水平井摩阻扭矩分析(第六章).doc

第六章水平井、大位移井摩阻扭矩分析

水平井、大位移井具有长水平位移、大井斜角以及长裸眼稳斜段的特点。大位移井钻井过程中的摩阻、扭矩的预测和控制是成功地钻成大位移井的关键和难点所在。开展摩阻、扭矩预测技术研究，在大位移井的设计〔包括钻井设备选择、轨道形式与参数、钻柱设计、管柱下入设计等〕、施工〔轨道控制、井下作业等〕阶段都具有十分重要的意义。

第一节摩阻扭矩研究及存在的问题

钻井界早就认识到摩阻扭矩预测、分析和减摩技术在大位移井中的重要性。摩阻问题贯穿从设计到完井和井下作业的全过程，其重要性为：

根据摩阻扭矩分布设计选用钻杆强度和各钻柱组件〔钻杆，钻铤和加重钻杆〕分布。

地面装备〔顶驱功率和扭矩，起升能力、泵功率和排量压力〕需要根据摩阻扭矩预测来选用，并考虑到预测误差需留有足够的充裕能力。

钻井液设计及润滑性要求。在某一特定地区，使用水基钻井液钻大位移井，其水平位移受摩阻扭矩限制会有一个极限长度。超过该极限值，靠加减摩剂维持钻井会遇到技术困难，经济效益不佳或风险大。但是，在一定的可控制的摩阻扭矩范围内，使用水基钻井液具有显著技术经济和环保效益。

井眼轨迹的设计和轨迹控制技术往往受摩阻扭矩限制。在当前普遍采用的旋转导向钻具控制轨迹条件下，在扭方位或以较高井眼曲率增降井斜角的井段必须放在滑动态能钻井的深度。

充分考虑完井、井下作业或修井可行性。如果在钻井阶段，钻柱可旋转下入或倒划眼起出，那么就需考虑套管或尾管是否需要旋转才能下入、生产油管、连续油管或其它测试管柱能否下入等问题。

从上述分析看出，摩阻、扭矩预测的准确性至关重要，但是提高摩阻扭矩预测精度仍是大位移钻井的一个难点。

1、研究现状

国内外学者对定向井、水平井、大位移井的摩阻、扭矩问题进行了大量的研究，建立了对应的力学模型。1983年，Johansick，首先提出了在定向井中预测钻柱拉力和扭矩的柔索模型，为改良井眼轨迹设计和钻柱设计、现场事故诊断和预测提供了理论依据。Lesage在Johansick的根底上，分起钻、下钻、旋转钻进三个过程，考虑了钻柱的运动状态对摩阻、扭矩模型的影响，并对模型进行了改良。1988年，何华山以大变形为根底，并考虑了钻柱刚度的影响，提出了改良的拉力/扭矩模型。1992年，杨姝提出的修正模型在综合考虑了井眼轨迹和井眼状态，特别是考虑了钻柱的运动状态钻井液粘滞力和结构力的影响。美国德克萨斯大学ChengYan博士开发了圆管的弯曲模型，该模型考虑了三维实际井眼，以及钻柱的刚性影响。国外的摩阻扭矩模型大都采用了管柱变形曲线与井眼曲线一致的假设，这与实际有较大差异，但由于采用了反算摩阻系数的方法，这一误差被包含进了可变的摩阻系数之中。这对于常规定向井和水平井，根本上能满足工程技术的需要。

2、摩阻扭矩预测和分析存在的主要问题

摩阻、扭矩对大位移井钻井有着重大影响，而目前国内外的研究模型用于计算大位移井的摩阻、扭矩误差高达20%～50%，对其进行正确计算是大位移井钻井实践提出的一个迫切要求，需进一步研究过去模型中未能考虑的因素，如钻柱的局部弯曲、与井眼的接触状态、泥浆性能、地层孔隙压力、岩屑床的状况等，尽量贴近实际，减少理论与实际的误差，并进行优化轨迹设计，降低摩阻技术的研究，以更好地指导大位移井钻井施工。

在摩阻扭矩计算中，“事前”与“事后”又有差异。所谓“事前”是指没有实测摩阻扭矩，靠分析计算。而“事后”指实测摩阻扭矩，通过调整摩阻系数使计算值与实测值更接近。这对预测同一井下工况的摩阻和积累摩阻扭矩预测经验是有价值的，但总体上仍摆脱不了对摩阻系数的依赖性和摩阻系数取值的随意性。产生上述问题的主要原因是：

现在广泛采用的库化摩擦定理不完全符合井下的摩擦机理，摩阻系数取值有一定随意性。

钻柱作用于井壁的横向力〔正压力〕很难准确计算。

有一些重要的因素还没有引进到摩阻扭矩预测模型中，如导向钻具组合的摩阻或阻卡在模型中未考虑。

第二节摩阻/扭矩模型建立

1、钻柱三维刚杆模型

1.1根本假设条件

钻柱与井壁连续接触,钻柱轴线与井眼轴线一致；

井壁为刚性；

钻柱单元体所受重力、正压力、摩阻力均匀分布；

计算单元体为斜斜平面上的一段圆弧。

1.2模型建立与求解

在井眼轴线坐标系上任取一弧长为ds的微元体AB，并对其进行受力分析，以A点为始点，其轴线坐标为s，B点为终点，其轴线坐标为s+ds，此单元体的受力如图1所示。

图1微元段钻柱受力分析

曲线坐标S处〔A点〕的集中为为：

b〔s〕〕〔1〕

微元段s+bs处〔B点〕的集中〔s+ds〕为：

〔s+ds〕=〔〔T〔s+dT〕-〔n+dn〕-〔b+db〕

〔2