水平井摩阻影響因素分析及減阻技術(shù)研究

張文寧

（大慶鉆探工程公司鉆井工程技術(shù)研究院，黑龍江大慶 163413）

鉆井成本在油田勘探開發(fā)的總成本中占有重要比例。油氣開采過程中的大多數(shù)生產(chǎn)成本，如管道、閥門、安全設(shè)備等是固定投入，難以大幅度降低成本。因此，優(yōu)化鉆井技術(shù)成為降低油氣開采總體成本的有效途徑之一。

水平井可以大幅度延長單井的油藏接觸面積，從而提高井產(chǎn)能，已經(jīng)成為研究的熱點(diǎn)。尤其是在薄差油層，水平井比常規(guī)的直井或定向井更具備技術(shù)優(yōu)勢。

本文基于以往經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)理論，對水平井摩阻影響因素及減阻技術(shù)進(jìn)行了研究。

1 摩阻扭矩影響因素分析

1.1 鉆柱長度對摩阻和扭矩的影響

在水平井鉆進(jìn)過程中，在水平截面和斜截面上，鉆柱產(chǎn)生的摩阻均隨著鉆孔深度的增加而增加。這是因?yàn)?，隨著鉆柱長度的增大，由鉆柱重量產(chǎn)生的壓力上升，與井壁的接觸面積增加，產(chǎn)生的摩阻也在增加[1-2]。研究表明，摩阻與鉆柱長度幾乎呈線性關(guān)系。但隨著鉆柱長度和井深的增加，地層的性質(zhì)各不相同，地層摩擦系數(shù)和井眼曲率也影響摩擦力的變化。因此，鉆柱長度不是一個獨(dú)立的預(yù)測摩擦阻力的因素。表1是徐深氣田某水平井的摩阻和井深的關(guān)系，從中可以看出每增加100m，摩阻增加50kN以上。

表1 徐深X井水平段長度與摩阻的變化表

1.2 轉(zhuǎn)速對摩阻扭矩的影響

在水平井旋轉(zhuǎn)鉆井過程中，存在圓周旋轉(zhuǎn)摩阻（增加扭矩）和軸向摩阻，摩阻受轉(zhuǎn)速的影響較為明顯。此外，當(dāng)剛性界面（鉆柱）和粘性界面（鉆孔壁）相接觸時，它的影響（鉆孔中的扭矩和摩擦力）與靜態(tài)接觸時間有關(guān)[3-4]。同時，兩個界面之間的相對位移和相對旋轉(zhuǎn)速度對摩阻也有影響。在鉆進(jìn)時，鉆頭和井壁之間產(chǎn)生粘滯阻力，粘滯阻力的增大導(dǎo)致鉆柱上的扭矩增大。但是，如果鉆柱旋轉(zhuǎn)速度加快，相對井壁的旋轉(zhuǎn)頻率增加，則粘滯阻力減小，扭矩也相應(yīng)減小。因此，在復(fù)合鉆進(jìn)過程中，適當(dāng)增加旋轉(zhuǎn)速度可以減少因摩阻和扭矩增大而導(dǎo)致井下事故發(fā)生的概率[5-6]。

1.3 鉆井液密度對摩阻扭矩的影響

隨著井深和地層壓力系數(shù)的變化，鉆井液密度需要做相應(yīng)調(diào)整，也會對摩阻產(chǎn)生影響。現(xiàn)場試驗(yàn)過程中對比了使用同一種鉆井液體系，但密度分別為1.8g/cm3和密度為1.4g/cm3的兩口井發(fā)現(xiàn)，使用高密度鉆井液的水平井摩阻明顯高于低密度鉆井液。分析原因認(rèn)為：增加鉆井流體密度必然需要更高的固體含量，相應(yīng)地會增加濾餅厚度和摩阻系數(shù)。此外，較高的鉆井液密度會導(dǎo)致較高的液柱壓力，從而在鉆具上產(chǎn)生更大的壓力。高密度鉆井液在井底容易發(fā)生巖屑夾帶效應(yīng)，造成地層重復(fù)切削，巖屑不能迅速返出井口，從而增加摩擦和扭矩。

2 降低摩阻和扭矩的技術(shù)措施研究

2.1 井眼軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)

水平井較長的水平位移和較大的井斜角是產(chǎn)生摩阻和扭矩的主要原因。因此井眼軌跡優(yōu)化的主要任務(wù)之一就是從設(shè)計(jì)角度來降低摩阻和扭矩。

（1）懸鏈線剖面設(shè)計(jì)法。該方法認(rèn)為當(dāng)井下的鉆柱長度超過1000m時，鉆柱本身具有很好的柔韌性，可以近似的看成一條懸鏈線。相應(yīng)的如果實(shí)鉆軌跡也設(shè)計(jì)成懸鏈形狀就可以大幅度減少鉆柱和井壁之間的摩阻和扭矩。

（2）修正懸鏈線剖面設(shè)計(jì)法。修正懸鏈線剖面設(shè)計(jì)法主要對部分井眼曲率大的井況進(jìn)行修正，從而使設(shè)計(jì)剖面更符合井下鉆具的實(shí)際情況。

（3）擬懸鏈線剖面設(shè)計(jì)法。該方法的特點(diǎn)是造斜率逐步變大，增加幅度相對較平緩，有利于降低鉆柱扭矩和后期的下套管作業(yè)。

2.2 鉆具組合優(yōu)化

鉆具組合優(yōu)化主要是優(yōu)化鉆桿、鉆鋌等鉆井工具在鉆柱中的最優(yōu)位置和使用長度。如使加重鉆桿和鉆鋌的放置位置盡量處于小井斜處，而避免放置在水平段，從而減少它們和井壁的接觸面積，降低重力作用產(chǎn)生的摩阻和扭矩。

2.3 鉆井液設(shè)計(jì)優(yōu)化

由于在水平井段內(nèi)巖屑的物理運(yùn)動方式發(fā)生了根本性的變化。如果不能將巖屑順利攜帶出井筒，導(dǎo)致巖屑在水平空間內(nèi)沉積形成巖屑床，則會造成摩阻扭矩增大、卡鉆、井下漏失、下套管困難、固井質(zhì)量差等一系列問題。而鉆井液的潤滑性、固相含量和流變性能對井筒內(nèi)的巖屑床形成和泥餅質(zhì)量有重要影響。

通過對鉆井液的流變性、抑制性和潤滑性進(jìn)行優(yōu)化，使大慶油田使用的高性能鉆井液的各項(xiàng)性能得到了進(jìn)一步提高。表2對比了優(yōu)化后的大慶高性能鉆井液和其他水平井鉆井液的流變性能和失水性能，表3對比了抑制性，表4對比了潤滑性，從數(shù)據(jù)可知大慶油田的高性能鉆井液體系具有良好的性能，與油基鉆井液類似，但在實(shí)際施工過程中要重點(diǎn)注意含砂量控制和潤滑劑的補(bǔ)充。

表2 國內(nèi)外不同鉆井液體系對比評價數(shù)據(jù)表

表3 國內(nèi)外不同鉆井液體系抑制性對比數(shù)據(jù)表

表4 國內(nèi)外不同鉆井液體系潤滑性對比數(shù)據(jù)表

2.4 減阻工具的應(yīng)用

除了常規(guī)的減阻方法外，近年來使用儀器設(shè)備進(jìn)行減阻增效，也成為重要的技術(shù)手段之一。目前常用的減阻工具有減扭接頭和減阻接頭。

鉆桿通過減扭接頭進(jìn)行連接，減扭接頭的外套大于鉆桿直徑，施工過程中鉆桿的大部分不直接與井壁發(fā)生摩擦，減扭接頭內(nèi)部的軸承可以使滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，進(jìn)一步降低了剛性界面和柔性界面接觸的摩擦阻力。

減阻接頭的工作原理是減少鉆柱和井壁之間的靜態(tài)接觸時間，當(dāng)鉆井液進(jìn)入減阻接頭內(nèi)時，由于鉆井液的沖擊作用，會對減阻接頭產(chǎn)生脈沖沖擊，從而產(chǎn)生周期性震動，避免鉆柱本體與井壁之間的長時間接觸。

3 結(jié)論

（1）水平井可以大幅度延長單井的油藏接觸面積，從而提高井產(chǎn)能，尤其是在薄差油層，水平井比常規(guī)的直井或定向井更具備技術(shù)優(yōu)勢，但水平井鉆進(jìn)過程中的摩阻和扭矩遠(yuǎn)大于常規(guī)直井。

（2）摩阻與鉆柱長度呈線性關(guān)系。但隨著鉆柱長度和井深的增加，地層的性質(zhì)各不相同，地層摩擦系數(shù)和井眼曲率也影響摩擦力的變化。

（3）鉆柱旋轉(zhuǎn)速度加快，則粘滯阻力減小，扭矩也相應(yīng)減小。因此，在復(fù)合鉆進(jìn)過程中，適當(dāng)增加旋轉(zhuǎn)速度有利于水平井鉆井施工。