水平井摩阻分析及降低摩阻的主要措施

張志鵬 辛偉 莫榮剛（川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司，陜西 西安 710018）

水平井摩阻分析及降低摩阻的主要措施

張志鵬 辛偉 莫榮剛（川慶鉆探工程公司長慶鉆井總公司，陜西 西安 710018）

在鉆井過程中，鉆井摩擦阻力是不可避免的，主要是指鉆井過程中鉆井管柱與井壁之間的摩擦力，即軸向摩擦阻力和周向摩擦扭矩。隨著水平井不斷開發，水平井摩阻受到越來越多的重視，因為隨著水平段的延伸，摩阻越來越大，嚴重影響有效鉆壓，降低機械鉆速，從而增加開發周期和開發成本。本文分析水平摩阻的主要影響因素，并且結合現場實際，提出了降低水平井摩阻的主要措施方法。

水平井;摩阻;措施

水平井摩阻嚴重影響水平段的有效鉆壓和井眼軌跡控制，摩阻對水平井施工具有重要的影響，準確計算摩阻和降低摩阻是成功地鉆成水平井的關鍵和難點所在。分析水平井摩阻的主要影響因素，找出降低摩阻的主要措施對水平井施工具有重要意義。

1 影響水平井摩阻的主要因素

1.1 井身曲率的影響

井身曲率對摩阻的影響比較明顯，井身曲率越大，鉆柱是剛性的，與井壁間接觸反力越大，剛性鉆具緊貼著井壁，摩阻明顯增加。

1.2 地基彈性系數的影響

地層具有一定的彈性，隨著地基彈性系數的增大，摩阻最初增大的趨勢比較明顯，最終趨于恒定。因為隨著地基硬度的加大，鉆柱與井壁間接觸點的數目減少，但每個接觸點的反力迅速增加，導致摩阻變大；由于地基彈性系數達到上限時，地基變形量基本保持不變，處于剛性地基狀態，摩阻變化趨于恒定。

1.3 鉆壓的影響

鉆壓與摩阻是正相關關系，即隨著鉆壓的增加摩阻呈增大趨勢，鉆壓加劇了鉆柱的變形，使得鉆柱與井壁間的反接觸力增加，導致摩阻的上升。這種增大的趨勢不是線性的，在局部可能會存在摩阻值上下跳動的現象，由接觸點數目和位置變化而引起的。

1.4 鉆柱剛度和長度的影響

鉆柱是剛性的，剛性越強，鉆柱抵抗變形的能力就越強，在彎曲井段受到的反力就更大，摩阻就會增加，尤其是曲率較大時，增加的幅度更加明顯。鉆柱水平段越長，其與井壁間摩阻也就越大，這一規律是易于理解的，但是摩阻與鉆柱長度并不是完全呈線性關系，是因為摩阻和軸力間相互作用引起的。

2 水平井降低摩阻的主要措施

2.1 優化井眼軌道和加強軌跡控制

設計的井眼軌道類型不同，其對扭矩和摩阻的影響不同的，尤其是造斜點深度和井眼曲率，這兩個因素對摩阻的影響最大。所以在優選井眼軌道時，盡可能優化造斜點，降低井眼曲率，同時設計的井眼軌道能夠有利于清理井眼。

實鉆井眼軌跡對扭矩和摩阻都有重要的影響，實鉆井眼軌跡若偏離了最優化軌道，嚴重影響鉆具與井壁的接觸狀態，造成摩阻系數增大，進而導致鉆進扭矩和摩阻增加。

2.2 清潔井眼

井眼凈化效果不好，井眼內巖屑較多，嚴重影響井眼摩阻，可以根據不同井段和設備能力確定鉆井液環空返速和流型，合理選擇鉆井液性能，控制環空流速，使其滿足流型和井眼凈化需要。在水平井眼內不可能達到最大排量，可以采用鉆具轉動來確保井眼干凈，也可以采用倒劃眼的方式。加強固控設備的使用率，降低鉆井液中的固相含量。

2.3 改進鉆井液性能

降低鉆具摩阻另外一個關鍵技術改善鉆具與井壁接觸面的潤滑性，需要井內的鉆井液潤滑性能達到要求，生成的濾餅薄而韌。對于絕大多數水基鉆井液，在鉆井液中加入潤滑劑和聚合醇等添加劑，盡可能的提高鉆井液潤滑性能，降低水平井鉆井摩阻。同時也可以使用固體潤滑劑如石墨等，因為石墨附在套管壁，使鉆桿與套管壁的摩擦變成了石墨中不同層鱗片間的摩擦，即將滑動摩擦變成滾動摩擦，可以有效降低套管摩擦因數。

要求鉆井液生成高質量的濾餅，濾失量大小是一個重要指標。一般情況，濾失量影響濾餅的含水量，慮失量越大濾餅含水量越大，導致濾餅疏松，摩擦力越大。在水平井為了得到高質量的濾餅，應該將濾失量控制在5mL以內。鉆井液的靜切力也應該控制在合理的范圍內，靜切力過小導致細顆粒砂子在壓差作用下很快粘附到井壁上，井壁上的顆粒會增大鉆具與井壁之間的摩擦，要求鉆井液靜切力在3Pa以上。也可以在鉆井液中加入聚合醇，因為聚合醇在濾餅表面可以形成一層油膜，可以降低粘附在鉆具上的鉆井液與井筒內鉆井液的內在摩擦力，從而達到降低摩阻的作用。

2.4 優化井下鉆具組合

入井的鉆具組合盡量精簡和優化，保證下部鉆具具有良好的柔性，通過合理的利用扶正器，調整鉆具與井壁的接觸面積，通過減少鉆具與井壁的接觸面積來降低摩阻。鉆鋌的剛性太大，可以試驗采用用無磁承壓鉆桿代替無磁鉆鋌，減小下部鉆柱的剛度，鉆桿的外徑與鉆鋌小，這樣鉆具與井壁之間的間隙就會增大，鉆具與井壁間的摩擦系數降低，也會大大降低摩阻。可以嘗試使用降摩阻短節替代扶正器，也可以降低鉆具與井壁間的摩擦系數，降低鉆柱和井壁間的摩擦力，使用降摩阻短節的鉆具結構如下：鉆頭+降摩阻短節+螺桿鉆具+輕合金鉆桿+鋼鉆桿+鉆鋌+鉆鋌+鋼鉆桿。

3 結語

(1)水平井施工過程中，摩阻是不可避免的，應該分析摩阻的影響因素，通過人為調控降低水平井摩擦阻力。

(2)在鉆井施工前，優化設計水平井軌道，控制井眼曲率在合理的范圍內，同時在施工過程中加強井眼軌跡控制，盡量保持軌跡平滑。

(3)優化鉆井液性能是降低水平井摩阻的重要措施，鉆井液應該具有良好的潤滑性，產生的泥餅應該薄而光滑，可以有效降低鉆柱與井壁的摩擦力。

(4)在設計鉆具組合時，合理利用扶正器，減少鉆具與井壁的接觸面積，這樣也可以有效降低水平井摩阻。

張志鵬(1981-)，男，陜西渭南人，本科，鉆井工程師，主要從事鉆井現場技術服務和各類無線隨鉆儀器管理工作。