冀東深層大位移井鉆柱安全分析與對(duì)策

張 月，孔 華，李戰(zhàn)偉，陳德強(qiáng)

（1.中石油煤層氣有限責(zé)任公司，北京100028；2.中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術(shù)研究院，河南濮陽(yáng)457001；3.中國(guó)石油冀東油田勘探開發(fā)建設(shè)工程事業(yè)部，河北唐山063200；4.中石化中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南濮陽(yáng)457001）

管柱的摩阻扭矩問(wèn)題是大位移井技術(shù)的核心問(wèn)題之一，它決定水平位移的最大延伸能力。影響大位移井管柱摩阻扭矩的因素很多，如井身剖面、井眼幾何特性、井眼凈化、管柱結(jié)構(gòu)、鉆井液性能、鉆遇地層性質(zhì)等[1-3]。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中，由于管柱的摩阻扭矩太大，可能出現(xiàn)鉆具起不上來(lái)或發(fā)生斷鉆具事故、套管柱組合不能下入合適的層位等問(wèn)題[4]。由此可見，大位移井管柱摩阻扭矩預(yù)測(cè)與分析始終貫穿于大位移井的設(shè)計(jì)、鉆井施工、完井、測(cè)井、采油等后續(xù)作業(yè)的全過(guò)程[5-6]。冀東油田所鉆定向井、水平井與國(guó)內(nèi)其他油田相比，存在“造斜點(diǎn)淺、垂深大、井底位移大、裸眼段長(zhǎng)”等特點(diǎn)，鉆完井等過(guò)程中存在較大的摩阻，井下鉆柱安全風(fēng)險(xiǎn)大。

針對(duì)冀東深層大位移井特點(diǎn)，建立了基于軟桿模型的摩阻扭矩分析方法，開展了冀東深層大位移井鉆柱安全性評(píng)價(jià)研究，分析了大位移井摩阻、扭矩分布情況，評(píng)價(jià)了鉆井軌跡、摩擦系數(shù)等對(duì)鉆井摩阻扭矩的影響，并提出了相應(yīng)的降摩減阻技術(shù)措施。

1 冀東大位移井鉆井特點(diǎn)

冀東油田已完鉆大位移井，其完鉆井基本數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，見表1。由表可知，冀東油田大位移井主要有以下特點(diǎn)：目的層深。冀東大位移井目的層垂深大于3500m，屬于深層大位移井；造斜點(diǎn)淺。由于沉積不明顯的軟地層造斜率要求低，上部造斜段長(zhǎng)（700m 左右）；穩(wěn)斜段長(zhǎng)。穩(wěn)斜段長(zhǎng)度均超過(guò)1000m，穩(wěn)斜角在40°左右，摩阻、扭矩大，攜巖困難；裸眼段長(zhǎng)。由于井身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受限，四開裸眼段長(zhǎng)超過(guò)2000m。

在冀東大位移水平井鉆進(jìn)過(guò)程中，由于裸眼段長(zhǎng)、摩阻大，井下鉆柱安全事故發(fā)生概率高。冀東油田大位移井完井復(fù)雜情況統(tǒng)計(jì)見表2，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，對(duì)于冀東大位移井，其井下復(fù)雜主要表現(xiàn)為：

（1）摩阻、扭矩大。由于裸眼段長(zhǎng)，摩阻大，鉆具和完井管柱下入困難，在個(gè)別井出現(xiàn)“放空”現(xiàn)象；鉆進(jìn)時(shí)扭矩高（達(dá)到45～50kN·m）、轉(zhuǎn)盤負(fù)荷大，鉆柱與井眼底邊套管和裸眼段接觸摩擦系數(shù)高使鉆頭不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，直接影響鉆頭壽命和機(jī)械鉆速。

（2）鉆柱斷裂或穿刺現(xiàn)象突出。鉆具下入和鉆井出現(xiàn)為彎曲，產(chǎn)生交變應(yīng)力導(dǎo)致鉆柱疲勞，出現(xiàn)斷裂、穿刺等問(wèn)題，嚴(yán)重地影響了鉆進(jìn)速度和井下安全。

2 大位移井摩阻扭矩計(jì)算模型的建立

大位移井的井眼曲率變化平緩，在起下鉆和鉆進(jìn)作業(yè)中，桿柱的橫截面上不會(huì)產(chǎn)生太大的剪切力，對(duì)于小曲率井眼，忽略剛度的影響，在工程上可以得到足夠的精度[7-9]。因此，本文對(duì)于摩阻扭矩的研究，采用軟管模型，通過(guò)管柱力學(xué)平衡方程建立大位移井軟管摩阻扭矩計(jì)算模型。根據(jù)管柱的受力特征，考慮接觸和井斜分量，可以得到不同分量管柱受力及管柱側(cè)向力的計(jì)算公式：

表1 冀東油田完成井基本數(shù)據(jù)

表2 冀東大位移井前期復(fù)雜情況統(tǒng)計(jì)

式中：α1、α2、φ1、φ2——單元長(zhǎng)度管柱兩端測(cè)點(diǎn)的井斜角和方位角，rad；

Wb——單元長(zhǎng)度管柱的浮重，N；

Wx、Wy、Wz——管柱浮重在軸向和徑向上的三個(gè)正交坐標(biāo)的分量，N；

T2——單元長(zhǎng)度管柱上下兩端面處的軸向力，N；

γ——單元長(zhǎng)度管柱處的狗腿角，rad；

NR——管柱與井壁之間的接觸側(cè)向力，N。

為了計(jì)算整個(gè)管柱在井眼中的摩阻扭矩，針對(duì)不同的鉆井工況，從單元長(zhǎng)度管柱的受力分析出發(fā)，考慮摩擦系數(shù)f 的影響，采用單元疊加的方法，建立了不同起下鉆等鉆進(jìn)摩阻和扭矩計(jì)算公式：

式中：F——起下鉆過(guò)程中的摩阻，N；

NRi——管柱第i個(gè)單元長(zhǎng)度管柱的側(cè)向力，N；

f——管柱與井壁之間的摩擦系數(shù)，無(wú)因次；

fe——旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中管柱與井壁之間的周向摩擦系數(shù)，無(wú)因次；

T——扭矩，N·m；

D0——鉆柱外徑，m。

3 大位移井鉆柱摩阻扭矩分析

以冀東典型大位移井為例，進(jìn)行相關(guān)分析。該井造斜點(diǎn)為500m，技術(shù)套管下深4203m，設(shè)計(jì)/實(shí)鉆井深為5376m，設(shè)計(jì)剖面和實(shí)鉆軌跡垂直剖面見圖1。鉆井液參數(shù)：密度1.40g/cm3，滑動(dòng)鉆壓120kN，旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆壓60kN，鉆頭處扭矩5.50kN·m。裸眼段模型系數(shù)為0.30，套管內(nèi)摩擦系數(shù)為0.25。

圖1 設(shè)計(jì)軌道和實(shí)鉆軌跡垂直剖面圖

鉆具組合為：?215.9mm 牙輪鉆頭×0.24m+?172.0mm 螺桿×8.10m+?127.0mm 無(wú)磁承壓鉆桿×9.35m+MWD 短節(jié)×0.89m+?127.0mm 加重鉆桿×9.30mm+?127.0mm 鉆桿×733.63m+?127.0mm 加重鉆桿×120.5m+?127.0mm鉆桿×563.75m+?139.7mm鉆桿。

3.1 側(cè)向力分布

圖2 分別為實(shí)鉆軌跡鉆柱側(cè)向力隨井深分布情況。從圖可以看出，對(duì)于大位移井，鉆具側(cè)向力主要集中在上部造斜段和底部鉆具組合（BHA）井段。其中上部井段500～1100m與大斜度井初始造斜段向吻合，特別是起鉆過(guò)程中側(cè)向力較大。該段鉆具承受軸向拉、壓交變應(yīng)力以及彎曲應(yīng)力，從而使得該段鉆具受力復(fù)雜，易產(chǎn)生疲勞破壞。實(shí)鉆軌跡井眼曲率變化較大，井眼光滑程度降低，導(dǎo)致鉆柱側(cè)向力分布波動(dòng)較大。這也是前面部分大位移井施工中鉆具在上部井段發(fā)生斷裂的主要原因之一。

圖2 設(shè)計(jì)軌道側(cè)向力沿井深分布

3.2 扭矩分布分析

由于摩擦阻力的影響，井口輸出扭矩沿著鉆柱逐漸衰減。圖3為設(shè)計(jì)軌道和實(shí)鉆井眼軌跡條件下，扭矩沿鉆柱的分布情況。從圖中可以看出，對(duì)于設(shè)計(jì)井眼由于井眼曲率比較平滑，其最大扭矩值低于G 級(jí)80%壁厚的鉆柱抗扭強(qiáng)度，但實(shí)鉆中，由于井眼曲率的隨機(jī)和不規(guī)則，從而造成鉆柱扭矩有所提高，上部井段扭矩值已經(jīng)超過(guò)了G級(jí)80%壁厚鉆桿所能承受的最大上扣扭矩，因此鉆桿磨損嚴(yán)重時(shí)，存在鉆柱損壞的可能。

圖3 扭矩沿井深分布

3.3 鉆井深度對(duì)摩阻和扭矩的影響

基于位移不變（3200m），改變?cè)O(shè)計(jì)完鉆垂深（3000m、3500m、4000m），分別計(jì)算鉆至完鉆井深的摩阻扭矩情況，見表3。從表中可以看出，在位移條件下，隨著完鉆井垂深的增加，井深增加不多，但摩阻和扭矩增加相對(duì)較大。

表3 不同垂深條件下摩阻扭矩計(jì)算結(jié)果

3.4 大位移井摩阻扭矩變化

由于鉆井過(guò)程中，摩擦系數(shù)受到實(shí)鉆井眼及鉆井液等影響較大，而摩擦系數(shù)的變化對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響較大，因此計(jì)算中，分別計(jì)算了不同摩擦系數(shù)條件下的相關(guān)結(jié)果?；瑒?dòng)鉆進(jìn)過(guò)程中摩阻和復(fù)合鉆進(jìn)扭矩隨井深和摩擦系數(shù)變化見圖4、圖5。

圖4 滑動(dòng)鉆進(jìn)摩阻隨井深和摩擦系數(shù)變化

圖5 旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)井口扭矩隨井深和摩擦系數(shù)變化

從圖中可以看出，隨著井深的增加，摩阻和扭矩基本呈線性增加，摩擦系數(shù)的影響也更加顯著。當(dāng)鉆進(jìn)至5376m設(shè)計(jì)井深處時(shí)，即使在井眼規(guī)則、摩擦系數(shù)較低的情況下，鉆盤扭矩以接近或超過(guò)鉆柱（普通級(jí)別，最小壁厚為名義壁厚的80%）的抗扭強(qiáng)度。因此，對(duì)于鉆具的抗拉強(qiáng)度和接頭的上扣扭矩成為大位移井安全鉆進(jìn)的主要考慮因素。

4 主要技術(shù)措施及建議

4.1 合理優(yōu)化鉆具組合

在大位移井中，設(shè)計(jì)合理的鉆具組合是鉆井設(shè)計(jì)中的核心問(wèn)題之一，它關(guān)系到能否安全、順利鉆達(dá)目的層位。通常，要對(duì)鉆具組合的三軸應(yīng)力進(jìn)行校核，使三軸應(yīng)力的安全系數(shù)達(dá)到1.67 以上，避免出現(xiàn)鉆具事故，以確保鉆機(jī)能力足夠富余；還要對(duì)鉆具的側(cè)向力進(jìn)行校核，把側(cè)向力控制在安全的范圍內(nèi)，避免鉆具受到地層的磨損或者鉆具磨損套管，盡量避免出現(xiàn)因套管磨損無(wú)法鉆進(jìn)或卡鉆的情況，為后續(xù)作業(yè)創(chuàng)造良好的條件。此外，還要盡量簡(jiǎn)化井底鉆具組合(BHA)，減少不必要的鉆鋌、穩(wěn)定器和加重鉆桿等附件，讓BHA 盡量輕，盡量簡(jiǎn)單。

大位移井管柱的摩阻扭矩很大，要求管柱的強(qiáng)度高，尤其是抗扭強(qiáng)度。管柱由本體和接頭組成，雖然本體不是管柱的薄弱環(huán)節(jié)但對(duì)于特大位移井（特大扭矩）來(lái)講管柱本體的抗扭強(qiáng)度也必須考慮，對(duì)于管柱接頭，更是應(yīng)當(dāng)十分關(guān)注的部位。從分析可知，對(duì)于大位移井，鉆柱設(shè)計(jì)必須滿足鉆柱抗拉強(qiáng)度及高抗扭要求。上部井段要采用139.7mmS135 級(jí)鉆桿，可承受較高扭矩和抗拉強(qiáng)度。在起下鉆過(guò)程中，應(yīng)及時(shí)對(duì)鉆具磨損和疲勞情況進(jìn)行跟蹤，對(duì)側(cè)向力較大處倒換鉆具，降低鉆具疲勞破壞。

同時(shí)采用，合理加裝大位移井減扭阻工具能有效地減少摩阻，減低扭矩，提高了鉆具的使用性能，減少了鉆具的磨損[10]。

4.2 保證井眼軌跡光滑

井眼曲率的不規(guī)則會(huì)加重鉆柱的彎曲變形以及側(cè)向力，一方面，較高的井眼曲率導(dǎo)致實(shí)鉆摩阻、扭矩遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)井眼的摩阻扭矩；另一方面，當(dāng)狗腿度超標(biāo)時(shí)，不同剛性鉆具在旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)中不同的角速度產(chǎn)生不同頻率的側(cè)向振動(dòng)，從而加劇鉆具疲勞。

前面分析可知，隨著井眼摩擦系數(shù)的增加，摩阻和扭矩也隨之提高，因此，需要提高井眼清潔程度。當(dāng)巖屑床厚度較大時(shí)應(yīng)采取水力清洗與機(jī)械破巖相結(jié)合的方式進(jìn)行井眼清潔操作，優(yōu)化排量減小鉆井液的固相含量，提高鉆井液動(dòng)塑比。如果井眼清潔效果不好仍然存在穩(wěn)定的巖屑床時(shí)，考慮在該井段裝入剛性長(zhǎng)棱穩(wěn)定器或者專用機(jī)械破床工具后打入大段稠塞進(jìn)行強(qiáng)力清洗。

5 結(jié)論與建議

（1）大位移井井下受力復(fù)雜，鉆具在斜井段受到長(zhǎng)期的彎曲應(yīng)力已產(chǎn)生疲勞破壞，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)鉆具的出入井質(zhì)量檢測(cè)，并合理優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)。

（2）理論分析與實(shí)鉆情況統(tǒng)計(jì)表明造斜點(diǎn)附近鉆具承受的較大的側(cè)向力和拉伸載荷，是整個(gè)大位移井鉆具安全的薄弱段，應(yīng)對(duì)該段鉆具的使用加強(qiáng)管理。