摩阻扭矩模拟计算在现场的应用

陈 刚，李丰宝，李元生，黄晨翔，王志斌

（西部钻探定向井技术服务公司，新疆乌鲁木齐830000）

1 概述

在水平井、大位移井钻井过程中，井下摩阻以及扭矩的大小是阻碍钻井施工的重要因素，这种影响除了可能导致增加施工难度，延长作业时间，严重的甚至会导致钻井无法正常进行。其在现场的主要危害主要体现在：起钻负荷大，下钻阻力大；钻进时“脱压”，导致钻速很低；转盘扭矩大，导致功率浪费以及造成钻具疲劳破坏等。因此，除了在钻井设计时进行各种工况的摩阻扭矩计算，在钻井过程中进行摩阻扭矩的监测也是很有必要的，在现有的装备和技术条件下来改善钻井状况，预防事故和复杂的发生，对安全快速完成钻井任务有着实际的意义。

2 影响摩阻扭矩的因素

图1 摩擦力示意图

如图1所示，由摩擦力计算公式：

计算钻井过程中钻柱在井眼中受到的摩擦力。

临界状态下：

摩擦力的方向与钻具运动方向相反，钻具上行时：

下行时：

2.1 侧向力

钻具的重力、钻具受到的拉力会直接影响侧向力。除此而外，井眼的狗腿度造成钻具与井壁接触点增多，也是影响侧向力的一方面原因；全刚性钻具组合和全柔性钻具组合在井眼中受到的侧向力也是不同的，据研究其摩阻扭矩的计算结果误差会达到10%。根据经验结果，一般认为，5″钻具在狗腿度小于15°/30m时，3-1/2″钻具在狗腿度小于20°/30m可以忽略钻具刚性对计算结果的影响。

式中：SF——侧向力，kN/lenght；

DLS——狗腿度；

L——段长；

T——拉力。

其中：较高的侧向力会除导致摩阻扭矩较高外，还会造成钻具和套管的磨损。

2.2 摩擦因子

井眼中的摩擦系数受多种复杂因素的影响，是材料于各种条件的综合特性，并不是一个实际的滑动摩擦系数，所以用摩擦因子来代替摩擦系数。摩擦因子可以看作是一个受多种条件影响的摩擦系数。根据钻柱的运动状态，摩擦因子分为滑动摩擦因子和转动摩擦因子。

（1）不同的钻进井段（不同岩性）摩擦系数不同。

（2）实验用E-P极压润滑仪测得水基钻井液和砂岩模组系数0.3，以此为基准，则泥岩、灰岩为0.25，砂岩+泥饼质量不良为0.35，砂岩+岩屑床沉积＞0.5。

（3）实际工况下，摩擦系数的大小与接触面积、正压力和滑动速度有关。

（4）不同的润滑体系摩擦系数不同（见表1）。

表1 油基和水基泥浆摩擦因子取值表

（5）钻柱与井壁接触载荷的影响。现代摩擦理论研究认为，正压力不但增加了摩擦力，而且增加了摩擦系数，实际工况下，钻柱与井壁的接触载荷越大，摩擦系数也将增大。

（6）泥浆性能的影响。不同的泥浆体系，摩擦系数不同。对同一种泥浆体系，一般来说，如果粘度增大，则摩擦系数减小。另外，钻柱和井液相对运动时，产生剪切力，从而对钻柱产生粘滞作用，粘滞力对摩阻的影响一般不会超过5%，但是要注意，当钻井液的Φ300读数较大时，将导致钻井液稠度增大，从而使钻井液对钻柱的附加摩阻增大。在相同井深和钻井液密度下，钻具组合不变，如果摩阻偏大，有可能是钻井液的流变性能发生了变化，应该引起足够的重视。

2.3 钻井液压差阻力的影响

压差阻力主要与钻井液的密度、地层压力、钻井液泥饼厚度有关。密度增大，压差阻力增大。压差阻力对总摩阻的附加值一般在5%～10%左右。在计算中应充分考虑这一影响。

3 使用软件计算摩阻扭矩需要的参数

3.1 钻具组合

首先，摩阻扭矩计算的对象是井眼内的钻柱，完全采用刚性理论和柔性理论都不能得到更贴近实际的计算结果，因此，我们推荐采用Dawson's cable model，如图2所示，该模型认为钻柱在局部是刚性的，在整体是柔性的，整体符合“soft string”理论。

其次，钻具稳定器、钻杆接箍等钻具组合中较大外径工具会造成钻柱与井壁接触点增多，这是计算摩阻扭矩不可忽略的影响。

对于钻杆来说，钻杆本体容易超过抗拉极限而受到破坏，钻杆接头容易超过抗扭极限而受到破坏，对于优质接头，其抗扭强度超过本体，所以本体抗扭就成为了钻柱整体抗扭的短板，因此，在摩阻扭矩的计算中，务必要搜集准确所有钻具的钢级、壁厚、内外径、接箍长度、扣型，特别是一些特殊工具的技术参数，这些参数会影响到钻具抗拉、抗扭、屈曲极限的计算结果是否准确。

泥浆流经大尺寸钻具和小尺寸钻具的流态不同，流速不同，也会对计算结果有影响。

图2 Dawson's cable modle钻具理论示意图

3.2 井身结构

井身结构的影响主要体现在套管内和裸眼内摩擦因子的完全不同。井眼的大小直接影响到钻井液的流速，特别是要赋予裸眼一个较准确的井径扩大率。

3.3 井眼轨迹数据

在井眼中，钻柱的轴线和井眼的轴线并不重合，所测得的井斜并不是真实的井斜；在大狗腿度的井段，钻具产生弯曲变形，导致测斜数据误差；此外，其他因素：如仪器在钻具内不居中、仪器本身测量误差等，严格遵守测斜操作程序，取得较为准确的数据，对突变的数据重新多次测量，过滤掉数据串上的尖点，使得轨迹更接近实际的井眼轨迹。

3.4 泥浆性能参数

在现场，特别是高温井，建议取得六速仪测得的6个参数，根据参数选择对应的模型，从而进一步取得较为准确的泥浆性能曲线。

3.5 地温梯度

温度主要影响泥浆的流变性能，为准确期间取得各深度的井温，描绘出地温曲线，能更好地模拟温度变化。

4 计算结果的输出

进行摩阻扭矩计算的目的是为了监测钻井施工过程，识别出钻井中问题的所在，制定相对应的施工技术措施，摩阻扭矩主要通过以下几个计算结果来判别。

4.1 侧向力

侧向力应小于2000lbf/30ft,约为10kN/10m。

4.2 拉力（悬重）

以钻具抗拉强度的80%作为允许载荷，以钻具抗拉强度的60%作为工作载荷。

注意：在起钻过程中，摩阻导致悬重较大，应予以密切监视。下钻、滑动钻进工况时拉力曲线不能于正旋屈曲交叉，复合钻进时拉力曲线不能与螺旋屈曲曲线交叉，否则钻具会发生正旋弯曲和螺旋弯曲。

4.3 扭矩

各种工况下，钻具在各种工况下的扭矩应小于钻具抗扭强度的80%且低于上扣扭矩的80%。

4.4 应力

应力是判断钻具是否具有疲劳破坏风险的参数，其单位是psi。钻具在井眼中受到正应力、弯曲应力、剪切应力，旋转时还受到扭转应力，由于钻具在井眼中的径向偏移很小，本文采用的Dawson's cable model将剪切应力忽略不计，因此，在钻井中采用合应力VM（冯米斯应力）在表示钻具受到的总应力强度。一般，钻具受到的VM应小于钻具最低屈服强度的80%来避免失效，小于钻具最低屈服强度的60%来避免疲劳。

5 现场作业中监测摩阻扭矩

在现场作业中，实时监测摩阻扭矩，能及时判断井眼是否清洁，泥浆的润滑效果是否良好，判断技术措施是否有效。同时可以积累摩擦因子的数据库。具体做法是记录钻具匀速上提下放时的悬重，钻具提离井底的悬重和扭矩，及相对应的井深，模拟出相对准确的摩擦因子，使得各工况下的计算曲线贴近实际曲线。在每次接单根（立柱）、起下钻时，或者大幅度增斜扭方位后，应进行摩阻扭矩的监测。看曲线是否偏离原曲线，如果曲线明显偏离原曲线，并且摩阻扭矩有增大趋势，证明存在井眼清洁问题或者轨迹有大狗腿。这时应加强划眼、调整泥浆性能、短起下钻等针对性技术措施，在执行措施之后，应重复监测步骤，来判断井下情况是否好转。如图3所示，实际悬重不与计算悬重平行,并且明显增大,证明实际摩阻扭矩增大。

图3 某井实际摩阻监测图

6 结论

在深井、水平井、大位移井的施工过程中，摩阻、扭矩的预测和控制是钻成井的关键和难点所在，因此，开展摩阻、扭矩的研究和现场监测，有着非常重要的意义。在摩阻扭矩计算时，要准确搜集所需要数据，务求输入数据准确，通过分析软件模拟计算出的拉力扭矩以及应力和侧向力，以判断是否存在井眼清洁问题和是否潜在轨迹原因导致的钻具疲劳问题。该项工作的重点在于搜集现场起下钻数据，从而提高摩擦系数的精度。这项工作，要悉心观察，仔细分析，充分考虑软件模型未涉及到的影响因素，来补偿计算结果，使理论计算更贴合现场实际，真正能起到理论指导实际的作用。

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