大斜度长稳斜井段钻井摩阻／扭矩分析、预测与控制

第1 9卷

第 2期

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Vo 1 . 1 9 No . 2

2 0 0 9年 6月

J I A N G H A N P E T R O L E U M S C I E N C E A N D T E C H N O L O G Y

J u n . 2 0 0 9

大斜度长稳斜井段钻井摩阻/扭矩分析、 预测与控制谢学明 黄军辉彭正洲(江汉石油管理局钻井公司 ) 摘要在大斜度长稳斜井段钻井作业中，钻柱的摩阻/扭矩分析、预测与控制对大斜度定向

井整体作业的安全高效具有重要意义。本文对影响摩阻/扭矩的因素进行了分析，其中包括重力、

摩阻系数、井眼轨迹、井壁岩石力学性质、岩屑床厚度、井眼缩径、井壁坍塌、泥饼厚度和压差等。结合井眼轨迹参数计算的最小曲率法，提出了计算三维井眼中钻柱轴向力/扭矩的计算模型，并提出 了一套摩阻/扭矩预测方法，其中包括现场数据收集、摩阻系数反演和摩阻/扭矩预测。对摩阻/扭矩控制方法进行了系统的总结，其中包括钻井液性能、减扭接头、清除岩屑床接头、钻杆、底部钻具组合、钻头和作业措施。最后结合江汉油田的工程实例，对本文所述方法进行了验证性应用，结果

表明本文方法对工程的实施具有很好的指导作用。 主题词定向井大斜度长稳斜井段钻井摩阻扭矩 1 . 1重力与摩阻系数在正常条件下，钻柱承受的重力与摩阻是产生其轴向力/扭矩的内因。为了建立计算三维井眼中钻柱轴向力的通用模型，首先考虑两井眼轨迹测点

大斜度井是最大井斜角超过 5 5。的定向井，其长稳斜井段的安全高效钻进具有重要的经济价值。 较准确地掌握该井段钻井作业的摩阻/扭矩规律是安全高效钻进的重要前提之一，例如，能较好地解释加不上钻压 (俗称托压 )的原因；钻井摩阻/扭矩对断钻具事故的预报具有指导作用。从发表相关文献数量极多的事实也可以看出摩阻/扭矩问题既重要又难于解决。近来，在国际上摩阻/扭矩问题的研究仍然受到重视。摩阻是斜井中钻柱轴向力的重要组成部分，对比实际状态和理想状态 (即零摩阻状态 )

之间的一个钻柱单元，建立轴向力和与

其相关的因素之间的关系式。在推导过程中，假设：①钻柱单元的曲率为常数；②钻柱轴线和井眼轴线重合，此假设隐含钻柱单元的曲率和井眼曲率相同；③两测点之间的井眼轨迹位于一个空间平面内；④钻柱的弯曲变形仍在弹性范围之内。在上述假设的基础上，经过推导与合理简化，可得：F。 f+ 1=F+( g C O S O l+

的轴向力，它们之差即为摩阻。扭矩是使下部钻柱转动而需要施加的力矩，钻柱上任一点离钻头越远，则承受的扭矩越大。因此，摩阻/扭矩要通过计算钻柱轴向力得到。本文系统地阐述影响摩阻/扭矩的

)△

( 1 )

式中， F …为钻柱单元上端的轴向力， N; F 为钻柱单元下端的轴向力， N; q e i为单位长度钻柱在钻井液中的重量， N/ m; 为平均井斜角， r a d; 为

因素、预测方法和可采用的控制技术措施。最后，给出一个工程应用实例。

轴向的摩擦系数或摩阻系数，无量纲； f n为由钻具重量、轴向力、井眼弯曲、钻柱弯曲和屈曲等产生的正压力， N/ m; L;为钻柱单元的长度， m。

1 摩扭矩的影响因素分析影响摩阻/扭矩的因素按可预测的准确程度可

当钻柱提离井底并转动时，转盘扭矩由钻柱和井壁之间的摩阻产生。当旋转钻进时，转盘扭矩由第一作者简介作。

以分为定量因素和定性因素。目前，可以定量计算的因素为重力、摩阻系数、测斜数据和钻柱变形；而只能定性分析的因素为岩屑床厚度、井眼缩径与坍塌、裸眼井壁岩石的力学性质、泥饼厚度和压差等。谢学明，男， 1 9 8 3年毕业于江汉石油学院，高级工程师，长期从事定向水平钻井技术研究与现场工

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钻柱井壁间摩阻和钻头扭矩共同产生。扭矩的计算步骤和轴向力类似，计算过程中要先计算轴向力和正压力，然后再计算扭矩，单元上端的扭矩由下式计算：

度地提高钻井液密度，由于钻井液液柱压力的作用， 钻柱受到的摩阻/扭矩会明显增大。因此在钻井设计中必须考虑到钻井液性能参数及其变化对摩阻/

扭矩的影响，并

根据不同情况进行计算和修正。

M t i+ l=+ (字 )△

( 2 ) 2 摩阻/扭矩预测与摩阻/扭矩预测相关的工作包括收集邻井的现场数据，以上述数据为基础进行摩阻系数反演，并将反演所得的摩阻系数与定性分析结论应用于设计井的摩阻/扭矩预测。2 . 1现场数据收集

式中， Mm为单元上端的扭矩， N m; M i为单元下端的扭矩， N m; 为钻具外壁圆周切向的摩擦系数或摩阻系数，无量纲； D i为钻柱接头的外径，nq。

1 . 2井眼几何形态

井眼几何形态对钻井作业中摩阻/扭矩有着重要的影响，通常以摩阻/扭矩最小为约束条件最优化井眼轨道设计，可选用的轨道类型包括常规三段制、

与钻井作业摩阻/扭矩的分析、预测与控制密切

相关，因而需要尽可能取全取准的现场数据包括：①测斜数据 (井深，井斜角，方位角 );②管柱组成 (管

悬链线、二次抛物线、双增剖面等。如果实钻井眼轨迹偏离了设计方案，那么就会直接影响到钻柱与井壁的接触状态，并造成摩阻系数的增大，进而导致钻

径，接头外径，壁厚，线密度，段长 );③井径(井深， 井径);④起下钻 (包括短起下)过程大钩载荷实测值(大钩载荷，井深);⑤旋转钻进 (包括划眼和倒划眼)过程转盘扭矩实测值 (转盘扭矩，井深 );⑥旋转钻进过程 (包括划眼和倒划眼 )大钩载荷实测值(大钩载荷，井深 );⑦旋转钻进过程 (包括划眼和倒划眼)钻压实测值 (钻压，井深);⑧滑动钻进

井作业的摩阻/扭矩的增加。井眼弯曲程度越高，则摩阻/扭矩越大。 1 . 3裸眼井壁岩石的力学性质

当井眼直径小于钻具接头时，即使差值 (或过盈量)很小，比如 0 . 1 i n l 2 q,也会产生很大的阻力，比

如大于 1 0 0 k N/ m,而该阻力的具体大小与下述因素有关，钻具接头外径、壁厚、弹性模量和泊松比，井眼直径，以及裸眼井壁岩石的弹性模量和泊松比。钻具接头的弹性模量和泊松比可以看作常数，如果其它条件相同，则壁厚越大，产生的阻力越大。裸眼井壁岩石的弹性模量和泊松比越大，则产生的阻力越大。

井眼直径越小，则产生的阻力也越大。1 . 4岩屑床厚度、井眼缩径与坍塌

过程大钩载荷实测值 (大钩载荷，井深);⑨滑动钻进过程钻压实测值 (钻压，井深 );⑩钻井液性能，岩性及故障提示。2 . 2轴向力/扭矩计算方法在计算轴向力/扭矩之前，需要先进行实际或设

计井眼轴线的计算，其计算方法有二十多种，常用的有平衡正切法、平均角法、圆柱螺线法和最小曲率法。本文以适合井眼轨迹参数计算的最小曲率法为前提，提出了计算三维井眼中钻柱轴向力/扭矩的通用计算模型，它既适用于计算实钻井眼中钻柱的轴向力/扭矩，同样也适用于根据设计井眼轨道计算钻

岩屑床极易形成于井斜角在 3 0。~6 0。的井段，2 0 0 0年江苏石油勘探局安徽石油勘探开发公司的统计资料表明，由于井眼净化程度差，发生在井斜角

大于 3 0。井段的复杂情况和卡钻事故处理时间占建

柱的轴向力/扭矩。其主要计算过程是，从钻柱的下端即钻头位置开始，一个单元接一个单元地计算单元上端的轴向力/扭矩，直到大钩，则最终得到整个钻柱的轴向力/扭矩沿井深方向的分布，其中离钻柱下端最远处的轴向力/扭矩就是大钩载荷/钻盘扭矩的计算值。2 . 3摩阻系数反演

井完井总 …… 此处隐藏：6096字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……