冀東深層大位移井鉆柱安全分析與對策

張 月，孔 華，李戰偉，陳德強

（1.中石油煤層氣有限責任公司，北京100028；2.中石化中原石油工程有限公司鉆井工程技術研究院，河南濮陽457001；3.中國石油冀東油田勘探開發建設工程事業部，河北唐山063200；4.中石化中原石油工程有限公司鉆井二公司，河南濮陽457001）

管柱的摩阻扭矩問題是大位移井技術的核心問題之一，它決定水平位移的最大延伸能力。影響大位移井管柱摩阻扭矩的因素很多，如井身剖面、井眼幾何特性、井眼凈化、管柱結構、鉆井液性能、鉆遇地層性質等[1-3]。在現場實踐中，由于管柱的摩阻扭矩太大，可能出現鉆具起不上來或發生斷鉆具事故、套管柱組合不能下入合適的層位等問題[4]。由此可見，大位移井管柱摩阻扭矩預測與分析始終貫穿于大位移井的設計、鉆井施工、完井、測井、采油等后續作業的全過程[5-6]。冀東油田所鉆定向井、水平井與國內其他油田相比，存在“造斜點淺、垂深大、井底位移大、裸眼段長”等特點，鉆完井等過程中存在較大的摩阻，井下鉆柱安全風險大。

針對冀東深層大位移井特點，建立了基于軟桿模型的摩阻扭矩分析方法，開展了冀東深層大位移井鉆柱安全性評價研究，分析了大位移井摩阻、扭矩分布情況，評價了鉆井軌跡、摩擦系數等對鉆井摩阻扭矩的影響，并提出了相應的降摩減阻技術措施。

1 冀東大位移井鉆井特點

冀東油田已完鉆大位移井，其完鉆井基本數據進行了統計，見表1。由表可知，冀東油田大位移井主要有以下特點：目的層深。冀東大位移井目的層垂深大于3500m，屬于深層大位移井；造斜點淺。由于沉積不明顯的軟地層造斜率要求低，上部造斜段長（700m 左右）；穩斜段長。穩斜段長度均超過1000m，穩斜角在40°左右，摩阻、扭矩大，攜巖困難；裸眼段長。由于井身結構設計受限，四開裸眼段長超過2000m。

在冀東大位移水平井鉆進過程中，由于裸眼段長、摩阻大，井下鉆柱安全事故發生概率高。冀東油田大位移井完井復雜情況統計見表2，從統計結果可以看出，對于冀東大位移井，其井下復雜主要表現為：

（1）摩阻、扭矩大。由于裸眼段長，摩阻大，鉆具和完井管柱下入困難，在個別井出現“放空”現象；鉆進時扭矩高（達到45～50kN·m）、轉盤負荷大，鉆柱與井眼底邊套管和裸眼段接觸摩擦系數高使鉆頭不規則運動，直接影響鉆頭壽命和機械鉆速。

（2）鉆柱斷裂或穿刺現象突出。鉆具下入和鉆井出現為彎曲，產生交變應力導致鉆柱疲勞，出現斷裂、穿刺等問題，嚴重地影響了鉆進速度和井下安全。

2 大位移井摩阻扭矩計算模型的建立

大位移井的井眼曲率變化平緩，在起下鉆和鉆進作業中，桿柱的橫截面上不會產生太大的剪切力，對于小曲率井眼，忽略剛度的影響，在工程上可以得到足夠的精度[7-9]。因此，本文對于摩阻扭矩的研究，采用軟管模型，通過管柱力學平衡方程建立大位移井軟管摩阻扭矩計算模型。根據管柱的受力特征，考慮接觸和井斜分量，可以得到不同分量管柱受力及管柱側向力的計算公式：

表1 冀東油田完成井基本數據

表2 冀東大位移井前期復雜情況統計

式中：α1、α2、φ1、φ2——單元長度管柱兩端測點的井斜角和方位角，rad；

Wb——單元長度管柱的浮重，N；

Wx、Wy、Wz——管柱浮重在軸向和徑向上的三個正交坐標的分量，N；

T2——單元長度管柱上下兩端面處的軸向力，N；

γ——單元長度管柱處的狗腿角，rad；

NR——管柱與井壁之間的接觸側向力，N。

為了計算整個管柱在井眼中的摩阻扭矩，針對不同的鉆井工況，從單元長度管柱的受力分析出發，考慮摩擦系數f 的影響，采用單元疊加的方法，建立了不同起下鉆等鉆進摩阻和扭矩計算公式：

式中：F——起下鉆過程中的摩阻，N；

NRi——管柱第i個單元長度管柱的側向力，N；

f——管柱與井壁之間的摩擦系數，無因次；

fe——旋轉鉆進中管柱與井壁之間的周向摩擦系數，無因次；

T——扭矩，N·m；

D0——鉆柱外徑，m。

3 大位移井鉆柱摩阻扭矩分析

以冀東典型大位移井為例，進行相關分析。該井造斜點為500m，技術套管下深4203m，設計/實鉆井深為5376m，設計剖面和實鉆軌跡垂直剖面見圖1。鉆井液參數：密度1.40g/cm3，滑動鉆壓120kN，旋轉鉆進鉆壓60kN，鉆頭處扭矩5.50kN·m。裸眼段模型系數為0.30，套管內摩擦系數為0.25。

圖1 設計軌道和實鉆軌跡垂直剖面圖

鉆具組合為：?215.9mm 牙輪鉆頭×0.24m+?172.0mm 螺桿×8.10m+?127.0mm 無磁承壓鉆桿×9.35m+MWD 短節×0.89m+?127.0mm 加重鉆桿×9.30mm+?127.0mm 鉆桿×733.63m+?127.0mm 加重鉆桿×120.5m+?127.0mm鉆桿×563.75m+?139.7mm鉆桿。

3.1 側向力分布

圖2 分別為實鉆軌跡鉆柱側向力隨井深分布情況。從圖可以看出，對于大位移井，鉆具側向力主要集中在上部造斜段和底部鉆具組合（BHA）井段。其中上部井段500～1100m與大斜度井初始造斜段向吻合，特別是起鉆過程中側向力較大。該段鉆具承受軸向拉、壓交變應力以及彎曲應力，從而使得該段鉆具受力復雜，易產生疲勞破壞。實鉆軌跡井眼曲率變化較大，井眼光滑程度降低，導致鉆柱側向力分布波動較大。這也是前面部分大位移井施工中鉆具在上部井段發生斷裂的主要原因之一。

圖2 設計軌道側向力沿井深分布

3.2 扭矩分布分析

由于摩擦阻力的影響，井口輸出扭矩沿著鉆柱逐漸衰減。圖3為設計軌道和實鉆井眼軌跡條件下，扭矩沿鉆柱的分布情況。從圖中可以看出，對于設計井眼由于井眼曲率比較平滑，其最大扭矩值低于G 級80%壁厚的鉆柱抗扭強度，但實鉆中，由于井眼曲率的隨機和不規則，從而造成鉆柱扭矩有所提高，上部井段扭矩值已經超過了G級80%壁厚鉆桿所能承受的最大上扣扭矩，因此鉆桿磨損嚴重時，存在鉆柱損壞的可能。

圖3 扭矩沿井深分布

3.3 鉆井深度對摩阻和扭矩的影響

基于位移不變（3200m），改變設計完鉆垂深（3000m、3500m、4000m），分別計算鉆至完鉆井深的摩阻扭矩情況，見表3。從表中可以看出，在位移條件下，隨著完鉆井垂深的增加，井深增加不多，但摩阻和扭矩增加相對較大。

表3 不同垂深條件下摩阻扭矩計算結果

3.4 大位移井摩阻扭矩變化

由于鉆井過程中，摩擦系數受到實鉆井眼及鉆井液等影響較大，而摩擦系數的變化對于計算結果的影響較大，因此計算中，分別計算了不同摩擦系數條件下的相關結果。滑動鉆進過程中摩阻和復合鉆進扭矩隨井深和摩擦系數變化見圖4、圖5。

圖4 滑動鉆進摩阻隨井深和摩擦系數變化

圖5 旋轉鉆進井口扭矩隨井深和摩擦系數變化

從圖中可以看出，隨著井深的增加，摩阻和扭矩基本呈線性增加，摩擦系數的影響也更加顯著。當鉆進至5376m設計井深處時，即使在井眼規則、摩擦系數較低的情況下，鉆盤扭矩以接近或超過鉆柱（普通級別，最小壁厚為名義壁厚的80%）的抗扭強度。因此，對于鉆具的抗拉強度和接頭的上扣扭矩成為大位移井安全鉆進的主要考慮因素。

4 主要技術措施及建議

4.1 合理優化鉆具組合

在大位移井中，設計合理的鉆具組合是鉆井設計中的核心問題之一，它關系到能否安全、順利鉆達目的層位。通常，要對鉆具組合的三軸應力進行校核，使三軸應力的安全系數達到1.67 以上，避免出現鉆具事故，以確保鉆機能力足夠富余；還要對鉆具的側向力進行校核，把側向力控制在安全的范圍內，避免鉆具受到地層的磨損或者鉆具磨損套管，盡量避免出現因套管磨損無法鉆進或卡鉆的情況，為后續作業創造良好的條件。此外，還要盡量簡化井底鉆具組合(BHA)，減少不必要的鉆鋌、穩定器和加重鉆桿等附件，讓BHA 盡量輕，盡量簡單。

大位移井管柱的摩阻扭矩很大，要求管柱的強度高，尤其是抗扭強度。管柱由本體和接頭組成，雖然本體不是管柱的薄弱環節但對于特大位移井（特大扭矩）來講管柱本體的抗扭強度也必須考慮，對于管柱接頭，更是應當十分關注的部位。從分析可知，對于大位移井，鉆柱設計必須滿足鉆柱抗拉強度及高抗扭要求。上部井段要采用139.7mmS135 級鉆桿，可承受較高扭矩和抗拉強度。在起下鉆過程中，應及時對鉆具磨損和疲勞情況進行跟蹤，對側向力較大處倒換鉆具，降低鉆具疲勞破壞。

同時采用，合理加裝大位移井減扭阻工具能有效地減少摩阻，減低扭矩，提高了鉆具的使用性能，減少了鉆具的磨損[10]。

4.2 保證井眼軌跡光滑

井眼曲率的不規則會加重鉆柱的彎曲變形以及側向力，一方面，較高的井眼曲率導致實鉆摩阻、扭矩遠遠大于設計井眼的摩阻扭矩；另一方面，當狗腿度超標時，不同剛性鉆具在旋轉鉆進中不同的角速度產生不同頻率的側向振動，從而加劇鉆具疲勞。

前面分析可知，隨著井眼摩擦系數的增加，摩阻和扭矩也隨之提高，因此，需要提高井眼清潔程度。當巖屑床厚度較大時應采取水力清洗與機械破巖相結合的方式進行井眼清潔操作，優化排量減小鉆井液的固相含量，提高鉆井液動塑比。如果井眼清潔效果不好仍然存在穩定的巖屑床時，考慮在該井段裝入剛性長棱穩定器或者專用機械破床工具后打入大段稠塞進行強力清洗。

5 結論與建議

（1）大位移井井下受力復雜，鉆具在斜井段受到長期的彎曲應力已產生疲勞破壞，應加強對鉆具的出入井質量檢測，并合理優化鉆具結構。

（2）理論分析與實鉆情況統計表明造斜點附近鉆具承受的較大的側向力和拉伸載荷，是整個大位移井鉆具安全的薄弱段，應對該段鉆具的使用加強管理。