摩阻扭矩模擬計(jì)算在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

陳 剛，李豐寶，李元生，黃晨翔，王志斌

（西部鉆探定向井技術(shù)服務(wù)公司，新疆烏魯木齊830000）

1 概述

在水平井、大位移井鉆井過(guò)程中，井下摩阻以及扭矩的大小是阻礙鉆井施工的重要因素，這種影響除了可能導(dǎo)致增加施工難度，延長(zhǎng)作業(yè)時(shí)間，嚴(yán)重的甚至?xí)?dǎo)致鉆井無(wú)法正常進(jìn)行。其在現(xiàn)場(chǎng)的主要危害主要體現(xiàn)在：起鉆負(fù)荷大，下鉆阻力大；鉆進(jìn)時(shí)“脫壓”，導(dǎo)致鉆速很低；轉(zhuǎn)盤扭矩大，導(dǎo)致功率浪費(fèi)以及造成鉆具疲勞破壞等。因此，除了在鉆井設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行各種工況的摩阻扭矩計(jì)算，在鉆井過(guò)程中進(jìn)行摩阻扭矩的監(jiān)測(cè)也是很有必要的，在現(xiàn)有的裝備和技術(shù)條件下來(lái)改善鉆井狀況，預(yù)防事故和復(fù)雜的發(fā)生，對(duì)安全快速完成鉆井任務(wù)有著實(shí)際的意義。

2 影響摩阻扭矩的因素

圖1 摩擦力示意圖

如圖1所示，由摩擦力計(jì)算公式：

計(jì)算鉆井過(guò)程中鉆柱在井眼中受到的摩擦力。

臨界狀態(tài)下：

摩擦力的方向與鉆具運(yùn)動(dòng)方向相反，鉆具上行時(shí)：

下行時(shí)：

2.1 側(cè)向力

鉆具的重力、鉆具受到的拉力會(huì)直接影響側(cè)向力。除此而外，井眼的狗腿度造成鉆具與井壁接觸點(diǎn)增多，也是影響側(cè)向力的一方面原因；全剛性鉆具組合和全柔性鉆具組合在井眼中受到的側(cè)向力也是不同的，據(jù)研究其摩阻扭矩的計(jì)算結(jié)果誤差會(huì)達(dá)到10%。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)結(jié)果，一般認(rèn)為，5″鉆具在狗腿度小于15°/30m時(shí)，3-1/2″鉆具在狗腿度小于20°/30m可以忽略鉆具剛性對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。

式中：SF——側(cè)向力，kN/lenght；

DLS——狗腿度；

L——段長(zhǎng)；

T——拉力。

其中：較高的側(cè)向力會(huì)除導(dǎo)致摩阻扭矩較高外，還會(huì)造成鉆具和套管的磨損。

2.2 摩擦因子

井眼中的摩擦系數(shù)受多種復(fù)雜因素的影響，是材料于各種條件的綜合特性，并不是一個(gè)實(shí)際的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，所以用摩擦因子來(lái)代替摩擦系數(shù)。摩擦因子可以看作是一個(gè)受多種條件影響的摩擦系數(shù)。根據(jù)鉆柱的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，摩擦因子分為滑動(dòng)摩擦因子和轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦因子。

（1）不同的鉆進(jìn)井段（不同巖性）摩擦系數(shù)不同。

（2）實(shí)驗(yàn)用E-P極壓潤(rùn)滑儀測(cè)得水基鉆井液和砂巖模組系數(shù)0.3，以此為基準(zhǔn)，則泥巖、灰?guī)r為0.25，砂巖+泥餅質(zhì)量不良為0.35，砂巖+巖屑床沉積＞0.5。

（3）實(shí)際工況下，摩擦系數(shù)的大小與接觸面積、正壓力和滑動(dòng)速度有關(guān)。

（4）不同的潤(rùn)滑體系摩擦系數(shù)不同（見(jiàn)表1）。

表1 油基和水基泥漿摩擦因子取值表

（5）鉆柱與井壁接觸載荷的影響?，F(xiàn)代摩擦理論研究認(rèn)為，正壓力不但增加了摩擦力，而且增加了摩擦系數(shù)，實(shí)際工況下，鉆柱與井壁的接觸載荷越大，摩擦系數(shù)也將增大。

（6）泥漿性能的影響。不同的泥漿體系，摩擦系數(shù)不同。對(duì)同一種泥漿體系，一般來(lái)說(shuō)，如果粘度增大，則摩擦系數(shù)減小。另外，鉆柱和井液相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生剪切力，從而對(duì)鉆柱產(chǎn)生粘滯作用，粘滯力對(duì)摩阻的影響一般不會(huì)超過(guò)5%，但是要注意，當(dāng)鉆井液的Φ300讀數(shù)較大時(shí)，將導(dǎo)致鉆井液稠度增大，從而使鉆井液對(duì)鉆柱的附加摩阻增大。在相同井深和鉆井液密度下，鉆具組合不變，如果摩阻偏大，有可能是鉆井液的流變性能發(fā)生了變化，應(yīng)該引起足夠的重視。

2.3 鉆井液壓差阻力的影響

壓差阻力主要與鉆井液的密度、地層壓力、鉆井液泥餅厚度有關(guān)。密度增大，壓差阻力增大。壓差阻力對(duì)總摩阻的附加值一般在5%～10%左右。在計(jì)算中應(yīng)充分考慮這一影響。

3 使用軟件計(jì)算摩阻扭矩需要的參數(shù)

3.1 鉆具組合

首先，摩阻扭矩計(jì)算的對(duì)象是井眼內(nèi)的鉆柱，完全采用剛性理論和柔性理論都不能得到更貼近實(shí)際的計(jì)算結(jié)果，因此，我們推薦采用Dawson's cable model，如圖2所示，該模型認(rèn)為鉆柱在局部是剛性的，在整體是柔性的，整體符合“soft string”理論。

其次，鉆具穩(wěn)定器、鉆桿接箍等鉆具組合中較大外徑工具會(huì)造成鉆柱與井壁接觸點(diǎn)增多，這是計(jì)算摩阻扭矩不可忽略的影響。

對(duì)于鉆桿來(lái)說(shuō)，鉆桿本體容易超過(guò)抗拉極限而受到破壞，鉆桿接頭容易超過(guò)抗扭極限而受到破壞，對(duì)于優(yōu)質(zhì)接頭，其抗扭強(qiáng)度超過(guò)本體，所以本體抗扭就成為了鉆柱整體抗扭的短板，因此，在摩阻扭矩的計(jì)算中，務(wù)必要搜集準(zhǔn)確所有鉆具的鋼級(jí)、壁厚、內(nèi)外徑、接箍長(zhǎng)度、扣型，特別是一些特殊工具的技術(shù)參數(shù)，這些參數(shù)會(huì)影響到鉆具抗拉、抗扭、屈曲極限的計(jì)算結(jié)果是否準(zhǔn)確。

泥漿流經(jīng)大尺寸鉆具和小尺寸鉆具的流態(tài)不同，流速不同，也會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果有影響。

圖2 Dawson's cable modle鉆具理論示意圖

3.2 井身結(jié)構(gòu)

井身結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在套管內(nèi)和裸眼內(nèi)摩擦因子的完全不同。井眼的大小直接影響到鉆井液的流速，特別是要賦予裸眼一個(gè)較準(zhǔn)確的井徑擴(kuò)大率。

3.3 井眼軌跡數(shù)據(jù)

在井眼中，鉆柱的軸線和井眼的軸線并不重合，所測(cè)得的井斜并不是真實(shí)的井斜；在大狗腿度的井段，鉆具產(chǎn)生彎曲變形，導(dǎo)致測(cè)斜數(shù)據(jù)誤差；此外，其他因素：如儀器在鉆具內(nèi)不居中、儀器本身測(cè)量誤差等，嚴(yán)格遵守測(cè)斜操作程序，取得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對(duì)突變的數(shù)據(jù)重新多次測(cè)量，過(guò)濾掉數(shù)據(jù)串上的尖點(diǎn)，使得軌跡更接近實(shí)際的井眼軌跡。

3.4 泥漿性能參數(shù)

在現(xiàn)場(chǎng)，特別是高溫井，建議取得六速儀測(cè)得的6個(gè)參數(shù)，根據(jù)參數(shù)選擇對(duì)應(yīng)的模型，從而進(jìn)一步取得較為準(zhǔn)確的泥漿性能曲線。

3.5 地溫梯度

溫度主要影響泥漿的流變性能，為準(zhǔn)確期間取得各深度的井溫，描繪出地溫曲線，能更好地模擬溫度變化。

4 計(jì)算結(jié)果的輸出

進(jìn)行摩阻扭矩計(jì)算的目的是為了監(jiān)測(cè)鉆井施工過(guò)程，識(shí)別出鉆井中問(wèn)題的所在，制定相對(duì)應(yīng)的施工技術(shù)措施，摩阻扭矩主要通過(guò)以下幾個(gè)計(jì)算結(jié)果來(lái)判別。

4.1 側(cè)向力

側(cè)向力應(yīng)小于2000lbf/30ft,約為10kN/10m。

4.2 拉力（懸重）

以鉆具抗拉強(qiáng)度的80%作為允許載荷，以鉆具抗拉強(qiáng)度的60%作為工作載荷。

注意：在起鉆過(guò)程中，摩阻導(dǎo)致懸重較大，應(yīng)予以密切監(jiān)視。下鉆、滑動(dòng)鉆進(jìn)工況時(shí)拉力曲線不能于正旋屈曲交叉，復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)拉力曲線不能與螺旋屈曲曲線交叉，否則鉆具會(huì)發(fā)生正旋彎曲和螺旋彎曲。

4.3 扭矩

各種工況下，鉆具在各種工況下的扭矩應(yīng)小于鉆具抗扭強(qiáng)度的80%且低于上扣扭矩的80%。

4.4 應(yīng)力

應(yīng)力是判斷鉆具是否具有疲勞破壞風(fēng)險(xiǎn)的參數(shù)，其單位是psi。鉆具在井眼中受到正應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、剪切應(yīng)力，旋轉(zhuǎn)時(shí)還受到扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，由于鉆具在井眼中的徑向偏移很小，本文采用的Dawson's cable model將剪切應(yīng)力忽略不計(jì)，因此，在鉆井中采用合應(yīng)力VM（馮米斯應(yīng)力）在表示鉆具受到的總應(yīng)力強(qiáng)度。一般，鉆具受到的VM應(yīng)小于鉆具最低屈服強(qiáng)度的80%來(lái)避免失效，小于鉆具最低屈服強(qiáng)度的60%來(lái)避免疲勞。

5 現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中監(jiān)測(cè)摩阻扭矩

在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)摩阻扭矩，能及時(shí)判斷井眼是否清潔，泥漿的潤(rùn)滑效果是否良好，判斷技術(shù)措施是否有效。同時(shí)可以積累摩擦因子的數(shù)據(jù)庫(kù)。具體做法是記錄鉆具勻速上提下放時(shí)的懸重，鉆具提離井底的懸重和扭矩，及相對(duì)應(yīng)的井深，模擬出相對(duì)準(zhǔn)確的摩擦因子，使得各工況下的計(jì)算曲線貼近實(shí)際曲線。在每次接單根（立柱）、起下鉆時(shí)，或者大幅度增斜扭方位后，應(yīng)進(jìn)行摩阻扭矩的監(jiān)測(cè)?？辞€是否偏離原曲線，如果曲線明顯偏離原曲線，并且摩阻扭矩有增大趨勢(shì)，證明存在井眼清潔問(wèn)題或者軌跡有大狗腿。這時(shí)應(yīng)加強(qiáng)劃眼、調(diào)整泥漿性能、短起下鉆等針對(duì)性技術(shù)措施，在執(zhí)行措施之后，應(yīng)重復(fù)監(jiān)測(cè)步驟，來(lái)判斷井下情況是否好轉(zhuǎn)。如圖3所示，實(shí)際懸重不與計(jì)算懸重平行,并且明顯增大,證明實(shí)際摩阻扭矩增大。

圖3 某井實(shí)際摩阻監(jiān)測(cè)圖

6 結(jié)論

在深井、水平井、大位移井的施工過(guò)程中，摩阻、扭矩的預(yù)測(cè)和控制是鉆成井的關(guān)鍵和難點(diǎn)所在，因此，開(kāi)展摩阻、扭矩的研究和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，有著非常重要的意義。在摩阻扭矩計(jì)算時(shí)，要準(zhǔn)確搜集所需要數(shù)據(jù)，務(wù)求輸入數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，通過(guò)分析軟件模擬計(jì)算出的拉力扭矩以及應(yīng)力和側(cè)向力，以判斷是否存在井眼清潔問(wèn)題和是否潛在軌跡原因?qū)е碌你@具疲勞問(wèn)題。該項(xiàng)工作的重點(diǎn)在于搜集現(xiàn)場(chǎng)起下鉆數(shù)據(jù)，從而提高摩擦系數(shù)的精度。這項(xiàng)工作，要悉心觀察，仔細(xì)分析，充分考慮軟件模型未涉及到的影響因素，來(lái)補(bǔ)償計(jì)算結(jié)果，使理論計(jì)算更貼合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，真正能起到理論指導(dǎo)實(shí)際的作用。

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