大斜度井摩阻扭矩问题及其对策

本文摘要：（由ai生成）

大位移井钻探面临水力、摩阻扭矩和钻具屈曲等关键技术挑战。摩阻扭矩受钻杆重量、井眼摩擦系数和井斜角度影响，钻具屈曲在不同井况下表现各异。为应对这些挑战，需采用高强度钻杆、倒装钻具等措施。摩阻扭矩计算涉及柔索和刚性模型，水力计算关乎井眼清洁和设备耐压。技术措施包括提升设备耐压能力、优化泥浆性能等，确保系统压耗在安全范围内。通过综合应用这些技术和措施，可有效提升大位移井钻探效率，保障钻井作业的安全与稳定。

大位移井钻井最大深度突出钻井的极限，而非设备的极限，设备可以升级，钻井极限受制于水力、摩阻扭矩和钻具屈曲等因素。

a）摩阻扭矩

（1）理论基础

摩阻扭矩产生有两种不同机理：低边钻杆重量、通过增降斜、扭方位井段在钻具拉伸状态产生钻柱侧力。钻具重力沿井壁对钻具产生正压力，由于井眼摩擦系数，因此产生阻碍钻具运动方向相反的摩阻，与钻具重量，泥浆浮力系数和井斜角度大小相关。钻柱侧压力则是通过造降斜、扭方位井段时，由于钻柱受拉，沿着井眼井壁产生附加接触侧压力，同样因接触界面的摩擦系数产生摩阻，在弯曲井段，上提、下放、旋转状态下摩阻力的方向是不一样的。在稳斜段，上提下放摩阻是一样，在造斜段，上提比下放经过造斜段时产生更大的侧应力，侧应力在钻具旋转时对套管产生磨损，尤其在浅层造斜段，因越接近地面钻具受拉是最大的，产生钻具侧应力也大，旋转对套管产生磨损也更严重，因此浅层造斜要注意井眼曲线的平滑。降斜井段，由于井斜减小，钻具有效重量增大，上提下放相应都比造斜段钻具有更高的悬重。除了摩阻，钻具的旋转扭矩也与上述钻柱受力状态相关，因此减扭器理想位置应加在造斜段。

关于大位移井摩阻扭矩认识归纳如下：

①对于高角度，垂深浅的井：高摩阻和低有效悬重会限制钻井深度，在无悬重或负悬重情况下，钻具必须通过旋转下到井深；

②垂深深的大位移井：由于钻柱的负荷使钻井深度不会太深，因为下部钻具重量越重，旋转扭矩越大，超过钻柱的强度；

③S型剖面的大位移井：如果井眼平滑缓降，井段不长，对钻柱摩阻扭矩影响不大，但对于降至井斜很小的井，因悬挂着有效钻具重量，会产生较高的摩阻扭矩；

④低角度井：摩阻一般不存在问题，滑动定向比较容易，但扭拒很高和套管磨损成为问题焦点；

⑤中角度井：结合高角度和低角度特性，摩阻比扭矩也许显得更关键，扭矩则为不定因素；

⑥高角度井：摩阻扭矩都很重要，如下部钻具重量重可能会产生高扭矩，因此在钻具组合上用加重钻杆代替钻铤，并控制一定数量，尽可能少加，在钻柱上采用复合钻柱和倒装钻具。

（b）钻具屈曲

钻具在井眼里由于受压而发生弯曲，在大尺寸井眼、小角度井，小的钻具刚性很容易发生受压失稳产生弯曲。高角度井难发生钻具弯曲，但不是不可能，在其稳斜段和直井段如钻具受压也会发生弯曲，在造斜段由于钻柱的弯曲应力存在使此段钻具弯曲更为困难。弯曲形态分正弦弯曲和螺旋弯曲。

（1）正弦弯曲：是钻柱发生弯曲的第一形态，也称蛇行弯曲，但由于钻具重量，钻具只在低边发生屈曲，但屈曲的钻具没有触及高边井眼的井壁，在钻井中不利因素影响钻压有效传递，在钻井中导向马达经常性发生制动，工具面不易控制。

（2）螺旋弯曲：钻柱发生二次弯曲形态，钻柱压缩象弹簧，充满整个井眼，由于井壁支点支撑消耗了钻压的传递，发生钻具自锁。

因钻具弯曲力远低于钻具材质的屈服值，因此钻具是可以受压弯曲的，不是不可以，但只局限于钻具静止状态，因为钻具旋转发生弯曲，产生交变应力使钻具很快发生疲劳破坏。对于钻具弯曲有害影响，可采取以下有效措施：

（1）采用尺寸大的刚性强的高强度钻杆；

（2）倒装钻具；

（3）在关键井段加强此处钻具的刚性；

（4）减小摩阻，提高泥浆的润滑性，使用减阻设备；

（5）采用旋转导向钻具代替常规导向马达；

（c）摩阻扭矩计算模型计算。

摩阻扭矩现在可以采用计算机软件理论计算，算法建立在普通的力学数学模型上，可以跟现场数据互动，通过现场数据可对软件输入数据进行校定。摩阻扭矩计算假设钻具两种形态：柔索模型和刚性模型。大多数模型计算都假设柔索模型理论计算，不考虑钻具的刚性和几何形态。

（1）摩擦系数

有三种类型的摩擦系数：上提、下放、旋转。因为上提下放钻具在井里与井壁接触面不一样，特别是在造斜段。不同作业如钻井和下套管也产生不同的摩擦系数。摩擦系数受影响因素很多如泥浆性能、地层岩性、井眼清洁、井眼剖面设计等。摩擦系数分为动摩擦系数和静摩擦系数，静摩擦系数要比动摩擦系数高，在平台负荷有限情况下，静摩擦系数可能会成为制约因素，因此在作业设计时要提前考虑静摩擦系数影响。下表为动摩擦系数一些经验值：

（2）摩阻扭矩设计

摩阻扭矩计算摩擦系数确定凭经验给定，另外模型假设跟实际情况还是有一定的差距，所以理论计算和实际值存在一定的差距，为了使计算具有一定的参考，在设计前必须取得本地区临井作业经验，进行计算校核出本地区摩擦系数范围。这些计算可以有效指导和优化井眼剖面设计、井身结构、钻具组合、减阻器等特殊工具使用，泥浆体系的选择等，通过各种措施调整使摩阻扭矩计算结果在钻井设备许可情况下，并附加一定安全系数。前期的设计很重要，作为大位移井钻井可行性分析手段，而非盲目没有依据。

d）水力计算

（1）设计意义简述

大位移井水力设计计算意义非凡，前期准备工作关键的一环。水力计算包括整个循环系统压耗计算、钻头的水马力、岩屑床的高度、起下钻压力激动和抽吸、ECD计算等。水力理论计算采用四种流体模型计算：幂律流体、牛顿流体、非牛顿流体、宾汉流体。计算输入项包括泥浆性能朔性粘度、屈服值及泥浆密度值、钻具的结构、钻头水眼过流面积、井身的剖面设计或实钻的测斜数据及井温和压力对泥浆性能的影响等，进行整个系统压耗的计算。理论计算和实际毕竟存在距离，这些都要在邻井中进行校正，针对不同流体计算要进行选模，如果数据曲线基本吻合，基本平行，那是有一定的参考意义，因为钻具内部存在涂层对水力存在影响，另外可能下部钻具的内部水力压耗估算存在差值。水力计算的意义如下几点：

①一定的排量范围下模拟计算系统循环压耗，了解设备耐压是否能满足钻井排量要求；

②井眼的清洁，在设备许可排量范围内计算单位进尺速度、岩屑大小、排量与井眼清洁关系；

③计算钻头水马力，一般水力破碎岩石在大位移井中并不是需要考虑因素，而是泥浆的剪切性能，这需要经过钻头水眼高速剪切，以利井底清洁和泥浆带砂；

④计算ECD，计算理论值和实际的ECD的差值，可以了井眼清洁程度；

⑤计算下钻及下套管的激动压力和起钻的抽吸压力，指导起下钻。

（2）技术措施

如何在满足井眼清洁需求排量的情况下，系统压耗在设备耐压安全值内。技术措施主要从以下方面考虑：

①升级设备能力，包括整个循环闭合系统：地面管线、泵、钻杆的耐压能力；

②选用大尺寸钻杆，内径大，在相同排量情况下降低系统压耗；

③选用合适泥浆类型及良好泥浆性能；

④考虑下部钻具的压耗损失，使计算更贴近实际值，如可调扶正器、旋转导向工具、钻头水眼等，优化钻具组合；

⑤提高固控设备处理能力，维护好泥浆性能。