摩阻與扭矩分析在水平井鉆井設計中的運用

王植銳

中國石油西南油氣田分公司開發事業部

0 引言

在水平井鉆探中，由于彎曲井段狗腿度大，大斜度井段和水平井段長，容易出現鉆速低、鉆進困難、鉆具發生屈曲、井下復雜及鉆具落井等事故。為確保施工過程安全、順利、高效，摩阻扭矩分析是國外定向井技術服務公司在水平井設計中的一個必不可少的重要環節[1- 6]。通過摩阻分析判斷鉆具是否發生屈曲[7- 9]，鉆壓是否有效傳遞到鉆頭上去；通過當量米塞斯應力校核判斷鉆具在鉆進和處理井下復雜時是否存在被拉斷的風險，防止鉆具斷裂落井；通過側向載荷校核避免由于井眼彎曲引起鉆柱與井壁接觸，導致鉆桿或套管受到過度磨損而損壞，尤其是在老井套管開窗側鉆中或者是研磨性強的地層中施工，需要考慮經過腐蝕、磨損后套管的強度或者地層對鉆桿的研磨影響[10- 12]；通過扭矩分析校核確保鉆具不會被扭斷落井。

國內部分陸上油田和灘海油田廣泛采用水平井來高效開發各類油氣富集區，但在鉆機選型、鉆具組合及鉆進參數的選擇上基本都依據經驗和習慣，不能回答為什么要這樣做，更不能回答這樣的選擇從技術上是不是可靠的和最優的，尚未從理論上進行可行性分析、論證，更談不上進行優選，達不到科學、合理、優化設計。一些鉆井設計部門或服務公司擁有各種摩阻扭矩分析的軟件，但是，大多數情況下沒有對摩阻扭矩涵蓋的核心內容，如屈曲、當量米塞斯應力、側向載荷、扭矩等進行校核，對一些超深、狗腿度較大的水平井或大位移井，存在巨大的潛在隱患。本文以斯倫貝謝摩阻扭矩分析為例，詳細介紹摩阻扭矩校核在鉆井設計中的具體作法和步驟。

1 摩阻扭矩分析校核的具體作法

在設計階段進行各項校核計算時，螺桿鉆具滑動鉆進在套管內的摩阻系數設定為0.2，裸眼內摩阻系數設定為0.35；復合鉆進或旋轉導向系統鉆進時套管內摩阻系數設定為0.15，裸眼內摩阻系數設定為0.3。在設計過程中，可以根據巖性和鉆井液類型靈活選擇摩阻系數。

1.1 扭矩校核

扭矩校核的原則是鉆桿的實際扭矩不能超過IADC 推薦鉆桿最大扭矩的90%。從井底的鉆頭至井口的鉆桿，在各個不同的位置，鉆進時產生的扭矩是不一樣的，但是最大扭矩一定是發生在井口，即頂驅接頭處扭矩最大。扭矩計算就是找出井口處的最大扭矩數值以及整個鉆柱上各個關鍵節點的扭矩數值，這些數值必須低于鉆桿最大扭矩的90%。

1.2 當量米塞斯應力校核

當量米塞斯應力是考慮軸向應力、彎曲應力、扭轉應力的組合，為鉆具某一位置所受的總應力，計算公式為：

(1)

式中：S當量—當量米塞斯應力，kPa；

S軸向—拉伸或壓縮應力，kPa；

S彎曲—彎曲應力，kPa；

S扭轉—扭轉應力，kPa。

鉆柱當量米塞斯應力進行校核時安全系數原則上達到1.67以上(屈服極限的60%)。

1.3 屈曲分析校核

屈曲分析是研究鉆具在鉆壓的作用下是否能夠正常向前鉆進的問題。一旦鉆壓超過了正弦臨界屈曲載荷，鉆柱會發生正弦屈曲(蛇形)，在這個階段，鉆柱會沿著井眼的低邊如蛇狀彎曲。繼續增加鉆壓，將導致鉆柱的軸向壓力增加，當超過了螺旋臨界屈曲載荷，鉆柱將由正弦彎曲過渡到螺旋彎曲，即沿著井壁盤成螺旋狀，此時鉆壓不能正常傳達到鉆頭上。

鉆柱的屈曲校核原則是：在滑動或旋轉鉆進時，鉆具不會出現正旋或螺旋屈曲，確保鉆壓能夠有效地傳遞到鉆頭上去，實現高效鉆進 。

1.4 側向載荷校核

井壁側向載荷主要由拉應力和狗腿嚴重度引起，鉆柱與井壁屬于線接觸，側向載荷是單位長度上的載荷分布(N/m)，引起套管磨損和套管熱龜裂，嚴重時能把套管磨穿或發生熱龜裂后導致無法繼續鉆進或卡鉆，造成鉆具、工具儀器落井等惡性井下事故，損失巨大。

側向載荷計算公式為：

F側=2.413 1×10-3×D×L×T

(2)

式中：F側—側向載荷，kN；

D—狗腿嚴重度，(°)/30 m；

L—段長，m；

T—拉力，kN。

斯倫貝謝公司的安全側向載荷控制范圍是小于1 000 N/m，以避免鉆具受到地層的過度磨損或者鉆具磨損套管。

2 校核分析實例

2.1 實例井的井身剖面

V190 L0- 2井是沙特阿拉伯某油田一口水平井[1- 2，13- 14]，采用老井套管開窗側鉆工藝恢復產能，在回收采油管串過程中發生嚴重卡鉆事故，處理無效后，建設方炸掉井下落魚，在?177.8 mm套管內用?155.6 mm鉆頭開窗側鉆，以鉆達新的油氣富集區。根據電測套管磨損情況，建設方希望最大限度地利用原來老井套管，經過研究，選定V190 L0- 2井設計井身剖面見表1。

表1 V190 L0- 2井設計井身剖面

表1中設計井身剖面在套管開窗側鉆后設計狗腿嚴重度為16.35°/100 m，經過技術經濟分析及鉆井經驗，選用1.83°彎角的螺桿鉆具組合完成斜井段至著陸點的作業，然后采用旋轉導向組合鉆達地質靶區完鉆。

2.2 造斜段摩阻與扭矩校核

本井是一口?155.6 mm的小尺寸井眼的套管開窗側鉆井，全井采用?101.6 mm鉆桿，從井口到著陸點的長度為2 438 m，窗口處的狗腿度達到49.2°/100 m，鉆桿尺寸小，柔性大，工具面很難控制，屈曲極易發生，滑動鉆進能否順利進行關系到這口井的成敗。因此，屈曲校核就成了斜井段摩阻及扭矩校核的重中之重。

2.2.1 滑動鉆進時的摩阻與扭矩分析

運行摩阻扭矩分析軟件，輸入鉆具組合、井身結構、設計井身剖面數據、鉆井液性能、鉆井參數、摩阻系數等，見表1、表2所示，得到滑動鉆進時的摩阻扭矩分析計算結果，見表3。

表2 V190 L0- 2井滑動鉆進技術參數

表3 V190 L0- 2井滑動鉆進摩阻扭矩計算結果

從表3可以看出：當鉆達著陸點時，沒有屈曲發生，鉆壓能有效傳遞到鉆頭，滑動鉆進正常；當量米塞斯應力、側向載荷、扭矩均在安全范圍內，滑動鉆進沒有問題，螺桿鉆具可以順利鉆完整個斜井段直至著陸點。

2.2.2 復合鉆進的摩阻扭矩分析

在螺桿鉆具造斜時，滑動鉆進和復合鉆進總是交替進行來保證造斜段的狗腿嚴重度平穩及高效的鉆進效率。由于螺桿鉆具是彎螺桿帶偏心墊塊或穩定器，若是在螺桿鉆具頂部再接一個穩定器，鉆具剛性較強，這樣的穩斜鉆井組合雖然有利于復合鉆進時穩斜，但由于復合鉆進時螺桿鉆具被折斷的風險很大，尤其是超過1.75°的彎螺桿鉆具，復合鉆進時具有很大的扭斷風險，部分廠家不允許1.75°或大于1.75°的螺桿鉆具進行復合鉆進，因此復合鉆進時對鉆具所承受的摩阻及扭矩分析很有必要。復合鉆進段鉆具所受的摩阻及扭矩校核主要看當量米塞斯應力和扭矩，特別是彎螺桿鉆具處的當量米塞斯應力是否處在安全范圍。

復合鉆進技術參數見表4。運行摩阻及扭矩分析軟件得到復合鉆進摩阻扭矩計算結果，見表5。

表4 V190 L0- 2井復合鉆進技術參數

表5 V190 L0- 2井復合鉆進摩阻扭矩計算結果

從表5的校核結果可以看出：最大當量米塞斯應力發生在?101.6 mm加重鉆桿上，占屈服值的43.86%，小于安全值67%，井下安全；?120 mm螺桿鉆具(?146 mm扶正套，1.83°彎角)的當量米塞斯應力為57 559.98 kPa，比它相鄰的無磁鉆鋌和MWD的當量米塞斯應力大2～3倍，因為這套螺桿鉆具組合連接的是一個欠尺寸的偏心扶正套，外徑比鉆頭小10 mm，所以螺桿鉆具的當量米塞斯應力的絕對值不大，僅占自身拉伸屈服值的7.95%。這個近鉆頭穩定器尺寸越大，螺桿鉆具彎度越大，則當量米塞斯應力就會越大，甚至成倍上升，復合鉆進的風險就會隨之猛升，這就是彎螺桿鉆具復合鉆進扭斷落井時有發生的原因。所以，彎螺桿鉆具在斜井段鉆進時，在滿足狗腿嚴重度要求的情況下，穩定器盡量采用欠尺寸或者不帶穩定器的螺桿鉆具鉆進更加安全。表5中的扭矩、側向載荷、屈曲都在安全范圍。

2.2.3 螺桿鉆具組合極限鉆井深度的計算

斜井段的摩阻及扭矩校核表明了這套螺桿鉆具組合可以順利鉆達著陸點，假如地層發生變化需要繼續向前鉆進尋找標志層，或者建設方地質導向部門要求繼續鉆進，這套鉆具還能繼續滑動鉆進的極限深度是多少呢？設計時，需要留出一定的余量。

運行摩阻及扭矩分析軟件，輸入表2參數，得到螺桿鉆具組合在不同井深滑動鉆進時是否產生屈曲，結果見表6。

表6 V190 L0- 2井螺桿鉆具組合極限鉆井深度計算結果

表6計算結果顯示，螺桿鉆具組合在鉆達著陸點后繼續鉆進，在井深2 550 m會發生正旋屈曲，鉆壓只能部分到達鉆頭，機械鉆速將下降；在井深2 650 m將發生螺旋屈曲，鉆頭鉆壓也將降為0，機械鉆速為0，沒有進尺，即此趟鉆具組合的極限鉆井深度為2 650 m，宜在鉆達著陸點井深2 438 m后，起鉆換成旋轉導向組合完成水平段鉆進是合理的設計，以較高的機械鉆速完成水平段的鉆進作業。

2.3 水平段旋轉導向系統鉆進時摩阻扭矩校核

設計?155.6 mm水平段段長1 386 m，裸眼段長1 907 m，水平段用3 700 m長的?101.6 mm鉆桿鉆進，對于柔性大、尺寸小的鉆具，不能出現鉆具扭斷等井下事故。一旦在小井眼出現鉆具斷裂落井，幾乎無法打撈，此外，井底鉆具中，還包含有中子源儀器，中子源落井無法打撈將會成為災難性的環保事故，因此，必須進行當量米塞斯應力和扭矩校核，確保不會出現鉆具斷裂的隱患出現。

水平段鉆井技術參數見表7。運行摩阻及扭矩分析軟件，計算結果見表8。

表7 V190 L0- 2井水平段鉆井參數

表8 V190 L0- 2井水平段旋轉導向鉆進摩阻扭矩計算結果

從表8計算結果來看，當量米塞斯應力僅為屈服值的45.54%，小于67%；鉆桿側向載荷僅為351.42 N/m，小于1 000 N/m的推薦極限值，無屈曲發生；最大扭矩為12.79 kN·m，僅為?101.6 mm鉆桿的最大扭轉極限的37.02%，所有主要指標通過校核。

需要重點說明的是，當鉆達完鉆井深3 797 m時，地面扭矩已經達到12.79 kN·m。實際施工中，由于狗腿嚴重度不均、軌跡不平滑等因素，實際扭矩比計算扭矩還要大，大多會達到14～15 kN·m，而井底的鉆具組合(BHA)和?155.6 mm鉆頭的上扣扭矩在9～10 kN·m之間。一般情況下，井隊會把頂驅額定扭矩只設置到9～10 kN·m，普遍擔心超過鉆頭或BHA的上扣扭矩會導致鉆頭或BHA出現絲扣斷裂或導致井下鉆具組合落井。這樣，就只能降低鉆壓、放慢鉆速來使扭矩低于額定扭矩，小鉆壓、低轉速勢必極大地影響機械鉆速和鉆井周期。有了摩阻及扭矩校核的計算結果，可以把頂驅額定扭矩設置到13～14 kN·m，井底鉆頭扭矩也只有5～6 kN·m，遠遠小于鉆頭的上扣扭矩。有了理論依據支撐，消除了過去憑經驗產生的認知誤區，可以放心使用強化的鉆井參數(鉆壓和轉速)，能達到滿意的鉆速，大幅度提高機械鉆速，降低鉆井綜合成本。

3 V190 L0- 2井實鉆施工效果

摩阻和扭矩校核完成后，按照設計流程施工，第一套鉆具組合是螺桿鉆具組合，在井深1 913～2 438 m井段，從井斜3°滑動增斜至85°，滑動鉆進出現一定程度的拖壓現象，偶爾有屈曲發生，通過降低鉆壓、添加潤滑劑等手段，比較順利地鉆達著陸點。圖1是V190 L0- 2井螺桿鉆具組合在設計時的屈曲校核曲線，實際軸向載荷曲線與正旋屈曲載荷曲線沒有相切和相交，說明沒有屈曲發生。圖2是V190 L0- 2井實際施工中的屈曲校核曲線。施工中，由于斜井段因滑動鉆進和復合鉆進交替進行，狗腿度不太均勻，井眼軌跡不太光滑，所以實際摩阻系數比設計的摩阻系數大，因而正旋屈曲提前發生在套管開窗1 900～2 000 m井段。隨后的水平段旋轉導向系統和帶中子源測量系統的鉆具組合，需要用3 700 m長的?101.6 mm鉆桿鉆進水平段1 386 m，這期間，軌跡一直處于增斜、降斜、穩斜等上下波動前進的態勢，但還是按設計鉆達了地質靶區完鉆。全井從斜向器開窗側鉆后至完鉆共計2趟鉆，在碳酸鹽巖地層中，平均機械鉆速達到13.5 m/h，累計12 d完成一口水平段長1 386 m的小井眼套管開窗側鉆井的鉆探，無任何井下復雜，無非生產時間，順利、高效完成了鉆探任務，實鉆與設計吻合，全井鉆井效果見表9。

圖1 V190 L0-2井螺桿鉆具組合在設計時的屈曲校核曲線圖2 V190 L0-2井螺桿鉆具組合在實際施工時的屈曲校核曲線

本實例井運用摩阻及扭矩分析，給出了滑動鉆進、復合鉆進及水平井導向鉆進工況下的鉆柱屈曲、當量米塞斯應力、側向載荷、扭矩等定量的校核結果，理論上確認了可以安全順利實現鉆井設計目標。如果沒有摩阻及扭矩分析的校核，扭矩會不會超限？鉆具會不會出現斷裂落井？滑動鉆進是否正常？會不會磨損上部套管？以及在研磨性地層會不會過度磨損鉆具？這些復雜的技術問題，很難憑經驗給出答案。施工前設計階段的可行性論證為后續的順利鉆進提供了理論依據。實例井的順利鉆井實踐證實了摩阻及扭矩分析的結論可靠、可信。

4 結論

(1)摩阻及扭矩分析不僅是鉆井設計階段水平井鉆具組合可行性論證的不可或缺的重要步驟，而且還是井身剖面是否合理、鉆井參數是否優化的校核工具，在水平井設計階段具有不可替代的作用。

(2)運用摩阻及扭矩分析，使設計從過去憑經驗的定性分析轉變為可靠、可信的定量分析，是安全、高效鉆井的理論依據和保證。

(3)本文介紹的摩阻及扭矩分析方法，可為國內鉆井設計部門或定向井技術服務公司在水平井鉆井設計中提供參考和借鑒。建議在大斜度井及水平井中推廣應用。