水平井鉆井減摩降阻工具研制及流場分析

陳 勇，吳欣袁，蔣祖軍，練章華，陳 敏

（1.中石化西南油氣分公司博士后工作站，四川德陽618000；2.中石油渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，天津300450；3.中石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽618000；4.西南石油大學，成都610500；5.中石油新疆油田公司工程技術公司，新疆克拉瑪依834000）①

水平井鉆井減摩降阻工具研制及流場分析

陳 勇1，4，吳欣袁2，蔣祖軍3，練章華4，陳 敏5

（1.中石化西南油氣分公司博士后工作站，四川德陽618000；2.中石油渤海鉆探工程有限公司工程技術研究院，天津300450；3.中石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽618000；4.西南石油大學，成都610500；5.中石油新疆油田公司工程技術公司，新疆克拉瑪依834000）①

在調研國內外現有降低摩阻和轉矩的鉆井工具的基礎上，研制了新型水平井鉆井用減摩降阻工具。介紹了該工具的結構，主要部件的作用，降低摩阻-轉矩的原理及性能特點。該工具主要用于大位移井、定向井和水平井，不僅可以減少摩阻-轉矩，還能減少套管磨損，接頭磨損，防止壓差卡鉆，提高機械鉆速。根據鉆井流體攜巖機理，并結合流場分析結果可知，特殊設計的導流槽還能提高井眼凈化效率。

水平井；減摩降阻；工具；結構

在鉆大位移井、水平井等摩阻較大的井時，通常會采用一些措施來降低摩阻和轉矩［1-3］：

1） 井眼軌跡優化。如果鉆達同一個靶點的井眼軌跡不同，那么鉆井時鉆柱摩阻-轉矩的大小也是不同的。通過對井眼軌跡的優化，可選擇一條鉆機設備條件允許情況下摩阻較低的井眼軌跡。

2） 井身結構和鉆具組合優化。井眼大小、鉆具組合和套管程序都對摩阻-轉矩有著密切的影響。一些學者指出：在滿足井眼凈化要求的環空反速的前提下，應盡可能使用直徑較小而強度較高的鉆柱組合。

3） 鉆井液設計。通過優選鉆井液參數，并加上較好的潤滑劑，能夠改善濾餅質量，使鉆具與井壁之間接觸面的潤滑性得到改善。流體動力學參數的優化，也能提高鉆井液的攜巖能力，從而降低摩阻-轉矩。

4） 降低摩阻-轉矩特殊井下工具的應用。工程師們研制了多種降低摩阻-轉矩的井下工具，大多數安裝在高造斜部位。這些額外工具的使用有可能大幅降低摩阻-轉矩，延長了鉆機的水平鉆井能力，并且一定程度上保護了鉆柱，避免了許多惡性事故的發生。

本文在對國內外現有的降低摩阻和轉矩的井下工具調研的基礎上［1-5］，設計并試制出一種新的水平井鉆井的減摩降阻工具。

1 結構簡介

1.1 總體結構

設計的減摩降阻工具的結構如圖1所示。

圖1 鉆井用減摩降阻工具結構

本體（由上接頭、下接頭組成，通過鉆桿扣連接在一起）兩端有螺紋，分別與上、下部鉆桿連接。設計有吊鉗扣合部位，方便機械上扣、松扣操作。本體設計有上、下螺旋導流槽，由于流體流速較快，導流槽將會對流體產生一定的擾動和影響。能在一定程度上提高水平井鉆井的攜巖能力，特別是在容易堆積巖屑床的井中，螺旋槽的擾動能夠破壞巖屑床的形成，提高井眼清潔效率。

1.2 減磨部件

本體中部有一段直徑較小區域，將會在此處安裝減摩軸承套。在本體凹槽表面噴涂有一層高強度耐磨材料。本體和減摩軸承套兩者構成的摩擦副中，選擇本體為較硬的一方，而減摩軸承套為摩擦犧牲的一方。也就是說軸承套的耐磨性低于本體中部凹槽表面，這樣，在經過摩擦后，軸承套先磨損，而本體磨損較小。在軸承套磨損到影響其功能或強度時，可按需要更換軸承套。由于本體的制造成本遠大于軸承套的制造成本，因此這樣設計不僅便于工具的維護，而且能減少其使用成本。

減摩軸承套是實現減摩降阻功能的關鍵部件，結構采用整體式。在軸承套的內表面，有減摩涂層。涂層類似于本體中部凹槽的耐磨噴涂層，具有耐磨作用，但其耐磨性能低于本體上的涂層，在摩擦副中作為犧牲的一方。在軸承套內表面設計有磨損指示槽，在圓周上均布4條。因為減摩軸承套是被設計來承受磨損的一方，也就是說在本體和減摩軸承套二者應該是軸承套先磨損。這樣可以保證工具制造成本和維修成本降到可接受范圍內。如果，工具本體的耐磨性低于軸承套的耐磨性能，那么將會在使用過程中造成本體磨損，而軸承套和本體的同軸度降低，工具就不能在最佳狀態下工作。因此，在設計軸承套時，為了使軸承套的磨損可見，并提示其磨損程度，設計了磨損指示槽。在使用過程中，起鉆后發現磨損指示槽處已經磨平，說明該軸承套已經過度磨損，就需要更換軸承套了。另外，磨損指示槽不僅有指示磨損程度的作用，而且還有潤滑油槽的作用，可按需要從此處加入潤滑油，有助于潤滑本體與減摩軸承套，減小本體和軸承套之間的摩擦因數，保持軸承套在井中處于非旋轉狀態。這樣也能有助于減少軸承套外徑表面的不必要的磨損，維持工具降低轉矩的能力。

1.3 滾輪

硬質合金滾輪是減小軸向摩擦的重要部件，它的形狀及幾何參數會對減摩降阻工具性能產生較大影響，如圖2所示。最初設計的時候，選用了圓柱形滾輪。這種形狀的滾輪從理論上來說與井壁或套管接觸面積最大，那么軸承套保持非旋轉性會越好。然而，在后來的試驗和有限元仿真分析中發現，圓柱形滾輪在其邊緣會受到應力集中影響，邊緣會受力變形而拱起。這樣容易導致滾輪的過渡磨損，嚴重的甚至可能由于滾輪邊緣變形而咬合滾輪安裝槽，導致鑄件損壞，造成減摩降阻工具效率降低，并有可能縮短其使用壽命。

圖2 硬質合金滾輪的幾種形狀

在工具研發過程中，也曾選擇過球形滾輪。球形滾輪在套管井內使用效果較好，摩擦因數較小。然而，在裸眼井中，由于球形滾輪與井壁接觸面積很小，在側向壓力較大時，容易壓入井壁，影響工具的減摩效果。

最終，本減阻工具使用了橢圓形滾輪。橢圓形滾輪與井壁或套管接觸面遠離邊緣，磨損線通常會出現在滾輪的中間，減少了滾輪磨損和變形的風險。滾輪中部的磨損對減摩降阻工具性能影響較小，并且在下次使用時，磨損過渡的滾輪可以輕易地更換。

2 性能特點

1） 該工具主要用于大位移井、定向井和水平井，不僅可減少摩阻-轉矩，還能減少套管磨損，接頭磨損，防止壓差卡鉆，提高機械鉆速。特殊設計的導流槽還能提高井眼凈化效率。

2） 該工具可用于套管中，也可在裸眼中使用。通常在1柱鉆桿（3根鉆桿為1柱）中使用1套該工具，而在側向力非常嚴重時可以在2柱鉆桿中使用3套該工具。

3） 該工具能同時起到減少摩阻和轉矩的作用。當鉆柱軸向運動時，工具最大外徑大于鉆柱接頭外徑，減摩軸承套上的滾輪將與井壁接觸，并可旋轉，由先前的滑動摩擦變為滾動摩擦，使摩擦力變小。當鉆柱徑向旋轉時，工具本體隨同鉆柱旋轉，減摩軸承套不旋轉，不僅使旋轉半徑減小，而且本體和軸承套之間的摩擦因數小，因此轉矩減小。

3 技術參數

該工具的主要尺寸參數如表1所示。

表1 水平井鉆井減摩降阻工具主要技術參數

4 流場分析

4.1 建立模型

研究在鉆井過程中，工具隨著鉆柱旋轉，對流體的擾動情況。分析擾動過后的流場是否有利于攜巖，是否能改善水平井段巖屑堆積床。在分析過程中，設定減摩降阻工具處于水平井段，工具本體隨著鉆柱一起旋轉。流體從井筒右邊界進入，并攜帶一定的巖屑顆粒，再從井筒左邊界流出。在此，為了計算的方便，將減摩降阻工具進行了適當的簡化，組合式滾軸套筒上的安裝槽和滾輪做了簡化。如圖3。

圖3 鉆井用減摩降阻工具在水平放置的流場模型

4.2 分析結果

由于涉及到固體對流體的作用，因此需要采用流固耦合計算。通過有限元流體分析計算得出流線圖如圖4所示。從圖4a中看出，工具不旋轉，且流體在沒有初始切線速度的情況下，流線基本是直線前進的，但是在遇到工具上凸出塊的時候流線有些變向。

根據圖4b分析結果，工具以60 r／min速度旋轉，流體在右端入口段時也是直線前進，但到了螺旋槽段，由于螺旋槽的擾動，流線隨轉動方向發生變化。流線帶有一定的斜度，且傾斜方向與工具旋轉方向相同。

由鉆井流體攜巖機理可知，鉆柱上部高速流體旋轉到鉆柱下部，可以帶動下部沉積的巖屑床，沖散巖屑床，有利于巖屑的向前移動。因此，這些流體擾動對于水平井段的巖屑運移是有積極作用的。

圖4 鉆井用減摩降阻工具在旋轉時的流場分布

5 結論

1） 在調研國內外現有降低摩阻和轉矩的鉆井工具的基礎上，研制了新的水平井鉆井減摩降阻工具。

2） 該工具主要用于大位移井、定向井和水平井，不僅可減少摩阻-轉矩，還能減少套管磨損，接頭磨損，防止壓差卡鉆，可提高機械鉆速。特殊設計的導流槽還能提高井眼凈化效率。

3） 根據鉆井流體攜巖機理，并結合流場分析結果可知，鉆柱上部高速流體旋轉到鉆柱下部，通過減摩降阻工具的螺旋槽可以帶動下部沉積的巖屑床，并沖散巖屑床，有利于巖屑的向前移動。因此，這些流體擾動對于水平井段的巖屑運移是有積極作用的。

［1］ 蔣祖軍，肖國益，李群生.川西深井提高鉆井速度配套技術［J］.石油鉆探技術，2010，38（4）：30-34.

［2］ 張文華，胡國清，桑路.鉆進轉矩與摩阻分析及減扭措施［J］.石油鉆探技術，2001，29（4），22-24.

［3］ 董德仁，齊月魁，何衛濱.大位移井鉆井摩阻預測及井眼軌道優選［J］.石油鉆采工藝，2005，27（增刊）：14-17.

［4］ 徐福東，張曉東，呂苗榮，等.大位移井完井管柱摩阻設計模型與仿真器［J］.石油礦場機械，2001，30（增）：21-24.

［5］ 吳欣袁.氣體鉆井摩阻轉矩分析及減摩降阻工具研究［D］.成都：西南石油大學，2005.

Antifriction Tool Develop ment and Flow Field Analysis during Horizontal W ell Drilling

C H E N Yong1，4，W U Xin-yuan2，JIA N G Zu-jun3，LIA N Zhang-hua4，C H E N Min5
（1．Postdoctoral W orkstation，South west Oil Gas Branch of Sinopec，Deyang618000，China；2．Engineering Technology Research Institute，C N P C Bohai Drilling Engineering Com pany Limited，Tianjin300450，China；3．Engineering Technology Research Institute，South west Oil Gas Branch of Sinopec，Deyang618000，China；4．South west Petroleu m University，Chengdu610500，China；5．Engineering Com pany，PetroChina Xinjiang Oilfield Co．，K ara m ay834000，China）

A new horizontal well drilling antifriction tool was designed and manufactured on the basis of investigation on existing reducing friction and torque dow nhole tool in the do mestic and foreign.The tool mainly consists of an upper joint，an adjusting ring，a bearing sleeve，a lower joint，and a roller co m ponent.T he structure characteristics and the co m ponents of tool are analyzed.The toolis mainly used for large displacement wells，directional wells and horizontal wells，w hich can not only reduce the friction torque，but also reduce the casing wear，joint wear，and prevent differential pressure sticking，and can im prove the R O P.According to the carrying cuttings mechanism of drilling fluid，co m bined with the flow field analysis results，the specially designed guide groove of the tool can im prove hole cleaning efficiency.

horizontal well；antifriction；tool；structure

T E921.202

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.006

1001-3482（2014）08-0027-04

2014-02-27

國家科技重大專項課題“低滲氣藏復雜地層高效鉆井關鍵技術”（2011Z X05022-005）部分研究成果

陳 勇（1979-），男，四川遂寧人，博士，2008年畢業于西南石油大學，中石化西南分公司博士后工作站在站博士后，主要從事鉆完井技術研究，E-mail：chysw pu＠163.co m。