大位移井钻具组合设计及摩阻扭矩分析

第 35 卷
Vol. 35
第1 期
No. 1
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DRILLING ＆ PRODUCTION TECHNOLOGY
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（ 蛇形） 。在这个阶段， 钻柱会沿着井眼的低边如蛇 状弯曲。继续增加钻压， 将导致钻柱的轴向压力继 如果超过了螺旋临界屈曲力， 钻柱将由正弦 续增加， 弯曲过渡到螺旋弯曲， 即沿着井壁盘成螺旋状， 受力 情况如图 1 。
图2
某大位移井垂直剖面图和水平投Байду номын сангаас图
二、 大位移井钻具组合设计的原则
在大位移井中， 设计合理的钻具组合是钻井设 计中的核心问题之一， 它关系到能否安全、 顺利钻达
1． 屈曲分析 在大位移井钻进过程中， 能否把钻压传递到钻 头 上 去 是 屈 曲 计 算 的 目 的， 假设套管摩阻系数
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图3
屈曲校核图
施工过程中， 不均匀转动和震动得到了较好的控制 ， 达到了设计的预期目的。
注： 钻进条件： 钻井液密度 1. 12g / cm3 ， 钻头钻压 9070kgf， 钻头 扭矩 10. 85kN · m， 转 速 120r / min， 钻 速 30m / h， 钻 头 深 度 5412m。 1 kgf = 9. 8N。
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Jan． 2012
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钻井工艺
DRILLING ＆ PRODUCTION TECHNOLOGY
大位移井钻具组合设计及摩阻扭矩分析
1 2 3 王俊良 ， 陈洪亮 ， 刘永峰
（ 1 斯伦贝谢中国海洋服务公司 2 中海油能源发展股份有限公司监督监理技术公司 3 中海石油深圳分公司）
图1
钻具正旋屈曲和螺旋屈曲示意图
当钻具出现正弦屈曲时， 地面钻压能够部分传 递到钻头上去， 大部分钻压消耗在井壁上成为了摩 阻； 当螺旋屈曲产生后， 钻具犹如弹簧一样， 钻压几 ， 。 乎无法有效地传递到钻头 无法继续钻进 4． 不均匀转动（ STICKSLIP） 在钻井作业中， 井下几千米深处的钻头不像地 面顶驱或方钻杆那样均匀转动， 而是处于不均匀转 动， 即时快时慢地转动， 这种时快时慢的转动被称为 不均匀转动。斯伦贝谢的井下仪器把井底最高转速 和最低转速测量出来， 其差值就是 STICKSLIP 的大 小。严重的不均匀转动在井下具有相当大的破坏 性， 它不但可以损坏 MWD / LWD、 减弱旋转导向系 统的造斜特性， 使 MWD / LWD 和旋转导向系统的测 还可以让钻头崩齿， 钻具倒 量结果失真或者报废， 扣、 钻 具 偏 磨， 钻 具 刺 扣 等 事 件 发 生。 有 效 控 制 STICKSLIP 可以在研磨性中硬地层或硬地层大幅度 提高钻头寿命， 减少钻具疲劳， 更重要的是可以保证 MWD / LWD 、 井下 旋转导向系统正常工作。 5． 震动（ SHOCK） 在钻井过程中， 震动的定义是钻头、 钻具及井底 钻具组合（ BHA） 与井壁碰撞而产生的能量突然输入 的过程。震动在钻井中对工具和仪器的损害程度是 致命的。斯伦贝谢把震动分成了三级， 最严重的第三 级震动只要持续时间在 30 min 左右， 井下仪器就会 钻压、 转速和地层密 报废。震动是与钻具组合本身、 切相关的， 钻进过程中出现震动要立即采取措施减弱 或消除， 设计阶段考虑避免引起震动的技术措施。
2012 ， 35 （ 1 ） ： 24 － 26 ， 68 王俊良等． 大位移井钻具组合设计及摩阻扭矩分析 ． 钻采工艺， 摘 要： 大位移井技术是衡量钻井技术水平高低的关键因素 ， 大位移井钻具组合设计是大位移井钻探中的核 心内容之一。国外大位移井的钻具组合设计主要考虑摩阻和扭矩及不均匀转动和震动这两大类问题 。 摩阻和扭 侧向力、 屈曲变形。文中简要介绍了钻具组合设计中的三轴应力 、 侧向力、 屈曲、 矩分析主要校核钻柱的三轴应力 、 不均匀转动和震动等五个基本概念 。重点介绍了国外大位移井钻具组合设计的基本原则 ， 结合实例作了简略分 析。提出了国内水平井钻柱设计需要关注的技术要点 ， 阐述了随钻测量仪对不均匀转动和震动测量等参数的现场 不断地消化吸收国外先进的技术和理念 ， 国内未来的水平井技术 、 大位移井技术将会不 需求及重要性。文章认为， 断进步和稳步发展。 关键词： 大位移井； 钻井技术； 钻具组合； 摩阻； 扭矩； 设计原则； 三轴应力； 侧向力； 屈曲； 震动； 转动
收稿日期： 2011 － 11 － 12
一、 涉及的几个基本概念
1． 三轴应力 三轴应力通常叫做当量米塞斯应力 （ Von Mises Von Mises Equivalient （ VME ） ） 或称 Von Mises 应力， 应力不是一个存在的应力， 而是轴向、 弯曲、 扭转应 力的组合， 为钻具某一位置所受的总应力； 三轴应力 的强度分析方法， 基于 Von Mises 的畸变能密度准 “ Strain Energy Of Distortion ”， 则 不同于主应力（ 抗 拉、 抗扭） 。 2． 侧向力 井壁侧向力主要由拉力和狗腿引起， 侧向力的 恶果是引起套管磨损和套管热龟裂， 严重者把套管 造 磨穿或发生热龟裂后导致无法继续钻进或卡钻 ， 成钻具、 工具仪器落井等恶性井下事故， 损失巨大。 3． 屈曲分析 屈曲分析是研究钻具在轴向力的作用下是否产 生屈曲， 是否能够正常向前钻进的问题。一旦轴向 压力超过了正弦临界屈曲力， 钻柱会发生正弦屈曲
1985 年毕业于西南石油大学石油工程系， 作者简介： 王俊良， 斯伦贝谢高级定向井工程师 （ DDS） ， 先后在中石油、 美国丹文能源中国有限 公司、 斯伦贝谢中国海洋服务公司工作 。至今积累了 27 年的陆上和海上定向井、 水平井、 大位移井和侧钻分枝井等技术服务经验 ， 发表了 30 余篇石油定向井方面的论文 ， 在软地层造斜、 超深定向井水平井安全钻进方面有独到的认识和见解 。 现在斯伦贝谢中国海洋服务公司技术支 持中心（ CHG OSC） 工作。地址： （ 518068 ） 深圳蛇口赤湾石油基地 H2 斯伦贝谢公司， 电话： 0755 － 26691474 转 284 ； E － mail： winston_wj1@ yahoo． com． cn
图5 侧向力校核曲线图
注： 倒划眼条件： 钻井液密度 1. 12g / cm3 ， 钻头钻压 － 450kgf， 钻 钻 头 深 度 5412m， 转 速 80r / min， 速 度 80m / h。 头扭矩 0. 14kN · m， 1 kgf = 9. 8N。
四、 实钻效果
该井实际施工中从套管鞋处 （ 井深 1 097 m， 井 斜 84° ） 开始钻进 800 m 后， 发现套管磨穿迹象。 再 继续向前钻进 1 200 m， 即套管外钻进 2 000 m 后， 无法上提， 也不能大幅度下放， 钻具被卡， 地面活动
三、 应用实例
南中国海某区域一口大位移井 （ 水垂比 3． 8 ， 视 平移 4 606 m， 完钻井深 5 580 m ） ， 设计了一套钻具 组合为： 311mm PDC 钻头 + PD900 旋转导向系统 + 接收器 + 139． 7mm 柔性短接 1 根 + 209． 5mm 伽马 电 阻 率 测 量 仪 + 209． 5mm 随 钻 测 量 仪 （ MWD） + 203mm 无磁钻铤 1 根 + 298． 5mm 稳 定器 + 298． 5mm 扩眼器 + 203mm 短无磁钻铤 1 根 + 196． 8mm 随钻震击器 + 变扣接头 + 139. 7 mm 加重钻杆 2 根 + 139． 7mm 钻杆至井口。 这套组合设计从侧钻点 （ KOP1096m， 井斜 84° ） 侧钻出新井眼后， 降斜至 83° 后， 稳斜增方位， 穿过 防碰井段后， 再稳斜稳方位钻达 5 580 m 完钻。 重 STICK 和震动 点介绍在设计阶段的摩阻扭矩分析、 的设计。这口井的剖面设计如图 2 所示。
十分重要。通常， 要对钻具组合的三轴应 目的层位， ， 力进行校核 使三轴应力的安全系数达到 1． 67 以 上， 避免出现钻具事故， 以确保钻机能力足够富余； 要对钻柱的屈曲进行计算， 确保在滑动或旋转钻进 使钻压能够正常 时钻具不会出现正旋或螺旋屈曲， 传递到钻头上去， 确保高效钻进； 还要对钻具的侧向 把侧向力控制在安全的范围内， 避免钻 力进行校核， 具受到地层的磨损或者钻具磨损套管， 尽量避免出 现因套管磨损无法钻进或卡钻的情况， 为后续作业 还要尽量简化井底钻具组 创造良好的条件。 此外， 合（ BHA） ， 减少不必要的钻铤、 稳定器和加重钻杆 让 BHA 尽 量 轻， 尽 量 简 单， 使施工中 等附 件， STICKSLIP 和 SHOCK 尽量小。
计算结果显示， 在旋转导向系统旋转钻进的条 件下， 实际轴向载荷没有与正旋屈曲和螺旋屈曲载 荷相交， 说明不会发生正旋和螺旋屈曲， 可以确保正 也证实了没有屈曲发生。 常钻进。实际施工过程中， 2． 三轴应力校核 根据 钻 井 设 计 中 设 计 的 钻 井 参 数， 输入进 DOX2． 0 软件， 在旋转钻进条件下， 三轴应力校核结 果见图 4 。
中图分类号： TE 22 文献标识码： A DOI：10． 3969 / J． ISSN． 1006 － 768X． 2012． 01． 08
目前， 国外把水垂比 （ 视平移与垂深之比称为 ERD Ratio ） 大于 2 ， 视平移大于或等于4 000 m 的定 向井或水平井称为大位移井 （ ERD ） 。 大位移井技 术是衡量一个公司乃至一个国家钻井水平的关键因 素。大位移井的钻具组合设计不同于传统的定向井 它主要涉及两类问题， 即 或水平井的钻具组合设计， 摩阻和扭矩问题； 不均匀转动和震动问题。 它的钻 具组合设计要考虑的因素较多， 不仅要重点校核三 轴应力、 侧向力、 屈曲载荷， 还要考虑钻具组合在钻 进时产生的不均匀转动和震动。不但要考虑钻具能 否正常实施钻井作业， 还要考虑安全、 高效完成大斜 度（ 80° 以上 ） 长裸眼 （ 一般3 000 ～ 6 000 m 或更长 ） 井段的钻探， 避免出现钻具和仪器失效事故。 斯伦 贝谢在南中国海近年实施了数十口大位移井的钻 探， 在钻具组合设计方面积累了丰富的经验 ， 结合公 司内部全球范围内的资源共享、 信息共享机制， 基本 形成了一套行之有效的大位移井钻具组合设计方 法。本文重点介绍斯伦贝谢大位移井钻具组合设计 方法和重点考虑的摩阻和扭矩、 震动等诸因素。
图4 三轴应力校核曲线图
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注： 钻井条件： 钻井液密度 1． 12g / cm ， 钻头钻压 9070kgf， 钻头 扭矩 10. 85kN · m， 转 速 120r / min， 钻 速 30m / h， 钻 头 深 度 5412m。 1 kgf = 9. 8N。
范围 5 ～ 6 m 空间， 钻具能自由转动， 循环畅通。 长 时间处理无效后， 在套管外 50 m 处爆炸松扣成功。 大约 2 000 m 左右的井底工具仪器和其它钻具甩在 了井下。当把鱼头上部的钻具起出地面后， 下入斯 伦贝谢的成像测井仪器测量磨损情况 。测量结果见 图 6， 成像显示在距离套管鞋 30 ～ 50 m 处， 可见到 明显的套管磨穿图像， 表明套管被严重磨穿， 磨穿部 分为长 0． 5 m 宽 0． 2 m 的狭长断口。经运行斯伦贝 谢摩阻扭矩软件 DOX2． 0 计算， 在这个井段， 在钻 进、 起钻、 下钻、 倒划眼工况中， 套管均受到向下的侧 向力， 长时间的磨损把套管磨穿， 钻杆接头掉入这些 “卡钻” 。 坑中造成
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DRILLING ＆ PRODUCTION TECHNOLOGY
0. 25 ， 裸眼摩阻系数 0. 35 ， 运行斯伦贝谢的 DOX2． 0 软件， 计算结果见图 3 。
LWD 的负面影响， 使井下工具仪器工作更加平稳， 在仪器顶部的无磁钻铤和扩眼器之间安装了一个钻 起到稳定和减少震动的目的。 由于大 柱型稳定器， 位移井井很深， 钻杆长， 柔性大， 井底钻具组合尽量 使用简单、 轻巧， 避免过长过重的井底钻具组合带来 过高的不均匀转动。 因此， 本井在震击器的上端只 接了两根加重钻杆起到过渡的作用 。在后来的实钻