定向井摩阻控制與優(yōu)化處理分析

汪曦（中國石油集團(tuán)長城鉆探鉆井二公司，遼寧 盤錦124010）

0 引言

在定向井施工過程中，不可避免的會遇到由于摩阻問題導(dǎo)致的定向施工困難，鉆井速度較低等。摩阻是由于鉆具與井壁接觸產(chǎn)生正壓力，同時存在一定的摩阻系數(shù)，最終導(dǎo)致摩擦力的產(chǎn)生。如果摩阻力太大會導(dǎo)致鉆壓不能有效的傳遞到鉆頭，進(jìn)而產(chǎn)生托壓的現(xiàn)象，這種情況下只有少部分鉆壓施加到鉆頭上，導(dǎo)致鉆井速度低，甚至無法鉆進(jìn)。在定向施工過程中，由于鉆具是不發(fā)生旋轉(zhuǎn)，鉆具基本完全與下井壁接觸，這樣會引起更加嚴(yán)重的摩阻，為了克服摩阻一般會增大鉆壓，當(dāng)摩阻被克服后鉆頭會受到突變的鉆壓，從而導(dǎo)致工具面的波動，輕者影響定向施工效果，嚴(yán)重者使鉆頭和動力鉆具受到損壞。

1 摩阻產(chǎn)生機(jī)理分析

摩擦力的產(chǎn)生主要是由于鉆具在井眼內(nèi)變形與井壁接觸，產(chǎn)生接觸力，同時井壁并不是完全光滑，存在一定的摩擦系數(shù)，這樣就導(dǎo)致了在定向施工過程中，鉆具在井眼內(nèi)滑動，與井壁間會產(chǎn)生摩擦力。由于實(shí)鉆井眼軌跡并不是一條光滑的曲線，自然會存在井眼縮徑或者狗腿度變化而形成的微小“鍵槽”，同時井眼內(nèi)存在巖屑，鉆柱的接箍通過這些井段時會產(chǎn)生一定的附加阻力。所以實(shí)際鉆井過程中的摩阻力是由上述兩部分組成，即摩擦力和附加阻力。因此鉆具與井壁間的接觸力的計(jì)算對于研究摩阻產(chǎn)生機(jī)理具有重要意義。在忽略接頭、扶正器等組件的影響，以及井眼尺寸的不規(guī)則等因素，在彎曲井眼內(nèi)，取鉆柱微單元由力矩平衡方程，經(jīng)過推導(dǎo)可得到鉆柱摩阻力計(jì)算的基本方程為：

式中：μa摩阻系數(shù)；T為軸向力；qm為鉆柱單元長度浮重；N為鉆柱單元長度所承受的橫向正接觸力；Fd為鉆柱單元長度鉆井液引起的粘滯力；kb為鉆柱彈性變形線上一點(diǎn)的曲率；α為井斜角；s為鉆柱長度；E為鉆柱材料的彈性模量；I為鉆柱截面的軸慣性矩。

2 影響摩阻的主要因素

2.1 井眼軌跡

（1）井斜角影響。井斜角越大，鉆具自重在垂直方向的分解力就會越大，進(jìn)而與井壁的接觸力越大，鉆具所受到的摩擦力就越大。

（2）狗腿度影響。狗腿度會導(dǎo)致鉆具在彎曲井眼中產(chǎn)生額外附加剛性正壓力。狗腿度越大，鉆具在井眼內(nèi)的變形越嚴(yán)重，而由此產(chǎn)生的剛性正壓力越大，所以鉆具與井壁間產(chǎn)生更大的摩阻力。

（3）斜井段長度影響。斜井段越長意味著鉆具長度的增加，鉆具自重在垂直方向產(chǎn)生的重力分量也越大，同時產(chǎn)生的附加剛性正壓力也會增大，鉆具與井壁間摩阻力增大。

2.2 井眼清潔度

井眼清潔度主要是指井眼環(huán)空內(nèi)巖屑濃度的高低。井眼清潔度較低說明井眼環(huán)空內(nèi)巖屑濃度高，巖屑較多，使得鉆具與井壁間的鉆井液起到的液體潤滑作用降低，從而使鉆具與井壁間的摩擦力增大。同時，巖屑在大斜度井段會產(chǎn)生巖屑床，對鉆具的滑動形成阻力，引起鉆具上下活動困難。

2.3 鉆具結(jié)構(gòu)

鉆具自重越大對井壁產(chǎn)生的正壓力也會越大，進(jìn)而引起的摩阻力也會越大；剛性越大的鉆具在其發(fā)生變形時產(chǎn)生的附加剛性接觸力就會越大，進(jìn)而會增大摩阻力；當(dāng)鉆具發(fā)生屈曲時會產(chǎn)生附加正壓力，鉆具發(fā)生屈曲越嚴(yán)重越會導(dǎo)致附加正壓力的大幅度增大，最終會導(dǎo)致鉆具發(fā)生自鎖；當(dāng)鉆具中含有扶正器時，由于扶正器與井壁間的間隙過小，當(dāng)井徑較小時，會額外產(chǎn)生一定的摩阻力。

2.4 泥漿潤滑性能

泥漿潤滑性能主要是對摩阻系數(shù)產(chǎn)生影響。當(dāng)泥漿潤滑性能較差時，摩阻系數(shù)增大，相同正壓力的情況下，也會產(chǎn)生較大摩阻力。其中泥漿的潤滑性能與泥漿類型、含砂量、潤滑劑類型及加入量等參數(shù)有關(guān)，在一般情況下，油基泥漿的潤滑性能要比水基泥漿潤滑性能好，更利于減小摩阻。

3 優(yōu)化處理分析

3.1 優(yōu)化井眼軌道

對井眼軌道進(jìn)行設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮摩阻、井眼長度、各種工況下鉆具的受力狀態(tài)、施工過程中的難易程度等因素，同時要與鉆柱設(shè)計(jì)、鉆井過程中各參數(shù)設(shè)計(jì)、泥漿性能設(shè)計(jì)等各方面相結(jié)合。同時，井眼軌道應(yīng)盡可能平滑，設(shè)計(jì)的井眼曲率不能過大，減小剛性鉆具變形產(chǎn)生的附加剛性接觸力。斜井段的長度與井眼曲率是兩個相互制約的因素，井眼長度短就意味著井眼曲率大，井眼長度長就意味著井眼曲率小，所以在設(shè)計(jì)時充分進(jìn)行計(jì)算分析，得到合適的井眼曲率和井眼長度以達(dá)到最小摩阻為目的。

3.2 優(yōu)化鉆具結(jié)構(gòu)

（1）減少鉆鋌的使用。鉆鋌不僅自身重量較大，而且其剛性也較大，因此在其使用時會增大鉆鋌與井壁間的接觸力，同時在彎曲井眼內(nèi)，鉆鋌的使用會嚴(yán)重增大附加剛性接觸力，所以在實(shí)際鉆井過程中，可以使用加重鉆桿等來代替，來減小摩阻力產(chǎn)生。

（2）減少扶正器的使用。扶正器相對于鉆具來說尺寸較大，導(dǎo)致其與井壁間的間隙較小，容易與井壁接觸而增大鉆具的摩阻力，同時在井徑較小的井段中，扶正器會額外產(chǎn)生一定的阻力，所以在非必要時期應(yīng)盡量減少扶正器的使用。

（3）采用倒裝鉆具結(jié)構(gòu)。倒裝鉆具結(jié)構(gòu)就是把加重鉆桿等自重較大的鉆具移至直井段或井斜角較小的井段，而在井斜角較大的井段采用普通鉆桿，這樣不僅可以增加鉆具的重量，增大施加鉆壓的能力。同時，在下部鉆具中使用普通鉆桿，減少了鉆具的重量和剛性，這樣就會減小下部鉆具組合與井壁間的接觸力，進(jìn)而減小了摩阻力。

3.3 提高井眼清潔度

適當(dāng)改變鉆井液環(huán)空返速。當(dāng)井斜角較小時，鉆井液為層流時其井眼清潔效果較好，而在井斜角較大時，鉆井液為紊流時其井眼清潔效果較好。所以在實(shí)際施工時可以根據(jù)當(dāng)前井情況來改變鉆井液返速。提高鉆井液的動切力和動塑比，可以提高鉆井液的挾砂能力。同時，在鉆進(jìn)過程中，可以適當(dāng)提高鉆具的轉(zhuǎn)速來破壞巖屑床，充分?jǐn)_動巖屑，使其更好的上返，來提高井眼清潔度。在定向鉆井過程中，利用短起下來破壞巖屑床提高井眼清潔效果，是降低摩阻力的常用手段。

3.4 提高泥漿潤滑性能

提高泥漿潤滑性能可以降低摩阻系數(shù)，對于減少摩阻力來說是最為重要的因素。在普通水基鉆井液中加入潤滑劑等可以大大提高其潤滑性能。對于大位移井來說，使用油基鉆井液更能降低摩阻力，有利于位移延伸。

3.5 其他減阻工具的使用

目前，常用的減阻工具主要包括液壓式和機(jī)械式，其中液壓式包括水力振蕩器、水力加壓器、旋沖鉆井工具等，機(jī)械式包括可變穩(wěn)定器等。水力振蕩器是通過軸向振動減少井下鉆具與井壁間的靜摩擦力，旋沖鉆井工具可以使得井下鉆具產(chǎn)生良性振動，克服摩阻，同時產(chǎn)生沖擊力并向鉆頭傳遞。

4 結(jié)語

定向井摩阻是由鉆具與井壁間的接觸力和摩擦系數(shù)造成的，其影響因素主要包括井眼軌跡平滑、井眼清潔、鉆具組合、泥漿潤滑性能等參數(shù)。在現(xiàn)場實(shí)際施工過程中，應(yīng)充分考慮上述各種因素來降低摩阻，提高鉆井機(jī)械鉆速，縮短鉆井周期。