螺旋屈曲 (50)3.4.6 无重钻柱的几何非线性螺旋屈曲 (52)3.5 实钻井眼轨道参数的插值计算 (55)3.5.1 概述 (55)3.5.2 典型轨迹模型插值 (55)3.5.3 典型曲线的曲率和挠率 (58)4 钻柱强度分析与校核 (64)4.1 钻柱应力状况分析 (64)4.1.1 轴向拉力产生的拉应力 (64)4.1.2 扭矩产生的剪应力 (64)4.1.3 钻柱弯曲产生的弯曲应力 (65)4.1.4 屈曲产生的应力和接触压力 (65)4.1.5 内压力产生的拉应力 (66)4.2 钻柱强度分析模型 (67)4.2.1 钻柱抗拉强度 (67)4.2.2 钻柱抗弯强度 (68)4.2.3 钻柱抗扭强度 (69)4.2.4 钻柱三轴应力强度 (71)4.3 钻柱强度校核 (72)3钻柱摩阻计算与分析3.1 摩阻研究的意义、现状及存在问题3.1.1 研究目的和意义随着油气田勘探开发的进行，钻井重点向深部、西部和海上发展。
68桩斜189井磨阻扭矩控制技术探索孙永浩 王东海 张 虎 胜利石油工程公司渤海钻井总公司【摘 要】在大位移井的施工中，面临的困难较多，其中岩屑床的清洁、摩阻扭矩控制、钻井液的润滑、裸眼井段的井壁稳定、钻具与地层接触面积等施工条件受轨迹和位移影响较大。
尤其是轨迹较为复杂的深层大位移井，不同于普通定向井和三段制大位移井，在施工中要面临的困难明显增加，其中高磨阻大扭矩是最突出和亟待解决的难题，它直接影响到全井轨迹的延伸、深部地层的轨迹控制、全井钻具安全、设备承担的载荷，滑动钻进托压、工具面调整费时费力、高扭矩、大摩阻、托压、钻具易粘附井壁、钻具疲劳、设备高载荷运转等一系列问题给钻井施工带来了极大的困难。
2018年施工的桩斜189井，因轨迹设计影响，直接面对了上述全部问题，该井在磨阻扭矩控制方面采取一系列探索和实验，磨阻扭矩得到了有效控制，对日后施工相似大位移井具有有较高的参考和借鉴价值。
【关键词】五段制大位移井；磨阻扭矩控制；复合润滑法；支点减磨减阻法一、基本情况简介桩斜189井构造位置位于济阳坳陷沾化凹陷长堤潜山披覆构造带桩181断块高部位，完钻层位于中生界，勘探区域位于近海海床之下，井场位于海岸滩涂，必须采用大位移井模式才能钻达设计靶点。
由于轨道设计和地层条件的复杂性，加深表层套管，二开设计技术套管，减少裸眼地层长度，以免造成键槽和钻具粘附复杂，对减少本井磨阻和扭矩较为有利。
桩斜189井设计轨迹为五段制大位移定向井，全井水平位移2118.17m。
全井轨迹基本贴合设计线施工。
二、施工中的难题及原因分析本井三开井段随着井深增加，扭矩和磨阻不断增大，甚至达到顶驱系统扭矩载荷极限，经常憋停顶驱，并最终造成顶驱损坏。
通过对磨阻和扭矩数据的研究，分析出造成本井磨阻和扭矩较大的核心原因如下：（1）五段制井身轨迹使钻具在增斜点和降斜点发生多次扭曲，同时钻具在旋转和上提下放时受到轨迹影响，轴向和径向应力效传递和释放困难，大量扭矩和磨阻积聚在钻具上难以释放；（2）全井92%的井段处于的30°～60°井斜范围，易形成岩屑床增大了钻具的摩阻与扭矩。
常用钻具紧扣扭矩表ZQ100液压大钳与扭矩对应关系(Q10Y-M液气大钳：额定流量：107L/min，最高压力：210Kg/cm2,电机功率：40KW)钻杆，加重钻杆上扣扭矩KN·m 液压大钳压力MPa 规格扣型新一级二级新一级二级2 3/8″DP NC26 4.7 4.4 4.1 1.0 0.9 0.827/8″DP NC31 11.8 10.4 9.3 2.1 1.9 1.7 31/2″DP, WDP NC38 18.0 17.1 14.9 3.1 2.9 2.6 4″DP HT40 27.0 4.541/2″DP, WDP NC46 34.5 26.0 21.0 5.8 4.4 3.65″DP, WDP NC50 43.0 38.5 33.4 7.2 5.5 5.65″非标DP NC52T 50.3 39.6 32.2 8.0 6.7 5.5 51/2″DP, WDP 51/2″FH 57.0 46.0 39.0 9.5 7.6 6.5 1Mpa≈4.53KN·m，1KN·m≈0.22072MPa钻铤及稳定器规格扣型上扣扭矩KN·m 液压大钳压力MPa 31/2″DC NC26 6.3 1.2041/8″DC NC31 9.2 1.6043/4″DC NC35 14.7 2.50 61/4″DC (81/2″LF) NC46 24.4 4.107″DC (91/2″LF) NC50 43.4 7.208″DC (121/4″LF) NC56 65.2 10.8 9″DC (16″,171/2″,26″LF) NC61 92.3 15.20 11″DC NC77 142.5 23.30推荐钻头上扣扭矩表钻头规格API正规扣扭矩KN·m(Mpa) 上体外径（mm）37/8″～41/2″23/8″ 4.1～4.7（1.04）8043/4″～5″27/8″8.2～9.5(2.09) 9457/8″～63/4″31/2″9.5～12.2(2.69) 108～12071/2″～83/4″41/2″16.3～21.7(4.79) 146～15291/2″～141/2″65/8″33.03～43.3(9.56) 193～196143/4″～171/2″75/8″46.94～54.2(11.96) 260～266取芯工具外筒紧扣扭矩工具系列尺寸紧扣扭矩KN·m(Mpa) 备注250P(63/4″) 171.45mm×101.6mm 13.4～16.3（2.33～2.84）白棕绳搭上猫头算一圈，二挡3道250P(43/4″) 120.65mm×66.675mm 5.5～6.6(0.91～1.12) 白棕绳搭上猫头算一圈，二挡2道川式川7-4 12.5～13.3（2.13～2.33）白棕绳搭上猫头算一圈，二挡3道川式川5-4 6.0～7.0（1.01～1.22）白棕绳搭上猫头算一圈，二挡2道注：1）扭矩大时：起钻必须上下倒换钻具。
158钻井摩阻主要指的是钻井作业过程中钻具受到的摩擦阻力，摩阻主要由两部分构成，分别是轴向上的摩擦阻力以及轴向上的扭矩，在进行水平井钻井作业的过程中，工作人员首先需要对钻井摩阻进行全面的分析，以此制定完善的减摩方案，以便为后期的施工作业提供指导方案[1]。
对于水平井钻井作业而言，在水平段以及造斜段内，钻具受到了多种力的影响，例如轴向压力、扭矩以及扭曲扭矩等，其中，井壁对管柱所造成的轴向阻力以及反扭矩可以称为钻井作业的摩阻。
为了可以提高水平井钻井作业的效率，本次研究主要对水平井钻井作业的摩阻影响因素进行了全面分析。
1 钻井参数因素影响钻井摩阻1.1 钻压因素在对水平井进行钻井作业的过程中，在水平段内，非常容易出现摩阻较大且钻压不足的问题，如果可以对钻压进行适当的控制，此时摩阻会得到一定程度的降低，钻井的速度也会加快。
由此可见，钻压会对水平井钻井作业的摩阻产生相对较为严重的影响。
钻压的影响主要表现在随着钻压的逐渐增加，钻具与井壁之间的接触点位置会重新排布，各个接触点位置处所受到的力也会受到严重的变化，根据钻井作业的经验可以知道，钻压与摩阻之间将会呈现出正比例的关系，这主要是随着钻压的逐渐增加，钻具会出现严重的变形问题，钻具会压迫井壁，井壁与钻具之间的接触力增加，进而造成钻井作业的摩阻增加[2]。
1.2 转速因素一般情况下，转速对摩阻产生的影响要小于钻压对摩阻产生的影响，当刚性的物质与粘性的物质产生接触作用时，两者之间的粘滞力与两者的接触时间相关，与两者之间产生相对运动的频率也具有一定的联系。
在水平井钻井作业的过程中，钻具与井壁之间的力可以归结为黏滞力，如果黏滞力增加，则钻具转动过程中受到的扭矩作用增加，但是，如果钻具的转动速度加快，则钻具与井壁之间产生相对运动的频率就会增加，此时的黏滞力将降低，此时钻具受到的扭矩作用将会降低，在进行钻井作业的过程中出现的粘滞力卡钻问题就是由于该种原因所引起，因此，在进行水平井钻井作业的过程中可能通过适当提高转速的方式防止出现黏滞力卡钻问题。
1、 管柱的摩阻和扭矩
钻大位移井时，由于井斜角和水平位移的增加而扭矩和摩阻增大是非常突出的问题，它可以限制位移的增加。 管柱的摩阻和扭矩是指钻进时钻柱的摩阻和扭矩，下套管时套管的摩阻和扭矩。 （1) 钻柱扭矩和摩阻力的计算 为简化计算，作如下假设： * 在垂直井段，钻柱和井壁无接触； * 钻柱与钻井液之间的摩擦力忽略不计； * 在斜井段，钻柱与井壁的接触点连续，且不发生失稳弯曲。 计算时，将钻柱划分为若干个小单元，从钻柱底部的已知力开始逐步向上计算。若要知道钻柱上某点的扭矩或摩阻力，只要把这点以下各单元的扭矩和摩阻力分别叠加，再分别加上钻柱底部的已知力。
钻柱扭矩的计算 在弯曲的井段中，取一钻柱单元，如图2—1。
该单元的扭矩增量为 FrRM （2—1） 式中 △M — 钻柱单元的扭矩增量，N·m R — 钻柱的半径，m ； Fr — 钻柱单元与井壁间的周向摩擦力，N 。 该单元上端的扭矩为
式中 Mj — 从钻头算起，第j个单元的上端的扭矩，N·m ； Mo — 钻头扭矩（起下钻时为零），N•m ， △ MI — 第I段的扭矩增量，N.m。
钻柱摩阻力的计算（转盘钻） 转盘钻进时，钻柱既有旋转运动，又有沿井眼轴向运动,因此，钻柱表面某点的运动轨迹实为螺线运动。在斜井段中取一钻柱单元，如图2-2。图2中，V为钻柱表面C点的运动速度Vt ，Vr分别为V沿钻柱轴向和周向的速度分量；F为C点处钻柱 所受井壁的摩擦力，其方向与V相反；Ft ，Fr分别为F沿钻柱轴向和周向的摩擦力的分量，即钻柱的轴向摩擦力和周向摩擦力。 由图2-2 VVFVFrtstt22/ (2-3) VVFVFrtsrr22/ (2-4) Fs = f N (2-5) 式中 F S — 钻柱单元的静摩擦力，N ； f — 摩擦系数； N — 钻柱单元对井壁的挤压力，N 。 )sin()22sin(WTTN (2-6) 式中 T — 钻柱单元底部的轴向力，N ； W — 钻柱单元在钻井液中的重量，N ； θ, △θ,Δφ — 钻柱单元的井斜角 ，井斜角增量。 减小管柱扭矩和摩阻的措施 为减小管柱在大位移井中的扭矩和摩阻，在大位移井 的设计与施工中要采取各种必要的措施。 (1) 优化井身剖面。 (2) 增强钻井液的润滑性 用润滑性能好的低毒性钻井液。许多大位移井采用油基钻井液，一般来说，润滑基对油基钻井液性能影响较小，而油水比对润滑性影响较大。 (3) 优化钻柱设计、使用高强度钻杆 底部钻具组合可少用钻铤，而使用高强度加重杆。 (4) 使用降扭矩工具 使用不转动的钻杆护箍可有效地减小扭矩。 (5) 对于套管，可在套管上加箍或使用加厚套管。近几年国外应用选择性浮动装置下套管技术，可降低套管的摩阻。这种技术的原理是在套管内全部或部分地充满空气，通过降低套管在井内的重量来降低套管的摩阻。用的较多的是部分充气，这种方法可使套管的法向力降低80%。 (6) 提高地面设备的功率 (7) 使用顶部驱动系统 2、钻柱设计 钻柱设计包括底部钻具组合设计和钻杆设计。在大
位移井中一般使用高强度薄壁钻杆，以减少扭矩和摩阻。对底部钻具组合（BHA），尺寸越大，钻柱的扭矩和摩阻也越大，这并不利于大位移井钻进，所以在保证钻压需要的前提下应使底部钻具组合的尺寸尽量减小。 （1）钻柱设计应考虑的因素 尽量减小压差卡钻的可能性。 使用螺旋钻铤和螺旋扶正器，以增大环空间隙和减小钻柱与井壁之间的接触面积。 尽量减少丝扣连接的数量。 采用井下可调稳定器。 尽量减少在大斜度井段使用加重钻杆的数量 。 选用高强度钻杆，使之具有足够的抗扭转力和抗磨能力。 给钻头施压时尽量不使钻杆发生弯曲。 (2) 钻压设计 大位移井的钻柱设计主要是钻压设计。在直井段底部和弯曲井段，钻柱的弯曲是不可避免的。在斜井段，可通过底部钻具的足够重量给钻头施加足够的钻压来避免钻柱的弯曲。为减少钻柱的扭矩和摩阻，在大位移井中底部钻具组合可部分的或全部的使用加重钻杆施加钻压。 若用常规钻杆对钻头施加钻压，要考虑钻杆的弯曲问题。设计的原则是钻杆某点受到的压力载荷，不应超过钻杆的临界弯曲载荷。在大斜度井中，井斜角有利于钻杆的稳定性，所以钻杆在直井中的临界弯曲载荷适用于大斜度井。在直井中，钻杆的临界弯曲载荷用下式计算，
REIWKFBCRITsin2 式中 FCRIT— 临界弯曲载荷，lb； E —杨氏 模量，psi； I — 惯性矩，in4； W —钻杆在空气中的重量，lb/ft； Kb —浮力系数，无因次； θ— 井斜角，度； R — 钻杆和井眼间的径向间隙，in。 上式提供了加重钻杆在直井中施加钻压的限制范围。钻杆所受的压力与上式计算的临界弯曲载荷相比，可以确定钻杆是否发生弯曲，如果发生弯曲，则要降低钻压，或更换具有更大的临界弯曲载荷的钻杆。 如上所述，钻杆所能施加的钻压可由下式确定， WOB≦FCRIT+WBS 式中 WOB — 设计钻压； WBS — 钻杆的浮重。
3、大位移井轨道到设计 轨道设计的原则 大位移井轨道设计，要求对所有参数进行优化，尽量降低井眼对管柱的扭矩和摩阻，提高管柱和测量工具的下入能力，并能尽量增大大位移井的延伸距离。 国外大位移井井身剖面的主要类型： （1）增斜 — 稳斜剖面 这种剖面的造斜率低，井斜角及测深增幅缓慢，但可降低钻柱的扭矩、摩阻和套管的磨损。 （2）小曲率造斜剖面 这种剖面的特点是造斜点较深，井斜角大，能降低 扭矩和摩阻，而且随目标深度的增加，旋转扭矩的增幅较小。 （3）准悬链线剖面 准悬链线剖面有许多优点，它不但对管柱的扭矩和摩阻低（钻柱与井壁之间的接触力近似为零），而且使套管的下入重量增加。目前这种剖面在大位移井中广为应用。 石油大学的韩志勇教授在准悬链线剖面的基础上提出了侧位悬链线剖面的设计方法，这种剖面比准悬链线剖面的扭矩和摩阻小。 侧位悬链线轨道设计方法： 轨道关键参数的计算 所谓轨道关键参数是指所有设计计算轨道的参数中需首先求出的参数。只要求出这些参数，轨道上的所有参数都可求得。
图2—3为大位移井轨道，轨道的关键参数为αb和LW。
关键参数的求法： 已知αb 求LW
bbbb
tbat
bw
tgtgSDDLsin24lncos1cos124ln)(1cos1
用下式计算特征参数A 1cos1sinbbwtLSa
求出轨道的关键参数和特征参数之后，就可进行轨道的节点和分点参数计算。 节点参数的计算 设计轨道是由垂直段、造斜段和稳斜段组成，相邻两个井段的分界点称为节点。上图轨道中，a、b为节点，a点的参数已知，b点的井深、垂深和水平位移为： babatgDL
24lnbabtgaDD
1cos1bbaS 所谓分点的参数，就是在各井段内，以上节点为始点，每隔30米为一个分点，每个分点需计算的参数有井深、垂深、井斜角、水平位移、东西坐标、南北坐标和造斜率7项。
4．大位移井的井壁稳定问题 1． 大位移井的井壁不稳定性 影响大位移井井壁不稳定的因素主要有以下几种： （1） 狭窄的泥浆密度范围 一般地，当井眼倾角增加时，泥浆要提供足够大的压力来防止井壁坍塌。同时，出现裂缝的可能性也增加了。简言之，防止井壁坍塌的泥浆密度范围较小。 （2）高的当量循环密度（ECD） 大位移井井眼长，泥浆循环时环空压降大，而泥浆密度工作范围窄，泥浆的高的当量循环密度容易达到井壁的破裂压力，而使井壁破裂。 （3）抽吸和激动压力 在大位移井中，由于狭窄的泥浆密度范围，井壁对抽吸压力和激动压力相当敏感。可能导至井壁坍塌或破裂。 （4）时间关系 井壁在低密度泥浆中长期侵泡，特别是水基泥浆的情况下，非稳性尤为明显，常常会造成许多钻井事故。 （5）化学反应 钻井液和地层间的化学作用也影响井壁稳定性，水基钻井液和油层上部的泥页岩经常发生强的化学反应，泥页岩膨胀，造成缩径或井壁坍塌。
2． 井壁稳定性的机理 （1）井眼（井壁）应力 原始地应力分为三项主应力，即上复应力Sv（亦称最大主应力）、最大水平应力SH和最小水平应力Sh ，如下图a。 打开井眼之后，原始地应力消失，而沿井壁重新分布，即平行于井眼轴线的应力SZ 、周向应力Sθ 和径向应力S R ， 如下图b。
a b （2）岩石的破坏 * 压缩破坏 当作用于岩石上的压力大于岩石的抗压强度时产生压缩破坏（井眼坍塌）。
