大位移井摩阻扭矩監測方法

唐洪林 孫銘新 馮光通 楊春旭 胥 豪

中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

大位移井摩阻扭矩監測方法

唐洪林 孫銘新 馮光通 楊春旭 胥 豪

中國石化勝利石油工程有限公司鉆井工藝研究院

唐洪林等. 大位移井摩阻扭矩監測方法.天然氣工業，2016,36(5):81-86.

對于井下摩阻扭矩的監測和控制是事關大位移井鉆井成敗的關鍵，但目前對摩阻扭矩的分析還停留在預測階段，而隨鉆過程中對其的實時監測和分析尚不成熟。為此，在摩阻扭矩預測分析的基礎上，開展了摩阻扭矩的實時監測方法研究：鉆進過程中，連續記錄接立柱時上提鉆具、下放鉆具和旋轉提離井底時的大鉤載荷，記錄不同井深條件下復合鉆進扭矩值和旋轉提離井底扭矩值；將所記錄的值標注于摩阻扭矩監測圖版上，形成實時監測數據與理論計算數據的對比曲線，并將其用于評價井眼清洗程度、井眼縮徑、垮塌等井下情況，及時地掌握鉆井液性能變化、井眼軌跡光滑度、減摩降扭工具的使用情況。樁129-1HF井現場監測試驗結果表明，在摩阻扭矩較大的井段及時采取循環鉆井液、短起下鉆、調整鉆井液性能、增加潤滑劑含量、優化鉆具組合等措施，控制摩阻扭矩效果良好，保證了該井安全順利完鉆。結論認為，所建立的摩阻扭矩實時監測方法可為大位移井安全優質高效鉆進提供有力的技術支撐。

摩阻扭矩 監測方法 大位移井 井眼清潔 井眼穩定 鉆井液性能變化 井眼軌跡光滑度

NATUR. GAS IND. VOLUME 36, ISSUE 5, pp.81-86,5/25/2016. (ISSN 1000-0976; In Chinese)

近年來，隨著人類對海洋油氣勘探開發規模的不斷擴大，用于海洋鉆井平臺和人工島來鉆大位移井數量越來越多，而隨著大位移井水平位移的不斷增大，摩阻扭矩問題已成為大位移井最為突出的制約因素，很多情況下關系著鉆井的成敗。目前摩阻扭矩的分析仍停留在預測階段，并且主要用于油氣井施工前鉆井設備升級改造的必要性分析和目標研究、油氣井施工的可行性分析、技術措施和方案的對比分析及優選等[1]。對于隨鉆過程中的摩阻扭矩實時監測及其分析應用尚不成熟，尤其是對井眼清洗程度、井眼縮徑、垮塌等井壁失穩情況的分析，對鉆井液性能變化、井眼軌跡光滑度、減摩降扭工具的使用等進行響應分析仍然在探索階段。為此,筆者開展了相關研究。

1　大位移井摩阻扭矩計算模型選擇及監測方法

1.1力學模型

目前計算國內外學者對摩阻扭矩進行了大量的研究工作，并建立了不同的力學模型，歸納起來主要是軟桿模型和剛桿模型[2]。軟桿模型忽略了鉆柱剛度及穩定器的影響，在曲率不大的光滑井眼條件下，用來計算由剛度較小的常規鉆桿組成的鉆柱段的摩阻扭矩能夠給出足夠的精度；但應用在井眼曲率變化較大或鉆柱剛性較大的單元，會產生明顯的誤差；剛桿模型在曲率較大的井眼或由剛度較大的加重鉆桿組成的鉆柱段條件下，其計算結果具有更高的精度，但用于曲率較小、剛度較小的平滑井眼中，計算結果收斂困難，對測點數據敏感，所得的解穩定性較差。賀志剛等[3]根據大位移井特點，將大位移井管柱摩阻扭矩的計算分為三部分，鉆桿段采用軟桿模型，加重鉆桿段摩阻扭矩計算采用剛桿模型，下部鉆具組合段考慮穩定器作用建立連續梁模型。此模型中，模型的建立均以鉆桿剛度為基礎，沒有考慮井眼曲率變化對計算精度的影響；秦永和等[4]根據井眼曲率和鉆柱單元剛度的大小，鉆柱的底部鉆具組合部分，采用三維梁柱力學分析模型，經過有限差分后，應用加權余量法進行數值求解。對于底部鉆具組合，相對加權余量法，計算速度快、穩定性好；假設條件少，計算結果更為合理。宋執武等[5]根據加權余量法和三彎矩方程法的思想，推導出一套新的摩阻與扭矩計算公式。新公式沒有忽略鉆柱與井眼間的間隙，一定程度上提高了計算精度。

1.2力學模型選擇

針對大位移井的特點，在大位移井的造斜段、狗腿度比較大的井段以及剛度較大的加重鉆桿段，采用剛桿模型分析求解；在曲率變化小并且剛度較小的常規鉆桿段，采用軟桿模型分析求解。將大位移井管柱摩阻扭矩的計算分為4個部分，并建立相應的力學模型（圖1）：①直井段鉆桿段摩阻扭矩計算，由于井眼曲率變化小，忽略鉆柱剛度的影響建立大位移井軟桿模型；②造斜段井眼曲率較大，鉆柱容易發生彎曲引起較大的彎曲應力，為了使計算更加精確，采用剛桿模型；③穩斜段，井眼曲率變化小，鉆柱一般為抗彎剛度小的鉆桿，因此采用軟桿模型；④加重鉆桿段至鉆頭，由于加重鉆桿和底部鉆具組合的剛度較大，采用剛桿模型。

剛桿模型假設條件：鉆柱與井壁連續接觸，鉆柱軸線與井眼曲線一致；井壁為剛性；鉆柱單元體所受重力、正壓力、摩阻力均勻分布；計算單元體為空間斜面上的一段圓弧。剛桿數學模型見本文參考文獻[2]。

圖1　大位移井摩阻扭矩分析模型圖

軟桿模型假設條件：計算單元段的井眼曲率是常數；管柱接觸井壁的上側或下側，其曲率與井眼的曲率相同；忽略鉆柱橫截面上的剪切力，不考慮鉆柱剛度的影響，但可以承受軸向壓力。軟桿數學模型見本文參考文獻[2]。

建立了上述模型后，就可以對不同的鉆柱結構段采用不同的計算模型，提高摩阻、扭矩預測和計算的精度。

1.3大位移井摩阻扭矩監測方法

1.3.1 大位移井摩阻扭矩監測方案

通過調研分析國內大位移井摩阻扭矩分析計算模型，結合大位移各井段鉆柱受力狀態優選計算模型，進行數值計算和編程，形成大位移井摩阻扭矩預測分析軟件，然后按照監測步驟，可實現對大位移井摩阻扭矩的實時監測。具體監測方案如圖2所示。

圖2　大位移井摩阻扭矩監測方案流程圖

根據以上方案流程[6-7]，編制了摩阻扭矩計算模塊，該模塊嵌入到了大位移井摩阻扭矩預測及軌道設計系統中，如圖3所示。

圖3　大位移井摩阻扭矩預測及軌道設計系統圖

1.3.2 大位移井摩阻扭矩監測步驟

大位移井摩阻扭矩監測方法可以分為以下步驟[6-7]：①分別計算套管內和裸眼段不同摩阻系數條件下的上提鉆具、下放鉆具的大鉤載荷監測圖版和旋轉鉆進扭矩監測圖版；②以每個立柱為單元，連續記錄每次接立柱時上提鉆具、下放鉆具的大鉤載荷和旋轉提離井底大鉤載荷，記錄不同井深條件下復合鉆進扭矩值和旋轉提離井底扭矩值；③將所記錄的值標注于摩阻扭矩監測圖版上，實時對比實際監測曲線與理論計算曲線；④校核并修正摩阻系數，確定合理的鉆柱與井眼之間的摩阻系數，利用現場實測數據反演計算管柱實際摩阻系數；⑤預測下部待鉆井段的扭矩值、摩阻值和大鉤載荷變化曲線，制訂相應技術措施。

通過摩阻扭矩現場實時監測，可及時了解井眼清潔程度、井眼縮徑垮塌等井壁失穩情況、對鉆井液性能變化、井眼軌跡光滑度、減摩降扭工具的使用、鉆具組合的優選等進行響應分析。如實際作業過程中摩阻扭矩異常，應判斷主要影響因素，并采取相應措施，根據摩阻監測結果，可為套管下入方案的優化提供理論基礎。

2　大位移井摩阻扭矩監測方法的應用

樁129-1HF井屬于國家863計劃項目課題“海上大位移井鉆完井關鍵技術開發與集成”重點試驗井，也是該區塊首口非常規水平井，構造位置為濟陽坳陷沾化凹陷樁西潛山披覆構造樁129-斜10塊沙二段構造較高部位。

該試驗井設計井深5 539.66 m，三開次井身結構，垂深3 314.03 m，造斜點1 200.00 m，水平位移3

396.67 m，水平段長度883.12 m；實鉆井深5 341 m，垂深3 341.94 m，水平位移3 168.78 m，水垂比為0.95，創勝利淺海水平位移最大記錄（表1）。該井采用水基鉆井液體系，實鉆軌跡與設計軌跡對比如圖4所示，從圖4中可以看出，設計軌道與實鉆軌跡重合度較高，軌跡控制較好。

表1　樁129-1HF大位移井實鉆井身結構表

圖4　樁129-1HF井設計與實鉆軌跡對比圖

2.2樁129-1HF井二開摩阻扭矩實時監測

2.2.1 鉆井井段與地層

?311.2 mm鉆頭從井深1 552 m鉆至3 802 m，鉆遇地層如表2所示。

表2　?311.2 mm井眼段鉆遇地層表

2.2.2 鉆具組合

劃好了保供區域，需求量也有數了。黑龍江銷售再將較為準確的配送預測量、時間等信息提前通知承運商。同時要求承運商提前制定動力不足和極端天氣情況下的應急預案，必要時臨時性增加車輛，包括雇擁社會車輛補充運力。

① ?311.2 mm牙輪鉆頭+?210 mm1.5°單彎×8.89 m+631×630）回壓閥×0.51 m+(631×630)座鍵接頭×0.58 m+?203 mm無磁鉆鋌×9.01 m+ ?305 mm扶正器×0.92 m+（631×410）轉換接頭×0.39 m+?177.80 mm鉆鋌×28.01 m +?127 mm加重鉆桿×227.08 m+?127 mm鉆桿

②?311.2mm牙輪鉆頭+?203 mm1.25°單彎×8.18 m+（631×630）回壓閥×0.51 m+(631×630)定向接頭（MWD）×0.58 m+?203 mm無磁鉆鋌×9.01 m+? 305mm扶正器×0.92m+（631×410）轉換接頭×0.39 m+?127 mm加重鉆桿×28.38 m +?127mm鉆桿×290.68 m+?127 mm加重鉆桿×198.7 m+? 127 mm鉆桿

③ ?311.2 mmPDC鉆頭+?210 mm1.5°單彎×8.49 m+?290 mm扶正器×0.92 m+（631×630）回壓閥×0.51 m+（631×630）MWD座鍵接頭×0.58m+? 203 mm無磁鉆鋌×9.01 m+（631×410）轉換接頭×0.39 m+?127 mm加重鉆桿×58.17 m +?127 mm鉆桿×1 434.51 m+? 127 mm加重鉆桿×168.91 m+?127 mm 鉆桿。

④?311.2 mmPDC鉆頭+?210 mm1.25°單彎×8.49 m+（631×630）回壓閥×0.51m+?290 mm扶正器×0.92 m+（631×630）MWD座鍵接頭×0.58 m+?203 mm無磁鉆鋌×9.01 m+（631×410）轉換接頭×0.39 m+?127 mm無磁承壓鉆桿×9.69 m+ ? 127 mm加重鉆桿×58.17 m+?127 mm鉆桿×1 865.59 m+?127 mm加重鉆桿×168.91 m+? 127 mm鉆桿。

2.2.3 鉆進參數

排量介于26～33 L/s，泵壓介于20～21 MPa，轉速介于70～80 r/min，牙輪鉆頭鉆壓介于10～120 kN，PDC鉆頭鉆壓介于10～50 kN。

2.2.4 摩阻扭矩實時監測

進行摩阻扭矩預測分析時，根據現場施工經驗[8]，聚合物水基鉆井液套管內摩阻系數推薦取0.22，裸眼段取0.25。由于該井二開采用聚合物水基鉆井液體系，因此進行摩阻扭矩監測圖編制時選取的摩阻系數范圍：套管內摩阻系數介于0.10～0.30，環空裸眼摩阻系數介于0.10～0.35，進行模擬計算，編制預測圖版。

1）第二次開鉆第2趟鉆進至井深2 106 m時，上提懸重1 070 kN，下放懸重780 kN，此時超出了預測摩阻系數（套管井段為0.3，裸眼井段為0.35）。反推出此時的摩阻系數[6]為：套管井段為0.35，裸眼井段為0.40左右，摩阻扭矩水平較高，分析原因，此前井段一直清水鉆進，從2 106 m，逐漸加入鉆井液處理劑并調整鉆井液性能，將清水體系轉化成潤滑鉆井液體系，并混入原油19 t，原油含量達到6%，漏斗黏度為42 s，失水量為6 mL；通過摩阻扭矩實時監測，及時做出調整鉆井液措施，有效地降低了后續施工摩阻水平，保證了后續井段的安全快速鉆進。

2）結合圖5、圖6可以看出，鉆進至井深2 178 m時，摩阻扭矩值一直在較高水平，尤其從扭矩監測圖上，對比實鉆數據，套管內摩阻系數超過0.3，裸眼摩阻系數超過0.35。此時井眼里使用的鉆具組合為①，經現場分析認為，造成摩阻扭矩值高的主要原因是底部鉆具組合中的1柱?177.80 mm鉆鋌引起的，后起鉆將鉆具組合①調整為鉆具組合②，用1柱?127 mm的加重鉆桿代替1柱?177.80 mm鉆鋌，將鉆具組合①中其他7柱加重鉆桿進行了倒裝。通過優化鉆具組合，進行該井段施工時，摩阻扭矩有個“階梯式”減小趨勢。

3）鉆進至2 184～2 320 m井段，加潤滑劑9 t，測得液相含油量達到5%，濾失量降至5 mL以內，并進一步提高潤滑性，同時優化鉆具組合，有效地降低了摩阻扭矩。

4）井深2 798 m，由于鉆井液含砂量高達2%，起鉆循環處理鉆井液，更換除砂器、除泥器和使用離心機，配制漏斗黏度為95 s稠漿攜巖，將含砂量控制在0.4% ，保證了井眼清潔，同時加入高效潤滑劑10 t，上提鉆柱摩阻由2 708 m的134 kN降低至80 kN，下放鉆柱摩阻由2 708 m的120 kN下降至90 kN，扭矩由2 708 m處的14 000 N·m降至9 000 N·m。

5）采用PDC鉆頭和牙輪鉆頭鉆相同地層，PDC鉆頭扭矩變化幅度較大，牙輪鉆頭扭矩相對穩定。

6）通過統計每次循環短起下鉆后，摩阻扭矩值均有所降低。

7）井眼質量和井眼清潔是影響摩阻扭矩水平關鍵因素，從本井現場施工看，鉆井液性能對井眼清潔程度的影響尤為重要。

圖5　第二次開鉆摩阻監測圖

圖6　第二次開鉆扭矩監測圖

3　認識與體會

樁129-1HF井通過新研制的摩阻扭矩分析軟件監測摩阻扭矩，在摩阻扭矩值較大的井段和變化幅度較大的井段及時采取循環鉆井液、短起下鉆、調整鉆井液性能、增加潤滑劑含量、優化鉆具組合等措施，起到了對井眼狀況監測的良好效果，為本井安全優質高效鉆進提供了有力的技術支撐。

1）實鉆前編制摩阻扭矩監測圖是保障監測精度的前提和基礎。

2）建立的摩阻扭矩監測方法能有效地用于實時監測大位移井的摩阻扭矩，通過分析實時監測摩阻扭矩異常值，可及時地對井眼清潔狀況、井眼質量狀況、鉆井液性能狀況、鉆具狀況和鉆井參數優選狀況評價，為制定下步鉆進技術措施提供依據。

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(修改回稿日期 2016-03-09編 輯 凌忠)

中國石油集團公司渤海鉆探工程公司自主研制可降解橋塞

日前，渤海鉆探工程公司自主研發可降解橋塞獲得成功，在100 ℃的鹽水環境下，耐壓差50 MPa，橋塞密封時間78.17 h，橋塞解體脫落時間242 h，本體完全溶解時間286 h，工具性能達到設計指標，滿足壓裂作業要求，達到現場應用條件。

可降解橋塞主要應用于水平井分段壓裂工藝中，與目前使用的復合橋塞分段壓裂工藝相比，它的優勢是壓裂后不用鉆塞，橋塞在井下自動溶解，生產通道大，投產周期短，工藝成功率高。

頁巖氣、致密氣等開發的主體工藝是泵送橋塞分段壓裂工藝，橋塞主要用于在壓裂過程中封堵已經壓裂的層，密封時間需要在48～72 h，壓裂完畢后，又需要在盡量短的時間內失去密封性，并快速降解，以滿足油氣井快速投產的需求。因此密封時間和完全降解時間的控制是關鍵。

可降解橋塞技術通過該公司技術人員近10個月的攻關，設計了近百張圖紙，加工零部件并進行室內力學實驗50余次，修改加工樣機進行室內整體實驗20余次，獲得實驗數據800余個，經過研發團隊的反復分析，對橋塞樣機進行了近20次的改進和完善，最終形成了合格的產品，并獲得專利授權3項。

（天工 摘自中國石油新聞中心）

A monitoring method for torque & drag of extended reach wells

Tang Honglin, Sun Mingxin, Feng Guangtong, Yang Chunxu, Xu Hao
(Drilling Technology Research Institute, Sinopec Shengli Oilfi eld Service Corporation, Dongying, Shandong 257017, China)

The key to the successful drilling of an extended-reach well lies in the monitoring and control of downhole torque and drag. At present, the analysis on torque and drag is still at the stage of prediction and the real-time monitoring and analysis while drilling is not mature. In this paper, the real-time torque and drag monitoring method was studied after the torque and drag were predicted. In the process of drilling, the hook loads were continuously recorded for lifting, lowering and rotating off bottom at stand connection. Besides, the torque was recorded for the combined drilling and the rotating off the bottom at different depths. All the recorded values were marked on the torque & drag monitoring chart. In this way, the contrast curve was first drawn between the real-time monitoring data and theoretical calculation data, then was used to evaluate the wellbore conditions (e.g. hole cleaning degree, hole shrinkage and well collapse), so that the performance of drilling fluids, the smoothness of well trajectories and the service conditions of friction reducing tools could be known about. This method was tested on site in Well Zhuang 129-1HF. It is shown that this well was drilled successfully with its torque and drag controlled effectively by circulating drilling fluids, conducting short trips, adjusting properties of drilling fluids, increasing lubricant content and optimizing bottom hole assemblies at the hole sections with larger torque and drag. It is concluded that this real-time torque and drag monitoring method can provide a powerful technical support for the safe, high-quality and high-efficiency drilling of extended-reach wells.

Torque and drag; Monitoring method; Extended-reach well; Hole cleaning; Hole stability; Performance of drilling fluids; Smoothness of well trajectories

10.3787/j.issn.1000-0976.2016.05.012

國家高技術研究發展計劃（863計劃）項目（編號：2012AA091501）。

唐洪林，1975年生，高級工程師，碩士；從事鉆井工藝技術管理和研究工作。地址：（257017）山東省東營市北一路827號。電話：（0546）6383373。ORCID:0000-0002-1463-1984。E-mail:tanghonglin.slyt@sinopec.com