摩阻扭矩模擬計算在現場的應用

陳 剛，李豐寶，李元生，黃晨翔，王志斌

（西部鉆探定向井技術服務公司，新疆烏魯木齊830000）

1 概述

在水平井、大位移井鉆井過程中，井下摩阻以及扭矩的大小是阻礙鉆井施工的重要因素，這種影響除了可能導致增加施工難度，延長作業時間，嚴重的甚至會導致鉆井無法正常進行。其在現場的主要危害主要體現在：起鉆負荷大，下鉆阻力大；鉆進時“脫壓”，導致鉆速很低；轉盤扭矩大，導致功率浪費以及造成鉆具疲勞破壞等。因此，除了在鉆井設計時進行各種工況的摩阻扭矩計算，在鉆井過程中進行摩阻扭矩的監測也是很有必要的，在現有的裝備和技術條件下來改善鉆井狀況，預防事故和復雜的發生，對安全快速完成鉆井任務有著實際的意義。

2 影響摩阻扭矩的因素

圖1 摩擦力示意圖

如圖1所示，由摩擦力計算公式：

計算鉆井過程中鉆柱在井眼中受到的摩擦力。

臨界狀態下：

摩擦力的方向與鉆具運動方向相反，鉆具上行時：

下行時：

2.1 側向力

鉆具的重力、鉆具受到的拉力會直接影響側向力。除此而外，井眼的狗腿度造成鉆具與井壁接觸點增多，也是影響側向力的一方面原因；全剛性鉆具組合和全柔性鉆具組合在井眼中受到的側向力也是不同的，據研究其摩阻扭矩的計算結果誤差會達到10%。根據經驗結果，一般認為，5″鉆具在狗腿度小于15°/30m時，3-1/2″鉆具在狗腿度小于20°/30m可以忽略鉆具剛性對計算結果的影響。

式中：SF——側向力，kN/lenght；

DLS——狗腿度；

L——段長；

T——拉力。

其中：較高的側向力會除導致摩阻扭矩較高外，還會造成鉆具和套管的磨損。

2.2 摩擦因子

井眼中的摩擦系數受多種復雜因素的影響，是材料于各種條件的綜合特性，并不是一個實際的滑動摩擦系數，所以用摩擦因子來代替摩擦系數。摩擦因子可以看作是一個受多種條件影響的摩擦系數。根據鉆柱的運動狀態，摩擦因子分為滑動摩擦因子和轉動摩擦因子。

（1）不同的鉆進井段（不同巖性）摩擦系數不同。

（2）實驗用E-P極壓潤滑儀測得水基鉆井液和砂巖模組系數0.3，以此為基準，則泥巖、灰巖為0.25，砂巖+泥餅質量不良為0.35，砂巖+巖屑床沉積＞0.5。

（3）實際工況下，摩擦系數的大小與接觸面積、正壓力和滑動速度有關。

（4）不同的潤滑體系摩擦系數不同（見表1）。

表1 油基和水基泥漿摩擦因子取值表

（5）鉆柱與井壁接觸載荷的影響。現代摩擦理論研究認為，正壓力不但增加了摩擦力，而且增加了摩擦系數，實際工況下，鉆柱與井壁的接觸載荷越大，摩擦系數也將增大。

（6）泥漿性能的影響。不同的泥漿體系，摩擦系數不同。對同一種泥漿體系，一般來說，如果粘度增大，則摩擦系數減小。另外，鉆柱和井液相對運動時，產生剪切力，從而對鉆柱產生粘滯作用，粘滯力對摩阻的影響一般不會超過5%，但是要注意，當鉆井液的Φ300讀數較大時，將導致鉆井液稠度增大，從而使鉆井液對鉆柱的附加摩阻增大。在相同井深和鉆井液密度下，鉆具組合不變，如果摩阻偏大，有可能是鉆井液的流變性能發生了變化，應該引起足夠的重視。

2.3 鉆井液壓差阻力的影響

壓差阻力主要與鉆井液的密度、地層壓力、鉆井液泥餅厚度有關。密度增大，壓差阻力增大。壓差阻力對總摩阻的附加值一般在5%～10%左右。在計算中應充分考慮這一影響。

3 使用軟件計算摩阻扭矩需要的參數

3.1 鉆具組合

首先，摩阻扭矩計算的對象是井眼內的鉆柱，完全采用剛性理論和柔性理論都不能得到更貼近實際的計算結果，因此，我們推薦采用Dawson's cable model，如圖2所示，該模型認為鉆柱在局部是剛性的，在整體是柔性的，整體符合“soft string”理論。

其次，鉆具穩定器、鉆桿接箍等鉆具組合中較大外徑工具會造成鉆柱與井壁接觸點增多，這是計算摩阻扭矩不可忽略的影響。

對于鉆桿來說，鉆桿本體容易超過抗拉極限而受到破壞，鉆桿接頭容易超過抗扭極限而受到破壞，對于優質接頭，其抗扭強度超過本體，所以本體抗扭就成為了鉆柱整體抗扭的短板，因此，在摩阻扭矩的計算中，務必要搜集準確所有鉆具的鋼級、壁厚、內外徑、接箍長度、扣型，特別是一些特殊工具的技術參數，這些參數會影響到鉆具抗拉、抗扭、屈曲極限的計算結果是否準確。

泥漿流經大尺寸鉆具和小尺寸鉆具的流態不同，流速不同，也會對計算結果有影響。

圖2 Dawson's cable modle鉆具理論示意圖

3.2 井身結構

井身結構的影響主要體現在套管內和裸眼內摩擦因子的完全不同。井眼的大小直接影響到鉆井液的流速，特別是要賦予裸眼一個較準確的井徑擴大率。

3.3 井眼軌跡數據

在井眼中，鉆柱的軸線和井眼的軸線并不重合，所測得的井斜并不是真實的井斜；在大狗腿度的井段，鉆具產生彎曲變形，導致測斜數據誤差；此外，其他因素：如儀器在鉆具內不居中、儀器本身測量誤差等，嚴格遵守測斜操作程序，取得較為準確的數據，對突變的數據重新多次測量，過濾掉數據串上的尖點，使得軌跡更接近實際的井眼軌跡。

3.4 泥漿性能參數

在現場，特別是高溫井，建議取得六速儀測得的6個參數，根據參數選擇對應的模型，從而進一步取得較為準確的泥漿性能曲線。

3.5 地溫梯度

溫度主要影響泥漿的流變性能，為準確期間取得各深度的井溫，描繪出地溫曲線，能更好地模擬溫度變化。

4 計算結果的輸出

進行摩阻扭矩計算的目的是為了監測鉆井施工過程，識別出鉆井中問題的所在，制定相對應的施工技術措施，摩阻扭矩主要通過以下幾個計算結果來判別。

4.1 側向力

側向力應小于2000lbf/30ft,約為10kN/10m。

4.2 拉力（懸重）

以鉆具抗拉強度的80%作為允許載荷，以鉆具抗拉強度的60%作為工作載荷。

注意：在起鉆過程中，摩阻導致懸重較大，應予以密切監視。下鉆、滑動鉆進工況時拉力曲線不能于正旋屈曲交叉，復合鉆進時拉力曲線不能與螺旋屈曲曲線交叉，否則鉆具會發生正旋彎曲和螺旋彎曲。

4.3 扭矩

各種工況下，鉆具在各種工況下的扭矩應小于鉆具抗扭強度的80%且低于上扣扭矩的80%。

4.4 應力

應力是判斷鉆具是否具有疲勞破壞風險的參數，其單位是psi。鉆具在井眼中受到正應力、彎曲應力、剪切應力，旋轉時還受到扭轉應力，由于鉆具在井眼中的徑向偏移很小，本文采用的Dawson's cable model將剪切應力忽略不計，因此，在鉆井中采用合應力VM（馮米斯應力）在表示鉆具受到的總應力強度。一般，鉆具受到的VM應小于鉆具最低屈服強度的80%來避免失效，小于鉆具最低屈服強度的60%來避免疲勞。

5 現場作業中監測摩阻扭矩

在現場作業中，實時監測摩阻扭矩，能及時判斷井眼是否清潔，泥漿的潤滑效果是否良好，判斷技術措施是否有效。同時可以積累摩擦因子的數據庫。具體做法是記錄鉆具勻速上提下放時的懸重，鉆具提離井底的懸重和扭矩，及相對應的井深，模擬出相對準確的摩擦因子，使得各工況下的計算曲線貼近實際曲線。在每次接單根（立柱）、起下鉆時，或者大幅度增斜扭方位后，應進行摩阻扭矩的監測。看曲線是否偏離原曲線，如果曲線明顯偏離原曲線，并且摩阻扭矩有增大趨勢，證明存在井眼清潔問題或者軌跡有大狗腿。這時應加強劃眼、調整泥漿性能、短起下鉆等針對性技術措施，在執行措施之后，應重復監測步驟，來判斷井下情況是否好轉。如圖3所示，實際懸重不與計算懸重平行,并且明顯增大,證明實際摩阻扭矩增大。

圖3 某井實際摩阻監測圖

6 結論

在深井、水平井、大位移井的施工過程中，摩阻、扭矩的預測和控制是鉆成井的關鍵和難點所在，因此，開展摩阻、扭矩的研究和現場監測，有著非常重要的意義。在摩阻扭矩計算時，要準確搜集所需要數據，務求輸入數據準確，通過分析軟件模擬計算出的拉力扭矩以及應力和側向力，以判斷是否存在井眼清潔問題和是否潛在軌跡原因導致的鉆具疲勞問題。該項工作的重點在于搜集現場起下鉆數據，從而提高摩擦系數的精度。這項工作，要悉心觀察，仔細分析，充分考慮軟件模型未涉及到的影響因素，來補償計算結果，使理論計算更貼合現場實際，真正能起到理論指導實際的作用。

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