大位移井摩阻和扭矩分析及其对钻深的影响_王秀亭

( 863 - 820- 09 - 01 - 03) 资助项目。
2005 年
第 33 卷
第 12 期
王秀亭等 : 大位移井摩阻和扭矩分 析及其对钻深的影响
7
钻进。
A26H 和 A25 H 设计轨迹各种工况下的摩阻、扭矩 进行了预测分析, 并现场跟踪监测了 QHD32- 6 A26H 大位移井的大钩载荷和扭矩。 ( 5) 利用 自 己 研制 的 摩 阻、 扭 矩软 件 以 及 M aurer 、 L andm ark软件对大位移井摩阻和扭矩进行 了分析, 并研究了摩阻和扭矩对钻深的影响。
大位移井摩阻和扭矩的预测与分析
笔者对大位移井摩阻和扭矩的预测和分析做了 如下一些工作。 ( 1) 进行了摩阻和扭矩预测理论研究, 包括三 维刚杆模型和三维软索模型。摩阻、扭矩预测模型 考虑的因素包括 : 钻具受力、屈曲、井内钻井液柱 压力与地层压力差、减摩工具等。模型的创新点在 于考虑了岩屑床对摩阻和扭矩的影响 , 并把机械和 摩擦分别考虑, 而不是按照传统的方式把二者混为 一谈。地面总扭矩由钻柱摩擦扭矩、钻头扭矩、机 械扭矩和动态扭矩组成。摩擦扭矩是由钻柱和套管 或裸眼之间的接触力产生的, 接触力的大小取决于 钻柱拉力和压力、狗腿度、钻杆和井眼尺寸、钻柱 自重及井斜角。因此 , 剖面优化和扭曲程度控制 , 是尽量减少接触力的重要措施。润滑性是控制摩擦 的一个主要因素 , 而它本身则很大程度上由钻井液 和地层类型控制。用预测钻头扭矩的方法能够确定 使用不同钻头类型的影响 , 动态扭矩也能对作业产 生巨大的影响, 因而应尽量减小。机械扭矩的来源 诸如岩屑床、裸眼台 肩和稳定器的 影响可能非常 大 , 也必须尽量减小。 ( 2) 应用摩擦学理论 , 研究了摩擦系数的非线 性问题 , 在实验室内研究了不同类型的摩擦副 , 如 钢对钢、钢对不同类型的岩石在不同介质中的摩擦 特性, 实验结果是摩擦系数的选取非常重要。结合 实验结果和现场实测数据 , 在不同井段采用较为合 理的分段摩擦系数。随井深增加, 影响摩阻的条件 在不断发生变化 , 因此不可能用同一个摩擦系数来 描述和计算全井的摩阻 , 必须随时根据施工情况 , 算出当时的摩擦系数 , 用于指导下一步施工。 ( 3) 研究了处于 水平井、斜直 井及弯曲井段 内的钻柱的屈曲变形规律 , 并推导了屈曲变形对摩 阻和扭矩影响的理论模型。大位移钻井中屈曲是一 个重要问题, 因为当 下入或滑动钻 柱和其它管柱 时 , 受到很大的压力 , 结果大位移井的许多作业都 可能导致屈曲。由于大位移井中屈曲不可避免 , 因 此扭矩和阻力预测必须考虑这些现象。 ( 4) 利用研 究的摩阻和扭矩 模型对 QK l7- 2 区块上 4 口大位移井的实测数据进行了反演, 并对 理论预测和实测摩阻扭矩数据进行了对比。大量现 场实测数据对模型的改进具有极其重要的意义。对 秦皇岛 32- 6 油田上 2 口大 位移井 QHD32- 6 -
石 6 专题研究
油
机
械 2005 年 第 33 卷 第 12 期
CH I N A PETROLEUM M A CH I N ERY
大位移井摩阻和扭矩分析及其对钻深的影响
王秀亭
摘要
1
*
汪海阁
2
陈祖锡
2
唐雪平
2
来自百度文库
( 1 中国石油大学 ( 华东 ) 石油 工程学院
2 石油勘探开发研究院钻井所 )
对不同垂深、 不同位移的大位移井在钻井和下套管过程中的摩阻和扭矩分析表明, 采
。 1983 年 ,
Johansick 首先提出了 定向井中预测 钻柱拉力和扭 矩的柔性模型 , 为改进井眼轨道设计、钻柱设计、 现场事故诊 断和预测 提供了理 论依据。 L esage 在 Johansick 的基础上 , 分析起、下钻、旋转钻进 3个
*
基金项目 : 国家 863计划
海洋领域海底大位移井钻井技术
相对于一般的定向井和水平井, 大位移井的一 个显著特征就是它具有很大的摩阻和扭矩。摩阻和 扭矩的增大 , 给大位移井的钻井施工以及后继工作 带来了很大的困难。大位移井钻井过程中的摩阻、 扭矩预测和控制是成功钻成大位移井的关键和难点 所在。摩阻问题贯穿从设计到完井和井下作业的全 过程, 是大位移井钻井工程的核心问题。 大位移井具有水平位移大、井斜角大以及裸眼 稳斜段长等特点 , 在井斜角很高的情况下 , 钻柱躺 在下井壁, 增加了下行阻力, 甚至不能靠自重下到 井底, 存在一临界摩 擦系数, 超过 临界摩擦系数 后 , 钻柱在井内不能靠自身重力向下滑动 , 加上管 柱的屈曲阻力, 需要下推加压才能向下滑动。 影响摩阻和扭矩预测的因素很多 , 包括井眼条 件、套管程序、钻柱组合、钻井操作参数等。国内 外学者对特殊工艺井中的摩阻和扭矩进行了大量的 研究, 并建 立了 相应 的 力学 模 型
表 3 位移为 3 000 m 大位移井下 套管 ( 尾管 ) 的摩阻分析
垂深 / m 1 000 1 500 244 5 mm 套管 下深 / m 2 640 2 820 钩载 / kN 162 364 178 mm 套管 下深 / m 3 450 3 610 钩载 / kN 18 186 178mm 尾管 下深 / m 3 450 3 610 钩载 / kN 177 418
[ 1~ 8]
期 间, 对 摩阻、扭矩 做了 大量 的研究 工
作。其中有代表性的方法包括纵横弯曲法、有限元 法、有限差分法等 , 在摩阻、扭矩预测方面取得了 很大进展 , 有效地指导了施工。 目前在现场行之有效的降低摩阻和扭矩的综合 措施有: ①增加钻井液润滑性和使用润滑剂及玻璃 珠, 在油基钻井液中增加油水比 , 在水基钻井液中 使用润滑剂; ②采用旋转钻杆保护器, 可降低扭矩 25 % ~ 30 % , 采 用 钻 柱 降 扭 矩 节, 可 降 低 扭 矩 29 % ~ 40 % ; ③在靠近垂直井段使用钻铤或加重钻 杆; ④使用水力加压器连续控制钻压; ⑤使用加长 钻井液马达减少钻头泥包; ⑥尽可能采用旋转模式
表 4 位移为 4 000 m 大位移井钻井 中的摩阻分析 ( 油基钻井液 )
井眼直径 311 mm 垂深 / m 井眼直径 216 mm
入 244 5 mm 技术 套管; ③ 对于 216 mm 井 眼, 采用钻杆和加重钻杆的倒装钻具设计 , 垂深 1 000 m 情况, 178 mm 套管下入困难, 垂深 1 500 m 情 况下 , 178 mm 套管和尾管可正常下入; ④用水基 钻井液钻垂深为 1 500 m 位移为 4 000 m 的大位移 井在技术上是可行的, 但只能下入 178 mm 尾管, 且需用 139 7 mm 钻杆和 127 mm S 135 钻杆。 3 位移为 5 000 m 大位移井钻井和下套管过程 中的摩阻分析 利用摩阻分析软件对位移为 5 000 m 大位移井 采用油基钻井液在钻井和 下套管过程中的 滑动钩 载、扭矩进行了分析。计算结果表明: ①用油基钻 井液采用尾管完井方式 , 钻位移为 5 000 m 大位移 井是可行 的; ②对于 311 mm 井眼, 由于 斜深已 达 4 000 m 左右 , 为 满足水 力参数的 条件, 需用 139 7 mm 钻杆; ③由于 216 mm 井眼的斜深已达 5 500 m 左右 , 因此在钻柱设计中需兼顾水力参数 和给钻头加压两个方面的因素优选钻柱组合 , 原则 是在水平段加 127 mm 钻杆 , 以降低摩阻 , 在其 上的井段加 139 7 mm 钻杆 , 同时满足水 力参数 和钻柱抗屈 曲的需要。对于垂 深为 1 000 m 的情 况, 在直井段以及小井斜井段, 还需加钻铤才能满 足钻头加压的需要。 4 位移为 6 000 m 大位移井钻井和下套管过程 中的摩阻分析 利用摩阻分析软件对位移为 6 000 m 的大位移 井采用油基钻井液在钻井和下套管过程中的滑动钩 载、扭矩进行了分析。计算结果表明: ①垂深大于 1 500 m, 用油基钻井液采用尾管完井方式, 钻位 移为 6 000 m 大位移井是可行的 ; ②对于 311 mm 井眼 , 采用钻杆和加重钻杆的倒装钻具设计 , 下入 244 5 mm 技术套管要注意减阻; ③对于 216 mm 井眼 , 采用钻杆和加重钻杆的倒装钻具设计 , 垂深 为 1 000 m 米情况下 , 摩阻已成突出问题 , 体现在 244 5 mm 套管的下入和 216 mm 井眼水平段末的 滑动钻井 , 要用包括 139 7 mm 钻杆的倒装钻具, 且在直井和小井斜段加 165 mm 钻铤才能满足滑 动钻井的钻压需要; ④当量钻井液密度已经很大, 要防止井漏。 因此 , 对于 6 000 m 位移的大位移井 , 垂深为 1 500 m 时, 施工的难点在于控制好旋转钻井时的 扭矩, 如有可能, 在上部井段选高上扣极限扭矩的 127 mm 加重钻杆或大一个尺寸级别加重钻杆; 由 于钻井液当量循环密度大幅度增加, 水平段钻井时 要密切注意防漏。对于垂深为 1 000 m 的井, 必须
引
言
响, 并对模型进行了改进。 1988 年, 何华 山以大 变形为基础, 并考虑了钻柱刚度的影响 , 提出了改 进的拉力、扭矩模型。 1992 年, 杨姝提出 的修正 模型综合考虑了井眼轨道和井眼状态, 特别考虑了 钻柱的运动状态、钻井液粘滞力和结构力的影响。 美国得克萨斯大学的 Cheng Y an 博士开发了圆管的 弯曲模型 , 该模型考虑了三维实际井眼 , 以及钻柱 的刚性影响。国外的摩阻、扭矩模型大都采用了管 柱变形曲线与井眼曲线一致的假设, 基本上能够满 足工程技术的需要。 国内 对 摩阻、扭 矩 的 研 究始 于 八五 七五 和
滑动 滑动 旋转钻井 旋转钻井 井深 / 钩载 / 钩载 / 扭矩 / 钩载 / 钩载 / 扭矩 / m kN ( kN m ) kN ( kN m ) kN kN 232 364 515 583 20 9 3 459 20 8 3 621 87 230 540 582 31 2 30 1
注 : 垂深为 1 500 m 时 , 用 127 mm 钻杆和 127 mm 加重钻杆 组成倒装组合; 垂深为 1 000 m 时 , 须使用钻铤才 能保证滑动钻井 时的加压 , 大斜度段必须用 139 7 mm 钻杆才能避免屈曲失稳。
摩阻和扭矩对大位 移井钻井深度的影响
为计算大位移井中的摩阻和扭矩, 必须首先选 定摩擦系数。根据国外有关文献中对大量大位移井 实钻资料 的统计 , 结合国 内海洋大位移 井的经 [ 10~ 12] 验 , 选择摩擦系数如表 1 所示。
表 1 大位移井中的摩擦系 数
摩擦系数 钻井 下套管 下尾管 水基钻井液 套管内 0 35 0 40 0 30 裸眼 0 25 0 35 0 35 油基钻井液 套管内 0 20 0 30 0 20 裸眼 0 15 0 28 0 30
[ 9]
1 位移为 3 000 m 大位移井钻井和下套管过程 中的摩阻分析 利用摩阻分析软件对位移为 3 000 m 大位移井 采用水基钻井液在钻井和下套管过程中的滑动钩载、 扭矩进行了分析, 计算结果如表 2 、表 3所示。
表 2 位 移为 3 000 m 大位移井钻井过程中的摩阻分析
井眼直径 311 mm 垂深 / m 井深 / m 1 000 2 659 1 500 2 821 井眼直径 216 mm
用水基钻井液能够钻成位移小于 3 000 m 的大位移井 , 且可以下入 178 mm 套管; 位移大于 4 000 m、 且垂深在 1 000 m 左右的大位移井 , 需要使用油基钻井液 , 且只能下入 178 mm 尾管; 位移大 于 5 000 m 的大位移井 , 必须使用油基钻井液, 178 mm 套管下入有一定难度 , 且在垂深较小时, 需要使用部分 139 7 mm 钻杆和倒装钻具 。分析了不同垂深条件下的大位移井钻井极限 , 随着井 深增加 , 制约大位移井钻井极限的因素由滑动摩阻转为钻柱强度 。 关键词 大位移井 摩阻 扭矩 钻井极限 井深 过程 , 考虑了钻柱运动状态 对摩阻扭矩模 型的影
表 2 计算结果表明, 计算得到的钻柱各项强度 都在额定的范围之内, 没有屈曲失稳。由此可得出 不同垂深情况下位移为 3 000 m 的大位移井用水基 钻井液钻井是可行的。
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石
油
机
械
2005 年
第 33 卷
第 12 期
上述计算结果表明: ①位移 3 000 m 的大位移 井可用水基钻井液; ② 3 000 m 的大位移井完井可 用 178 mm 套管或 178 mm 尾管 2 种形式; ③对 于 311 mm 井眼 , 需要采用钻杆和加重钻杆的倒 装钻具 , 244 5 mm 技术套管下入困难不大; ④对 于 216 mm 井眼 , 滑动钻井时摩阻较 大, 必须用 部分 139 7 mm 钻杆, 避免大斜度 段钻柱发生屈 曲 , 并建议下尾管。 2 位移为 4 000 m 大位移井钻井和下套管过程 中的摩阻分析 利用摩阻分析软件对位移为 4 000 m 的大位移 井采用水基和油基钻井液在钻井和下套管过程中的 滑动钩载、扭矩进行了分析 , 计算结果如表 4 、表 5 所示。