COMPASS、WELLPLAN软件在冀东油田3号构造的钻井施工中的应用

COMPASS、WELLPLAN软件在冀东油田3号构造的钻井
施工中的应用
蔺玉水;汪胜武;肖仰德
【摘要】In the drilling process of complex deep wells,excessive torque and drag may lead to the difficulty of direction or even sticking.Moreover,if the drilling tools were affected by axial stress,bending stress,shearing stress or buckling stress, fatigue failure might be caused as well as some relevant problems stemming from the inadequate hole cleaning.In order to meet the requirement of deep well drilling, Petrochina Jidong oilfield company introduced the application of COMPASS and WELLPLAN (LANDMARK),which has made the abstract concrete and digitized.This method preferably satisfied the drilling demand of No.3 structure,and at the same time effectively reduced the accident incidence,demonstrably improved the productivity and significantly lowered the drilling costs.%在复杂结构深井施工中，如果摩阻扭矩过高则会出现钻具定向困难、卡钻等问题，同时如果钻具受轴向应力、弯曲应力、剪切应力、扭曲应力等的影响则会产生疲劳破坏及由井眼清洁问题而产生的衍生问题。

为了满足钻井施工要求，冀东油田引进了LANDMARK公司的COMPASS、WELLPLAN应用软件，通过软件把这些抽象的问题具体化、数字化，较好地满足了3号构造的钻井施工要求，减少了事故发生率，提高了生产效率，降低了钻井成本。

【期刊名称】《辽宁石油化工大学学报》
【年(卷),期】2014(000)004
【总页数】4页(P44-46,54)
【关键词】3 号构造;钻井软件;应用;摩阻扭矩;受力分析
【作者】蔺玉水;汪胜武;肖仰德
【作者单位】渤海钻探第一钻井公司，天津 300280;渤海钻探第一钻井公司，天津 300280;渤海钻探第一钻井公司，天津 300280
【正文语种】中文
【中图分类】TE22
冀东油田南堡3号构造位于南堡凹陷的南部，西、北接南堡2号构造，南邻沙垒田凸起，东连南堡4号构造，整体呈现东西向展布，圈闭面积比较大，是油气聚集的有利场所。

3号构造是冀东油田的重点产能建设区块，以深井为主，存在轨迹困难、地层稳定性差、易漏失垮塌、建井周期长、事故发生率高等技术难题。

为了满足钻井施工要求，冀东油田引进了LANDMARK公司的COMPASS（计算机辅助设计和测量分析系统）和WELLPLAN（数据分析和技术工程应用）软件［1－5］，这两套软件功能强大，可以较好地满足油田复杂结构深井的钻井施工要求［6－8］。

利用软件优化3号构造深井的钻井技术，对提高钻井速度、降低事故发生率、缩短建井周期、加快勘探开发进度具有重要意义［9－10］。

1 冀东油田3号构造的钻井施工难点
（1）完钻井深较深，井温高（沙一测井最高达到172℃，潜山试油井最高达到214℃），对钻井液及工具抗高温性能要求高；（2）东二、东三、沙河街地层泥页岩发育，井壁不稳定；（3）主储层埋藏深，压实效应造成孔隙度偏低，水锁效应严重；（4）馆陶组砂砾岩钻头应用效果不理想，深部地层可钻性差，机械钻速
低；（5）深层大斜度井、水平井的摩阻扭矩高，轨迹控制难度大；（6邻井东三、沙一钻井施工过程中出现CO2、CO2污染造成钻井液流动性变差，处理维护难度增大，影响井壁稳定及钻井进度。

2 软件在钻井施工中的应用
2.1 摩阻扭矩的预测
利用摩阻扭矩分析预测以下几个方面的问题：用高黏度、高密度泥浆清洗井眼，预测井眼清洁效果；预测岩屑床厚度；预测钻井设备的负荷能力、可钻达的最大深度和套管可下入的最大深度；预测泥浆的润滑性、密度和性能的变化；预测每口井的裸眼和套管摩擦系数；预测井眼轨迹增／降方位井段对摩擦阻力的影响；预测下套管或下尾管时遇到的问题；预测BHA和套管串是否需要使用降扭矩工具。

摩阻扭矩分析预测，最直观的就是分析预测在一定摩阻系数下的上提拉力和扭矩值，通过跟踪实际操作并将实际值与预测值进行对比，分析判断井下状况。

本文选择典型的大位移井NP306X2井和超深井NP3－81井进行分析预测，将定向井模块的设计或实际轨迹数据输入COMPASS软件，再将得到的工程参数输入WELLPLAN 软件进行数据分析。

NP306X2井的井深与摩阻扭矩的关系的预测结果如图1所示。

图1 NP306X2井的井深与摩阻扭矩关系的预测结果
由图1可知，NP306X2井在井深达到4 000m以上时，钻进摩阻扭矩最大为
4×104 N·m左右、循环摩阻扭矩最大为3.8×104 N·m左右，因此在钻井施工前
必须对钻井设备、钻具强度进行选择，在施工中要随时了解钻具在井下的钻进摩阻扭矩和循环摩阻扭矩的实际值，避免超过预测的最大值，达到安全钻井的目的。

通过测量施工过程中实际钻进扭矩和完钻的起钻载荷，推测出实际井眼的摩阻系数，预测井下套管在各种工况下的载荷，如NP306X2井中通过实际扭矩和载荷反演推算出套管摩阻系数和裸眼摩阻系数都是0.22。

通过软件预测的下套管载荷如图2
所示，其中下套管载荷包括套管在自由状态下的载荷（简称自由载荷）、上提收拉
状态下的载荷（简称上提载荷）、下放受压状态下的载荷（简称下放载荷）及小于下套管屈曲载荷不能下放的载荷（简称套管屈曲载荷）。

图2 NP306X2井的井深与下套管载荷关系的预测结果
由图2可知，NP306X2井在井深达到2 400m之后，下放载荷开始变小，在井深达到4 000m以上时，上提载荷最大为1 850kN，下放载荷最大为920kN。

2.2 钻具受力的预测
当钻具发生正弦弯曲时钻具会滑动困难，当钻具发生螺旋弯曲时钻具将自动锁住，无法继续工作，因此要分析钻具的受力情况，预测钻具是否发生正弦弯曲和螺旋弯曲。

利用软件对NP3－81井的钻具第四次开钻的正旋、螺旋弯曲状态进行预测，预测结果如图3所示。

图3 NP3－81井的钻具第四次开钻的正旋、螺旋弯曲状态的预测结果
由图3可知，软件预测直径为215.9mm的井眼在钻压为248kN、井深为5 645.50m时钻具出现定向困难；在钻压为309.5kN时，钻具可钻至井深为5 645.50m处，因此，为了钻具的正常工作，钻具的钻压应该控制在309.5kN以内。

利用软件分析钻具受力、临界转速、疲劳破坏系数等，确定加速钻杆疲劳的应力疲劳转速和最终导致钻具失效的临界转速，把转速控制在应力疲劳转速以下，进而设计合适的钻具组合，确定合理的钻井参数，保证钻具的合理受力，结果如图4所示。

图4 NP3－81井钻具组合的转速与应力关系的预测结果
由图4可知，使用钻具组合在转速110r／min时，弯曲应力的最大值为6.6×106 Pa，钻具组合的抗轴向应力的能力是最强的。

为避免钻具组合被破坏，应尽量降
低其他种类的应力，因此应该避开转速为110r／min的情况。

钻井时扭矩的大小主要与钻柱所受的侧向力和井身结构有关系，依据井眼轨迹利用软件预测出各井段的侧向力，以便合理安放减摩减扭接箍，更好地达到降低摩阻扭
矩和保护钻具组合的目的，结果如图5所示。

图5 NP3－81井的井深与钻具的侧向力关系的预测结果
由图5可知，在井深为950～1 250m处，在三种工况条件下钻具受侧向力都是最大的，因此需要在井深为950～1 250m处安放减摩减扭接箍，避免钻具疲劳破坏，在其他井深处、几种工况条件下钻具的侧向力大小基本一致，不需要安放减摩减扭接箍。

2.3 井眼清洁状况的预测
利用软件的分析模块，在参照邻井恒定的机械钻速和预定排量下，从井斜、最小携带岩屑排量、转速三个方面对井眼清洁模型进行了分析。

图6为NP306X2井的第三次开钻的井斜对最小携带岩屑排量影响的预测结果。

图6 NP306X2井的三开钻进的井斜对最小携带岩屑排量影响的预测结果
由图6可知，在设定的转速下第三次开钻，井斜为45°时稳斜钻进，最小携带岩屑排量的预测值为2.9m3／min。

图7为NP306X2井的第三次开钻的转速对最小携带岩屑排量影响的预测结果。

图7 NP306X2井的第三次开钻的钻具转速对最小携带岩屑排量影响的预测结果
由图7可知，该井的第三次开钻时的最小携带岩屑排量的预测值为2.9m3／min，随着机械钻速的增加，最小携带岩屑排量也增加，当钻具钻进过程中携带岩屑排量超过临界值时，就应该采取控制机械钻速、划眼、短起下等工程措施避免岩屑床的形成。

3 结论
（1）通过软件模拟计算，对摩阻扭矩、钻具受力和井眼清洁状况进行了预测。

（2）将软件的预测结果与实际操作相结合，减少了事故的发生率，提高了生产效率，降低了钻井成本。

参考文献
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