基于Wellplan 的隨鉆扭矩精準(zhǔn)模擬方法研究

羅 曼,和鵬飛,宋峙潮

（中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津 300452）

引言

扭矩是鉆完井工程的極其重要的參數(shù),直觀的分析鉆柱、套管柱的最終地面扭矩是否在鉆機(jī)裝備的持續(xù)輸出安全扭矩范圍內(nèi),更深層次的驗證井筒清潔情況[1-5]。因此開展井筒扭矩的分析是非常必要的,可以在作業(yè)前開展工藝方案優(yōu)選,提前開展預(yù)案研究。行業(yè)內(nèi)也開展了較多的扭矩分析方法研究。

1 研究現(xiàn)狀分析與問題

薄和秋[6]等人,針對墾東大位移井從摩阻扭矩算法模型的優(yōu)缺點對比出發(fā),選擇了適合現(xiàn)場的軟繩模型,開展了摩阻扭矩預(yù)測。張林強(qiáng)[7]同樣開展了三種計算模型的對比研究,給出適合大位移井的軟繩模型算法。閆鐵[8]以三維縱橫彎曲梁理論計算了底部鉆具組合的摩阻扭矩,鉆桿段優(yōu)選軟繩模型。翟鵬[9]提出了復(fù)雜結(jié)構(gòu)井分段計算摩阻扭矩新模型,即按照軌跡曲率分別選擇剛性和軟繩模型。付天池[10]采用了基于軟繩累計扭矩基數(shù)的算法。劉義嶺[11]考慮鉆井液粘滯力和套管屈曲后開展了摩阻扭矩計算模型研究。丁培宇[12]以數(shù)據(jù)挖掘為手段建立了預(yù)測摩阻系數(shù)的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。何世明[13]以小井眼長水平段為目標(biāo)對象研究了摩阻扭矩的計算和控制技術(shù)。李波[14]建立了基于有限元法的三維非線性動力學(xué)模型。馬志攀[15]考慮鉆井液粘滯因素、管柱屈曲和大鉤載荷校正等因素進(jìn)行了摩阻扭矩計算和套管磨損分析。張楊[16]基于套管柱下入計算了能夠通過的最大井眼曲率。唐洪林[17]以實時鉆井參數(shù)為依據(jù),建立摩阻扭矩監(jiān)測圖版。

綜上可見,均對扭矩模型開展了對比研究,軟繩模型是公認(rèn)的優(yōu)選模型,差異性的是對考量的因素分析不統(tǒng)一。目前國內(nèi)海洋鉆完井通用采用Wellplan 軟件開展扭矩分析,該軟件提供了剛性和軟繩模型,存在的主要問題是,對于軟件摩阻扭矩計算考慮的影響因素的參數(shù)敏感性和確定方法存在較大差異,由此導(dǎo)致計算結(jié)果的誤差率較大的問題。因此開展了基于Wellplan 的扭矩影響敏感性分析和精確預(yù)測方法研究。

2 扭矩敏感性影響模型

分析扭矩敏感性,最主要的是分析扭矩如何產(chǎn)生的。扭矩簡單的講是管柱在井筒內(nèi)橫向面相互作用產(chǎn)生的阻力和力臂的力矩表現(xiàn),在斜井中主要由管柱和井筒內(nèi)壁橫向相互摩擦作用、管柱和井內(nèi)泥漿橫向相互摩擦作用以及井底鉆頭與地層垂直相互作用摩擦產(chǎn)生,因此可用模型表示為公式（1）

式中,T地面為井口地面顯示的總扭矩,T井壁為管柱與井壁之間產(chǎn)生的扭矩,T鉆井液為管柱與鉆井液之間產(chǎn)生的扭矩,T鉆頭為鉆頭與地層產(chǎn)生的扭矩。

假設(shè)管柱與井壁在某一點產(chǎn)生扭矩,二者必然是相互產(chǎn)生了接觸（接觸點一側(cè)管柱和井壁之間距離可約為0）,此時接觸的力為該點在井筒內(nèi)側(cè)向力與二者摩擦系數(shù)產(chǎn)生的摩擦力,力臂為管柱中心到管柱外壁也就是管柱外徑的二分之一,此時管柱與井壁產(chǎn)生的扭矩可表示為公式（2）

式中,F側(cè)向力為接觸點產(chǎn)生的管柱側(cè)向力,D管柱為管柱外徑直徑,u井筒為管柱和井壁之間的摩擦系數(shù)。

對于管柱從鉆頭以上底部開始到井口,全井筒的接觸扭矩為公式（3）,表征為從鉆頭深度md 到井口的管柱扭矩累積

側(cè)向力的獲得,通過公式（4）。

式中,F拉為該處管柱所受拉力,△ε 為計算單位內(nèi)方位角的變化量,△θ 為計算單元內(nèi)井斜角的變化量,θ平均為計算單元內(nèi)的平均井斜角,ε平均為計算單元內(nèi)的平均方位角,W管柱單位重量,L管柱為計算單元長度。

管柱與鉆井液之間相互作用產(chǎn)生的扭矩稱為粘滯扭矩,計算公式為（5）

式中,T 為鉆井液切力,L 管柱為管柱長度,D 管柱為管柱外徑直徑。

鉆頭扭矩模型,可理解為鉆壓導(dǎo)致鉆頭與井底摩擦,加上鉆頭直徑產(chǎn)生的力臂,得到的扭矩公式（6）

式中,μ鉆頭為鉆頭與地層之間的摩擦系數(shù),W鉆壓為鉆壓,D鉆頭為鉆頭直徑。

3 基于Wellplan 的隨鉆扭矩預(yù)測方法應(yīng)用

3.1 隨鉆扭矩精準(zhǔn)預(yù)測工程案例：東海超深井A1s

A1s 設(shè)計完鉆井深5 040 m,定向井軌跡設(shè)計自300 m 開始造斜至745 m 達(dá)到28°,二次造斜從4 600 m 至4 850 m,造斜至40°,方位角二次造斜時左扭30°中靶,井身結(jié)構(gòu)設(shè)計見表1。隨鉆采用扭矩監(jiān)測、預(yù)測技術(shù),具體方法如下。

表1 A1s 井身結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.2 摩阻系數(shù)的獲得

摩阻系數(shù)和摩擦系數(shù)存在差異,但又相互聯(lián)系,摩擦系數(shù)表征兩個物體之間接觸摩擦產(chǎn)生的阻力系數(shù),是摩擦力和垂直作用力的比值。井筒的摩阻系數(shù)是一個廣義的摩擦系數(shù),代表整個井筒內(nèi)某一段（套管段和裸眼段）的摩擦系數(shù)均值。摩阻系數(shù)存在時間和空間上的不均一性,時間上隨著井筒內(nèi)鉆井液性能變化（潤滑性、固相含量）、裸眼段井壁泥餅性質(zhì)變化而發(fā)生變化,空間上因井筒內(nèi)每一點、每一米表面物理特性不一致,尤其裸眼內(nèi)砂泥巖層（滲透性導(dǎo)致的泥餅差異、井眼擴(kuò)大率不一樣）而存在差異。因此推薦采用基于反演的再預(yù)測,反演可以是本井目前實際鉆井參數(shù)的反演,也可以是周邊相似軌跡、井身結(jié)構(gòu)實際鉆井參數(shù)的反演。如圖1,A1s 井反演3 150～3 300 m 時的井筒摩阻系數(shù),可以看出套管內(nèi)0.29、裸眼內(nèi)0.38 的情況比較貼近。

圖1 A1s 井在3 150～3 300 m 的摩阻系數(shù)反演

3.3 鉆頭扭摩擦系數(shù)的獲得

通過時間軸15 s 導(dǎo)出鉆頭深度和實鉆扭矩的關(guān)系散點,根據(jù)海上鉆井實際工況：每柱打完倒劃眼2～3遍,因此在二者散點中既有鉆進(jìn)地面扭矩反應(yīng),又有空轉(zhuǎn)扭矩反應(yīng)。核心是如何是數(shù)據(jù)處理中分開實鉆和空轉(zhuǎn)扭矩,采用的方法是擬合趨勢線法,如圖2 所示,采用線性擬合鉆進(jìn)扭矩趨勢和空轉(zhuǎn)扭矩趨勢,獲得線性擬合方程。二者相減獲得實際鉆頭扭矩。

圖2 A1s 井在3 400～3 650 m 的扭矩的分解分析

利用公式（6）以及實鉆鉆壓等參數(shù),計算獲得計算鉆頭扭矩。μ鉆頭取值0.6,擬合度較高。計算誤差率10.37%

3.4 扭矩預(yù)測效果

預(yù)測是一個不斷反演不斷調(diào)整的過程,一口井開鉆的初期采用鄰井的數(shù)據(jù)反演,鉆進(jìn)中采用上部或者當(dāng)前已鉆的反演,預(yù)測時既要考慮當(dāng)前井筒情況,還要參考相鄰下部井段情況,這是一個動態(tài)辯證統(tǒng)一的方法。圖3 是A1s 井在整個12.25 in 井段的實際扭矩和預(yù)測扭矩的預(yù)測情況,可以看出總體預(yù)測精度在10%左右。如表2,顯示了整個12-1/4″井段作業(yè)過程的井筒摩阻系數(shù)反演情況,可以看出,摩阻系數(shù)存在各項異性,即便是在同一時間節(jié)點,旋轉(zhuǎn)和上提下放管柱之間存在差異性,因此在工程中建議按照相同操作選擇反演預(yù)測。

表2 A1s 井在12-1/4″井段的作業(yè)過程的井筒摩阻系數(shù)反演

圖3 A1s 井在12-1/4″井段的扭矩預(yù)測和實際對比

4 結(jié)論

（1） 通過鉆井工程扭矩基本模型的推導(dǎo),可以看出,隨鉆過程對于摩阻系數(shù)的獲得是準(zhǔn)確預(yù)測扭矩的關(guān)鍵。

（2） 摩阻系數(shù)不同于狹義的摩擦系數(shù),存在相同條件狀態(tài)下的各項異性,也存在時間和空間兩個維度的各向異性。

（3） 通過基于Wellplan的扭矩敏感性和精確技術(shù)研究的研究,能夠積極指導(dǎo)現(xiàn)場作業(yè)和方案制定,具備廣泛推廣和應(yīng)用的前景。