气体钻井钻柱摩阻转矩影响因素分析

闫　铁，刘珊珊，毕雪亮（东北石油大学油气钻井技术国家工程实验室，黑龙江大庆163318）

气体钻井钻柱摩阻转矩影响因素分析

闫铁，刘珊珊，毕雪亮
（东北石油大学油气钻井技术国家工程实验室，黑龙江大庆163318）①

随着国内外气体钻井技术的不断发展，气体钻井技术与水平井等钻井技术相结合在致密低渗油气藏开发方面展现了巨大的潜力。对于气体钻井来说，气体钻水平段时摩阻转矩问题突出，大福增加了水平段轨迹控制的难度和风险，因此，不仅需要有良好的钻井设备，还需要依靠钻井工艺技术及基础理论支撑。以钻柱力学中软杆模型为基础对气体钻井钻柱摩阻转矩影响因素进行分析研究。研究结果表明：随着摩擦因数的增加摩擦阻力、转矩相应增加；随着转速的增加摩阻力减小，转矩增加；随着起钻速度的增加摩擦阻力增加，转矩减小。对普通钻井液钻井和气体钻井进行了对比，气体钻井的摩阻转矩要大于普通钻井液钻井。同时分析了接头对气体钻井摩阻力及转矩的影响。

气体钻井；摩阻；转矩；影响因素

气体欠平衡技术保证了水平井、大位移井轨迹在储层延伸的过程中所钻开的渗流通道和供应油气天然裂缝不受伤害，保持最大原始产能［1］。但是，由于采用气体钻井时循环介质是气体，使气体钻井的摩擦阻力及摩擦转矩都大于泥浆钻井，存在着以下特点：

1） 气体密度很小，钻柱所受的浮力小，钻柱与井壁的接触力大于泥浆钻井，因此气体钻井的摩擦阻力及摩擦转矩大于泥浆钻井。

2） 气体润滑性差，钻柱与井壁之间的摩擦因数大，常大于0．4，而泥浆钻井时其摩擦因数在0．2～0．3之间。

3） 气体钻井时钻柱所受到的接触力、摩擦力大，转动钻柱受到的切向摩擦力影响常大于泥浆钻井，表现在钻柱沿井壁偏转变形大于泥浆钻井。

4） 气体钻井时摩擦转矩比泥浆钻井大。

5） 气体钻井时井眼轨迹更难预测和控制［2-4］。

国内外学者对摩阻转矩进行了大量的研究工作，分别建立了软杆模型和刚杆模型，两种模型各有自己的优点和适用范围［5-6］。软杆模型忽略了钻柱刚度及稳定器的影响，在曲率不大的光滑井眼条件下，用来计算由刚度较小的常规钻杆组成的钻柱段的摩阻转矩时能够给出足够的精度。因此，现在有的商业软件仍在采用，但应用在井眼曲率变化较大或钻柱刚性较大的单元，会产生明显的误差。本文以软杆模型为基础，对气体钻井钻柱摩阻转矩影响因素进行分析。

1　软杆模型

1．1 基本假设条件

井眼曲率变化平缓时，在起下钻和钻进作业中，杆柱的横截面上不会产生太大的剪切力，对于小曲率井眼，忽略刚度的影响，在工程上可以得到足够的精度。为了建立力学模型，对钻柱在井眼中的情况需要作适当的简化，本文作如下假设：

1） 井下管柱的受力和变形均在弹性范围内。

2） 对于管柱所受到的轴向力，以拉应力为正，压应力为负。

3） 如果摩阻造成的是拉应力，那么摩阻为正，摩阻造成压应力时摩阻为负。

4） 计算单元段的井眼曲率是常数。

5） 管柱接触井壁的上侧或下侧，其曲率与井眼的曲率相同。

6） 忽略钻柱横截面上的剪切力，不考虑钻柱刚度的影响，但可以承受轴向压力。

7） 忽略井下管柱的动力效应［7-8］。

1．2 摩阻转矩模型的推导

井下管柱单元钻柱受力模型分析

图1　钻柱单元力学模型

根据图1钻柱单元受力分析，得如下等式：

式中：T为钻柱单元下端的轴向力，N；ΔM为钻柱转矩，N·m；N为钻柱与井壁的接触正压力，N；ft为切向摩擦因数；fa为轴向摩擦因数；r为钻柱单元半径，m；α为平均井斜角，rad；φ为方位角，rad。

钻柱受压发生正弦屈曲时，正弦屈曲不考虑附加转矩，钻柱与井壁之间的侧向力还应附加由钻柱正弦屈曲而产生的接触力［7］：

式中：△N为附加接触压力，N；E为钻柱钢材弹性模量，Pa／m2；I为钻柱惯性矩，m4；r1为井眼与钻柱半径差值，m。

钻柱受压发生螺旋屈曲时，钻柱与井壁之间的侧向力还应附加由钻柱螺旋屈曲而产生的接触力：

式中：r2为井筒半径与管柱半径之差，m。

1．3 不同工况下钻柱的摩阻转矩计算公式

1） 起下钻工况［9］。

起下钻工况下，管柱在井眼中主要做轴向运动，因此管柱所受的摩阻转矩为零，摩阻的计算公式为：

式中：f为综合摩擦因数；Wt为钻柱在钻井液中的重力，N；F为单元管柱所受的摩阻力，N；起钻时为“＋”，下钻时为“－”，在起下钻工况下，最下面的单元管柱下端轴向力T2＝0。

2） 划眼工况。

划眼工况下的摩阻转矩计算公式：

式中：Do为管柱外径，m；fc为综合摩擦因数在圆周方向分量；倒划眼取“＋”，正划眼取“－”；在划眼工况下，最下面的单元管柱下端轴向力T2＝0。

3） 划眼钻进工况。

在旋转钻进工况下，管柱既有轴向运动，又有转动：

最下面的单元管柱下端轴向力T2＝－WOB。

4） 滑动钻进工况。

最下面的单元管柱下端轴向力T2＝－WOB。

5） 离底旋转工况。

钻头提离井底，钻柱作纯旋转而无轴向运动，摩阻力为零，只存在圆周方向的摩阻转矩：

最下面的单元管柱下端轴向力T2＝0。

1．4 不同钻井液下的摩擦因数的选取

由表1中数值可知，气体钻井的摩擦因数是普通钻井液的两倍，因此钻柱摩阻转矩也要随之而变化。

表1　不同钻井介质下摩擦因数的经验值

表1（续）

2　实例计算

运用本文建立的新模型对一口井进行了实际计算和分析对比。某井的有关参数：完井垂深1713．02m，井底闭合距808．23m，井底闭合方位79°，造斜点井深1443．43m，设计井深2345．73m，视平位移808．08m，水平段长608．32m，最大井斜角92．75°。钻具组合数据如表2，井斜数据如表3。根据表3绘制的井身结构图如图2所示。

现行《指南》⑮ 国家知识产权局：《专利审查指南》，知识产权出版社2010年版，第124-127页。中规定了一项方法属于疾病诊断方法的两个要件：（1）以有生命的人体或动物体为对象；（2）以获得疾病诊断结果或健康状况为直接目的。同时，还分别给出了属于和不属于疾病诊断方法的举例，例如，直接目的不是获得诊断结果或健康状况，而只是从活的人体或动物体获取作为中间结果的信息的方法，或处理该信息（形体参数、生理参数或其他参数）的方法。但是，何谓“直接目的”并没有给出进一步的解释和举例。因此，疾病诊断方法与医疗检测方法之间的界限仍然存在一定的模糊性。

图2　井身结构参数

根据图2可以将全井段分为3段，分别为：

①直井段0～1440．87m。

②造斜段1440．87～1810．55m。

③水平井段1 810．55～2 390m。

对于气体钻井，取滑动摩擦因数为0．4。

表2　钻具组合数据

表3　井斜数据

2．1 软杆模型计算

2．1．1 计算的工况以及相应数据

上提工况，钻头处钻压为0，钻头初始转矩为0，摩擦因数为0．4，加重钻杆线重为104．92kg／m，外径168mm内径114．3mm，加重钻杆长度为396．33m；钻杆线重为42．06kg／m，外径127mm，内径101．6mm，钻杆长度1993．42m；钻头线重为220kg／m，外径215．9mm，内径95mm，钻头长度为0．25m；转速30r／min，起钻速度18．29m／min，接头直径165．1mm。井斜角、方位角分别为α、φ。应用软杆模型、考虑接头的软杆模型计算，由下而上，g＝9．8N／kg。

2．1．2 摩擦因数对钻柱摩阻转矩的影响

摩擦因数f＝0．2、0．3、0．4时，摩擦阻力和摩阻转矩计算结果如图3～4。

图4　摩擦因数对转矩的影响

由图3～4可知，随着摩擦因数的增加引起钻柱的轴向力、摩擦阻力、转矩也相应地增加。其中摩擦阻力的增加有2个原因：

1） 摩擦阻力与摩擦因数成正比，摩擦因数增加，摩擦阻力自然增加。

2） 摩擦因数增加还会引起接触力的增加，摩擦阻力也增加。转矩增加也是由于转矩与摩擦因数成正比，摩擦因数增加转矩也相应增加。

2．1．3 转速对钻柱摩阻转矩的影响

当转速为10、20、30、40 r／min时，摩擦阻力和摩阻转矩计算结果如图5～6。

图5　转速对摩擦阻力的影响

图6　转速对转矩的影响

由图5～6可知，随着摩擦因数的增加摩擦阻力相对减小，这是由于当转速增加时，根据复合运动摩擦力分解理论，轴向摩擦因数减小，因此轴向摩擦阻力减小，但随着转速的增加，轴向摩擦阻力的减小量减小，逐渐趋于零；同理轴向摩擦因数增加，因此转矩随着转速的增加而增加。

2．1．4 起钻速度对钻柱摩阻转矩的影响

当起钻速度为15．00、18．29、25．00m／min时，摩擦阻力和摩阻转矩计算结果如图7～8。

图7　起钻速度对摩擦阻力的影响

图8　起钻速度对转矩的影响

从图7～8中可以得出，随着起钻速度的增加，摩擦因数增加，摩擦阻力增加，同样随着起钻速度的增加，转矩减小。

2．1．5 普通钻井与气体钻井摩阻转矩对比

普通钻井与气体钻井摩阻力和摩阻转矩对比如图9～10。

图9　普通钻井与气体钻井摩擦阻力的对比

图10　普通钻井与气体钻井转矩的对比

由图9～10可知，气体钻井钻柱的摩擦阻力、转矩比普通钻井液钻井的对应数据要大，这是由于摩擦因数增加、钻井液密度减小，使得摩擦阻力、转矩增加。由于本实例计算考虑的接头半径位于加重钻杆与钻杆半径之间，所以接头对摩擦阻力的影响不是很明显。但是，还是可以从中看出，如果接头半径较大，当考虑接头进行计算时轴向摩擦阻力减小，转矩增加，这是由于随着直径的增加，轴向摩擦因数减小、周向摩擦因数增加所引起的。

3　结论

1） 软杆模型在曲率不大的光滑井眼条件下，用来计算由刚度较小的常规钻杆组成的钻柱段的摩阻转矩，能够给出足够的精度解。

2） 分析了摩擦因数、转速、起钻速度对气体钻井摩擦阻力、转矩的影响，随着摩擦因数的增加，摩擦阻力、转矩相应增加；随着转速的增加，摩擦阻力减小，转矩增加；随着起钻速度的增加，摩擦阻力增加，转矩减小。

3） 对普通钻井液钻井和气体钻井进行了对比，气体钻井的摩阻转矩都大于普通钻井液钻井。同时分析了接头对气体钻井摩擦阻力及转矩的影响。

［1］ 林铁军，练章华，张俊良，等．气体钻与泥浆钻全井段钻柱动力学对比研究［J］．西南石油大学学报（自然科学版）．2011，33（1）：139-142．

［2］ 秦晓庆，王希勇，练章华，等．气体钻井钻柱摩阻转矩新解析模型［J］．钻采工艺，2013（6）：79-81．

［3］ Johansick CA．Torque and Drag in Directional Well Prediction and Measurement［C］．SPE 11380，1983．

［4］ Ho H-S．An Improved Modeling Program for Compu-ting the Torque and Drag in Directional and Deep Wells ［C］．SPE 18047，1988．

［5］ 闫铁，李庆明，王岩，等．水平井钻柱摩阻转矩分段计算模型［J］．大庆石油学院学报，2011（5）：69-72．

［6］ 范光第，黄根炉，李绪锋，等．水平井管柱摩阻转矩的计算模型［J］．钻采工艺，2013（5）：22-25．

［7］ 张林强．大位移井摩阻转矩计算模型［J］．断块油气田，2008，15（2）：88-91．

［8］ 闫铁，刘珊珊，毕雪亮，等．考虑钻柱作用的深海隔水管柱力学分析［J］．石油矿场机械，2014，43（8）：13-17．

［9］ 马善洲，韩志勇．水平井钻柱摩阻力和摩阻力矩的计算［J］．石油大学学报（自然科学版）．1996，20（6）：24-28．

Influential Factor Analysis of Friction and Torque of Drill String in Gas Drilling

YAN Tie，LIU Shanshan，BI Xueliang
（National Engineering Laboratory of Oil and Gas Drilling Technology，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China）

With the development of gas drilling technology at home and abroad，the joint applica-tion of gas drilling and horizontal drilling technology showed tremendous potential in the develop-ment of tight low permeability oil and gas reservoir．For gas drilling，thematter of torque and drag in horizontal section by gas drillingmethod is severe，which increasesmore difficulty and hazard on horizontal drilling．Therefore good drilling equipment is not only needed，but also drilling tech-nology and basic theory support are needed．On the basis of predecessors’research in this paper，influential factors of friction and torque of drill string in gas drilling have been analyzed based on soft-stringmodel in drill stringmechanics．Research results show that with the increase of friction coefficient，the friction and torque increase correspondingly；with the increase of rotate speed the friction decrease and the torque increase；with the increase of tripping out speed the friction in-crease and the torque decrease．The conventional drilling fluid drilling and gas drilling are com-pared，friction and torque of drill string in gas drilling is larger than that in ordinary drilling fluid．At the same time，the influence of joint for gas drilling friction and torque has also been analyzed．

gas drilling；friction；torque；influential factor

TE921．202

A

10．3969／j．issn．1001-3842．2015．08．001

1001－3482（2015）08－0001－06

①2015－01－20

国家自然科学基金重大项目“页岩油气高效开发基础理论研究”（51490650）；国家自然科学基金资助项目“基于

热质流耦合的深层欠平衡钻井井筒温度场和压力场分布规律研究”（51374077）

闫 铁（1956-），男，黑龙江肇州人，教授，博导，从事油气井工艺理论与技术研究，Email：yant＠nepu．edu．cn。