定向井水平井摩阻控制與優(yōu)化處理

鄢達(dá)夫

（大慶鉆探工程公司鉆井四公司，吉林 松原 138000）

在定向井的實(shí)際開發(fā)過程中，受技術(shù)原理以及開發(fā)需求決定，鉆頭行進(jìn)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)傾斜角，在重力的作用下鉆頭等相關(guān)設(shè)備相互之間會(huì)出現(xiàn)摩擦阻力，這個(gè)摩擦阻力也被稱為定向井和水平井之間的摩擦阻力。摩阻的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致鉆井壓力無法順利通過鉆柱傳遞至鉆頭上，導(dǎo)致托壓問題的出現(xiàn)，托壓現(xiàn)象會(huì)嚴(yán)重降低鉆井效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成鉆頭無法前進(jìn)，也會(huì)加速設(shè)備磨損產(chǎn)生諸多安全風(fēng)險(xiǎn)隱患。導(dǎo)致鉆井效率降低鉆井成本增加。如何降低摩阻產(chǎn)生，減緩?fù)袎含F(xiàn)象的產(chǎn)生已經(jīng)成為定向井鉆井發(fā)展所必須面對(duì)以及可克服的問題。

針對(duì)此類問題，國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)過大量的理論以及實(shí)踐研究，相繼推出了多種降低摩阻的工具，如聲波減摩技術(shù)、液壓缸減摩器、粒子脈沖射流鉆井工具等等，上述工具以及在技術(shù)原理角度可以有效減少摩擦阻力的產(chǎn)生，從而降低托壓現(xiàn)象的發(fā)生概率，但在生產(chǎn)應(yīng)用中，此類工具在井下惡劣復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定性較差，不能起到預(yù)期的降摩作用，仍需要進(jìn)一步的研究和完善。

1 定向井概述

定向井是在鉆井過程中鉆頭的行進(jìn)路線是預(yù)定路線，有著固定的井眼軌跡。根據(jù)實(shí)際的地面情況以及工程需求，井眼軌跡可能存在井斜以及方位角的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)地面各類工程限制情況的規(guī)避以及海上鉆井工況。我國最早與20 世紀(jì)30 年代初期引入了定向井鉆井技術(shù)并逐步完善成熟。目前定向井井眼軌跡類型較多，但其中J、S、連續(xù)增斜三種類型最為普及。

2 摩阻的產(chǎn)生原因以及影響因素分析

2.1 井斜對(duì)摩阻的影響

根據(jù)鉆井的實(shí)際需求，定向井的井眼軌跡存在一定的井斜，根據(jù)傾斜角度可以分為小斜度定向井、中斜度定向井、大斜度定向井三種類型。在定向井的鉆井過程中由于井斜的存在，鉆柱以及鉆頭在重力的作用下不能再保持平行位置，鉆頭會(huì)承受一個(gè)沿鉆柱傳遞過來分力的作用。鉆柱的另一個(gè)分力則作用于井壁上。

伴隨井斜角度的不斷增加，作用于鉆頭的軸向分力將會(huì)不斷減少，由于鉆井過程中鉆頭主要依靠鉆柱的重力作為鉆壓來源，因此鉆頭獲得鉆壓明顯減少。作用于井壁正壓力會(huì)不斷增加，鉆柱與井壁之間的摩阻也會(huì)不斷上升。

所鉆井的狗腿度大小對(duì)摩阻的影響也是非常大的，因?yàn)殂@具本身，特別是鉆鋌的剛度與井眼狗腿度不適應(yīng)，因此會(huì)增加施工摩阻。鉆具的剛度、井眼狗腿度與摩阻之間的關(guān)系為鉆具剛度越強(qiáng)、井眼曲率越大，鉆井施工的摩阻就越大。

2.2 井身質(zhì)量對(duì)摩阻影響

受地層特點(diǎn)以及鉆井技術(shù)原理決定，定向井在鉆進(jìn)過程中受到巖層的可鉆性以及各項(xiàng)異性等因素決定，會(huì)出現(xiàn)不同程度的井斜以及方位角變化，因此定向井雖然是預(yù)定的鉆井軌跡，但在鉆進(jìn)過程中由于受到各種因素的影響，在井眼軌跡控制上不可能像設(shè)計(jì)的井眼軌跡那樣平滑，因此就會(huì)有螺旋井眼的出現(xiàn)。而螺旋井眼是導(dǎo)致井眼質(zhì)量變差的重要原因。螺旋井眼在形成過程中會(huì)產(chǎn)生大量的巖屑，在井壁與鉆柱之間堆積造成了鉆柱摩阻的增加。此外，在出現(xiàn)螺旋井眼后為了確保鉆頭的順利行進(jìn)以及巖屑的排除，需要不定期地進(jìn)行倒劃眼作業(yè)，在實(shí)施倒劃眼施工的時(shí)候鉆頭不可避免地要對(duì)井眼低邊的下井壁產(chǎn)生不同程度的刮屑，從而導(dǎo)致井壁出現(xiàn)滑槽繼續(xù)下放管柱時(shí)容易產(chǎn)生機(jī)械卡阻，機(jī)械卡阻等同于摩擦阻力，導(dǎo)致鉆柱摩擦阻力增加托壓現(xiàn)象明顯。

此外，狗腿情況以及井徑的擴(kuò)大系數(shù)也是井身質(zhì)量的重要影響因素。其中狗腿情況受井斜角代銷以及方位角的產(chǎn)生情況決定，如前文所述，鉆井施工中的造斜率是影響井下施工摩阻的一個(gè)非常重要的因素，也就是說，如果施工的造斜率越高，那么剛性鉆具與井壁之間的接觸面積也就會(huì)越大，這樣鉆具無論是在靜止，還是在旋轉(zhuǎn)過程中與井壁之間的摩擦就會(huì)加劇，也就會(huì)產(chǎn)生較大的施工摩阻。大的施工摩阻不僅對(duì)井下安全有著影響，同時(shí)對(duì)定向施工也會(huì)產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)為鉆具托壓，所施加的鉆壓都加在井壁上，而不能施加到鉆頭上。

2.3 鉆井液對(duì)摩阻的影響

鉆井液是鉆井工程中重要的介入物質(zhì)，不同的鉆井液有著不同的功能以及物理化學(xué)特征，鉆井液對(duì)摩阻的影響與鉆井液類型以及組成成分有直接關(guān)系。目前我國投產(chǎn)使用的鉆井液類型眾多，從理化形態(tài)角度可以分為普通鉆井液、空氣鉆井液、泡沫鉆井液、油基鉆井液、潤滑防塌鉆井液等幾種類型。不同鉆井的理化參數(shù)差別較大，使用不同鉆井液時(shí)產(chǎn)生的摩擦阻力也各不相同。

本文主要對(duì)鉆井液對(duì)摩阻存在影響的參數(shù)進(jìn)行討論，如鉆井液的密度、泥餅質(zhì)量、粘度、切力等等。首先鉆井液密度與摩阻力成正相關(guān)聯(lián)系，當(dāng)鉆井液密度升高以后，鉆柱在受到更大壓差與井壁接觸表面積增大，壓力和接觸面積同時(shí)上升的情況下摩阻也顯著提高。泥餅的質(zhì)量、厚度、失水性與摩阻成正相關(guān)聯(lián)系，在泥餅的質(zhì)量厚度以及失水性不斷增加時(shí)，井壁的整體穩(wěn)定性會(huì)不斷下降，最終出現(xiàn)地層掉塊，嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)坍塌的現(xiàn)象，造成了鉆柱環(huán)形空間減少，鉆柱在行進(jìn)過程中與井壁接觸機(jī)會(huì)以及面積均有所增加，造成了摩阻的增加。粘度決定切力，粘度低時(shí)切力下降鉆井液的攜砂能力也隨之降低，導(dǎo)致大量的泥砂在井下沉積，導(dǎo)致管柱摩阻增加，上行困難。

2.4 鉆柱性能對(duì)摩阻的影響

鉆柱的各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)也對(duì)鉆井摩阻存在直接的影響，其中鉆柱的剛度、連接長度、結(jié)構(gòu)以及屈曲均對(duì)摩阻影響最大。

鉆柱的剛度對(duì)摩阻的影響：鉆柱的剛度越大，形變量就越小，形變體抗力也越強(qiáng)，在井斜區(qū)域的鉆柱會(huì)產(chǎn)生更大的接觸應(yīng)力造成摩阻的增加。此外，剛度較強(qiáng)的鉆柱在其下鉆過程中，容易在井壁位置產(chǎn)生更多更深的鍵槽，也間接造成了摩阻的升高。

鉆具總的長度對(duì)施工摩阻的影響：隨著鉆井深度的不斷增加，鉆具的總長度也不斷地延長，鉆具與井壁的接觸面積就會(huì)不斷增大，這樣鉆具與井壁的摩擦力就會(huì)增加，從而引起整個(gè)鉆井施工摩阻的增加。

鉆具組合中各種鉆具多少對(duì)摩阻的影響：在整個(gè)鉆具組成中，鉆鋌、扶正器、加重鉆桿及鉆桿都是不可缺少的，如果一個(gè)鉆具組合中鉆鋌數(shù)量和扶正器的數(shù)量過多，那么這樣與井壁的接觸面積也就會(huì)增大，特別是在定向井、水平井中的斜井段，接觸面積會(huì)更大，那么產(chǎn)生的摩阻也就會(huì)比較大。因此在定向井水平井中盡量要減少鉆鋌及扶正器的數(shù)量，以加重鉆桿來代替鉆鋌，可以有效降低施工摩阻。

3 摩阻控制與優(yōu)化技術(shù)分析

3.1 軸向水力震蕩發(fā)生器

自1990 年代以來,國外大部分石油公司都在研究水力振蕩器,其中最成功的當(dāng)屬美國國民油井華高公司(NOV)研制的軸向水力振蕩發(fā)生器(Axial-oscillationGeneratorTool,AGT)又稱為Ag-Itator7_K 力振蕩器。AGTtR 水力振蕩器主要由動(dòng)力部分、閥門和軸承系統(tǒng)及配套的振動(dòng)短節(jié)三大部分組成,其工作原理:鉆井液流經(jīng)水力振蕩器動(dòng)力部分驅(qū)使動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng),從而使其中的動(dòng)閥片和靜閥片周期性錯(cuò)開和重疊,閥門截面面積也周期性變化,這樣就使得工具中的壓力發(fā)生周期性變化而產(chǎn)生壓力脈沖。當(dāng)壓力脈沖作用于心軸下端面,心軸在壓力作用下向下方移動(dòng)并壓縮其中的碟簧,當(dāng)壓力脈沖消失后,碟簧釋放彈力使心軸回復(fù)到初始位置。短節(jié)活塞在壓力和彈力作用下在軸向上往復(fù)移動(dòng),也帶動(dòng)鉆柱在軸向上往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而產(chǎn)生的軸向振動(dòng)有效克服鉆柱摩阻,保證了鉆頭上的有效鉆壓。是否需要配合振蕩短節(jié)主要依據(jù)鉆柱是剛性還是撓性,剛性鉆柱則需要連接振蕩短節(jié),撓性鉆柱則不需要。

3.2 降摩阻短節(jié)

降摩阻短節(jié)設(shè)備最早是由我國西安石油大學(xué)研究設(shè)計(jì)的，該裝置利用水力脈沖原理克服一定的摩擦阻力。該裝置主要由異徑接頭、格孔板、隔板、實(shí)心球、限定套等五部分組成。該裝置以鉆井液為媒介向井底發(fā)送水力脈沖，在脈沖的作用下減少鉆桿與井壁的接觸面積以及接觸應(yīng)力，從而降低鉆井與井壁之間產(chǎn)生摩擦阻力。

3.3 滾動(dòng)減摩阻技術(shù)

滾動(dòng)減摩阻技術(shù)是通過將鉆柱與井壁之間產(chǎn)生的滑動(dòng)摩擦從而降低鉆柱與井壁之間的摩擦系數(shù)最終降低摩阻。其中由wedtherford 公司設(shè)計(jì)研發(fā)的滾動(dòng)減阻器應(yīng)用最為廣泛。Weatherford滾子減阻器是一個(gè)脫離鉆井液體系的純機(jī)械結(jié)構(gòu)的降阻工具。裝置由本體、接頭、內(nèi)襯套筒、外殼、滾輪四個(gè)部分構(gòu)成。本體接頭軸頸與套筒配合,軸頸與套筒上的滾輪接觸達(dá)到減摩阻的效果,外殼上有高強(qiáng)度的輪子及鎖銷,設(shè)備外殼上有部分突出部件，支撐導(dǎo)輪與井壁接觸，通過導(dǎo)輪滾動(dòng)作用將鉆桿與井壁接觸的滑動(dòng)摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)殂@柱與井壁的滑動(dòng)摩擦，從而極大地減少鉆桿與井壁之間的摩阻。同時(shí)該設(shè)備四周按安裝設(shè)計(jì)許多軸向滾輪，軸線滾輪可以在鉆進(jìn)的過程中進(jìn)一步地轉(zhuǎn)化鉆桿產(chǎn)生的摩擦類型，降低軸向摩擦系數(shù)，從而進(jìn)一步地達(dá)成了鉆進(jìn)過程中的摩阻大小。