摘 要：近年来,在国际上摩阻/扭矩问题的研究仍然受到重视。影响摩阻/扭矩的因素按可预测的准确程度可以分为定量因素和定性因素。目前，可以定量计算的因素为重力、摩阻系数、测斜数据和钻柱变形;而只能定性分析的因素为岩屑床厚度、井眼缩径与坍塌、棵眼井璧岩石的力学性质、泥饼厚度和压差等。本文系统地阐述影响摩阻/扭矩的因素、预测方法和可采用的控制技术措施。最后,给出一个工程应用实例。
关键词：大斜度井；摩阻/扭矩；定量因素；定性因素；控制措施
大斜度井是最大井斜角超过55°的定向井,其长稳斜井段的安全高效钻进具有重要的经济价值。较准确地掌握该井段钻井作业的摩阻/扭矩规律是安全高效钻进的重要前提之--,例如,能较好地解释加不上钻压(俗称托压)的原因;钻井摩阻/扭矩对断钻具事故的预报具有指导作用。摩阻是斜井中钻柱轴向力的重要组成部分,对比实际状态和理想状态(即零摩阻状态)的轴向力,它们之差即为摩阻。扭矩是使下部钻柱转动而需要施加的力矩,钻柱上任--点离钻头越远,则承受的扭矩越大。因此，摩阻/扭矩要通过计算钻柱轴向力得到。
1摩阻/扭矩的影响因素分析
1.1重力与摩阻系数
在正常条件下,钻柱承受的重力与摩阻是产生其轴向力/扭矩的内因。为了建立计算三维井眼中钻柱轴向力的通用模型,首先考虑两井眼轨迹测点之间的一个钻柱单元，建立轴向力和与其相关的因素之间的关系式。在推导过程中,假设:①钻柱单元的曲率为常数;②钻柱轴线和井眼轴线重合,此假设隐含钻柱单元的曲率和井眼曲率相同;③两测点之间的井眼轨迹位于一个空间平面内;④钻柱的弯曲变形仍在弹性范围之内。在上述假设的基础上,经过推导与合理简化，可得:
(1)
式中,为钻柱单元上端的轴向力,N;。为钻柱单元下端的轴向力,N;。为单位长度钻柱在钻井液中的重量,N/m;为平均井斜角,rad;。为轴向的摩擦系数或摩阻系数,无量纲;为由钻具.重量轴向力、井眼弯曲、钻柱弯曲和屈曲等产生的正压力,N/m;为钻柱单元的长度,m。
当钻柱提离井底并转动时,转盘扭矩由钻柱和井壁之间的摩阻产生。当旋转钻进时，转盘扭矩由钻柱井壁间摩阻和钻头扭矩共同产生。扭矩的计算步骤和轴向力类似，计算过程中要先计算轴向力和正压力,然后再计算扭矩，单元上端的扭矩由下式计算:
（2）
式中,为单元上端的扭矩,N·m;为单元下端的扭矩,N.m;为钻具外壁圆周切向的摩擦系数或摩阻系数,无量纲;为钻柱接头的外径，m。
1.2井眼几何形态
井眼几何形态对钻井作业中摩阻/扭矩有着重要的影响,通常以摩阻/扭矩最小为约束条件最优化井眼轨道设计,可选用的轨道类型包括常规三段制、悬链线、二次抛物线、双增剖面等。如果实钻井眼轨迹偏离了设计方案,那么就会直接影响到钻柱与井壁的接触状态,并造成摩阻系数的增大,进而导致钻井作业的摩阻/扭矩的增加。井眼弯曲程度越高,则摩阻/扭矩越大。
1.3裸眼井壁岩石的力学性质
当井眼直径小于钻具接头时,即使差值(或过盈量)很小,比如0.1mm,也会产生很大的阻力,比如大于100kN/m,而该阻力的具体大小与下述因素有关,钻具接头外径、壁厚、弹性模量和泊松比,井眼直径,以及裸眼井壁岩石的弹性模量和泊松比。钻具接头的弹性模量和泊松比可以看作常数,如果其它条件相同,则壁厚越大,产生的阻力越大。棵眼井壁岩石的弹性模量和泊松比越大,则产生的阻力越大。井眼直径越小,则产生的阻力也越大。
1.4岩屑床厚度、井眼缩径与坍塌
岩屑床极易形成于井斜角在30°~60°的井段，2000年江苏石油勘探局安徽石油勘探开发公司的统计资料表明,由于井眼净化程度差,发生在井斜角大于30°井段的复杂情况和卡钻事故处理时间占建井完井总时间的3.43%~11.67%。岩屑床的存在减少了井眼的通径,岩屑床厚度越大,则井眼通径越小。井眼缩径直接减少井眼的通径。坍塌造成井眼不规则,在井眼扩大位置，钻井液流速降低,结果是岩屑容易在该处堆积,从而减少井眼的通径。通径过小非常容易引起卡钻事故。
1.5泥饼厚度与压差
压差是指井内压力与地层孔隙压力之间的差值。
钻进中钻遇异常高压地层时,通常需要较大幅度地提高钻井液密度,由于钻井液液柱压力的作用，钻柱受到的摩阻/扭矩会明显增大。因此在钻井设计中必须考虑到钻井液性能参数及其变化对摩阻/扭矩的影响,并根据不同情况进行计算和修正。
2摩阻/扭矩预测
与摩阻/扭矩预测相关的工作包括收集邻井的现场数据,以上述数据为基础进行摩阻系数反演,并将反演所得的摩阻系数与定性分析结论应用于设计井的摩阻/扭矩预测。
2.1现场数据收集
与钻井作业摩阻/扭矩的分析、预测与控制密切相关,因而需要尽可能取全取准的现场数据包括:①测斜数据(井深,井斜角,方位角);②管柱组成(管径,接头外径,壁厚,线密度,段长);③井径(井深，井径);④起下钻(包括短起下)过程大钩载荷实测值(大钩载荷,井深);⑤旋转钻进(包括划眼和倒划眼)过程转盘扭矩实测值(转盘扭矩，井深);⑥旋转钻进过程(包括划眼和倒划眼)大钩载荷实测值(大钩载荷,井深);⑦旋转钻进过程(包括划眼和倒划眼)钻压实测值(钻压,井深);⑧滑动钻进过程大钩载荷实测值(大钩载荷,井深);⑨滑动钻进过程钻压实测值(钻压,井深);①钻井液性能,岩性及故障提示。
2.2轴向力/扭矩计算方法
在计算轴向力/扭矩之前,需要先进行实际或设计井眼轴线的计算,其计算方法有二十多种,常用的有平衡正切法、平均角法、圆柱螺线法和最小曲率法。本文以适合井眼轨迹参数计算的最小曲率法为前提,提出了计算三维井眼中钻柱轴向力/扭矩的通用计算模型,它既适用于计算实钻井眼中钻柱的轴向力/扭矩,同样也适用于根据设计井眼轨道计算钻柱的轴向力/扭矩。其主要计算过程是,从钻柱的下端即钻头位置开始,一一个单元接一个单元地计算单元上端的轴向力/扭矩,直到大钩,则最终得到整个钻柱的轴向力/扭矩沿井深方向的分布,其中离钻柱下端最远处的轴向力/扭矩就是大钩载荷/钻盘扭矩的计算值。
2.3摩阻系数反演
所谓摩阻系数反演是指从实测大钩载荷/钻盘扭矩出发,通过数值分析中的迭代计算方法,最终得到摩阻系数的过程。本文采用二分法计算摩阻系数，并以上提钻柱为例说明其基本计算过程,而其它工况的摩阻系数计算方法类似。已知上提钻柱的大钩载荷为Fh,而钻头处轴向力为0,通常摩阻系数μ。的取值范围为0.12~0.35,允许误差限E。=0.01。则计算步骤如下:①令μa=0.12,μ2=0.35;②μ.=(μ。+μ2)/2,计算大钩载荷F,如果F.<F,则令μa=μ,否则令μa=μ;③如果|μe-μa|/μ.>E.，则转到第②步,否则μ.即为所求,结束计算。得到的摩阻系数可以应用于类似钻井作业的摩阻/扭矩预测。另外,此处计算中采用的是实测井眼轨迹数据,当然也可以采用设计井眼轨道数据，对比两种情况下所得的摩阻系数,可以判断井眼轨迹控制质量,偏离越大,则说明实钻井眼轨迹偏离设计井眼轨道越多,显然这对将来的摩阻/扭矩预测也是有指导作用的
2.4摩阻/扭矩预测
所谓摩阻/扭矩预测是指在开钻之前,从选定的摩阻系数出发计算钻柱轴向力(大钩载荷)/扭矩(转盘扭矩)以及它们随井深或下深变化规律的过程。此处所用的计算方法就是轴向力/扭矩的计算方法,不需要迭代计算。与摩阻系数反演不同,此处计算中只能采用设计井眼轨道数据。计算结果需要根据经验进行修正之后,比如用井眼弯曲指数进行修正,才能用于指导现场施工。
3摩阻/扭矩控制
摩阻/扭矩的影响因素分析及其预测的终极目.的是指导选用合适的控制措施。在保证安全和节约开支的原则下,最优化轨道设计方案,适当控制钻井液性能,安装减扭接头与清除岩屑床接头,使用合适的钻头、钻杆与底部钻具组合,以及采取合适的作业措施,就能够有效地控制摩阻/扭矩。
4工程应用实例
在预防由于钻柱粘卡产生的异常摩阻方面,采用了防粘卡稳斜导向钻具组合,即"钻头+单弯螺杆+短钻铤(1.5~2.5m)+欠尺寸稳定器+无磁钻铤1根+加重钻杆"是在过去常规定向钻具组合中增加一根短钻铤和一个欠尺寸稳定器,这一-创新起到了防粘卡和稳斜的作用,特别是在大斜度长稳斜段定向井中,配合高效能PDC钻头和大功率螺杆钻具能一次性完成造斜、稳斜、纠方位等作业,实现滑动钻井与旋转钻井相结合的钻井方式,发挥了导向钻井的重要作用,大幅度提高了机械钻速,减少了起下钻次数,降低了工人劳动强度,缩短了钻井周期,最终节约了钻井成本。
参考文献
[1] 张文华,胡国清,桑路等.钻进扭矩与摩阻分析及减扭措施.石油钻探技术,2018,29(4):22-24.
[2] 魏宏安,张武辇,唐海雄.超大水垂比大位移井钻井技术.石油钻采工艺,2015,27(1):1-5,8.