基于Wellplan 的随钻扭矩精准模拟方法研究

2022-10-26和鹏飞宋峙潮

科学技术创新 2022年29期

罗曼,和鹏飞,宋峙潮

（中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津 300452）

引言

扭矩是钻完井工程的极其重要的参数,直观的分析钻柱、套管柱的最终地面扭矩是否在钻机装备的持续输出安全扭矩范围内,更深层次的验证井筒清洁情况[1-5]。因此开展井筒扭矩的分析是非常必要的,可以在作业前开展工艺方案优选,提前开展预案研究。行业内也开展了较多的扭矩分析方法研究。

1 研究现状分析与问题

薄和秋[6]等人,针对垦东大位移井从摩阻扭矩算法模型的优缺点对比出发,选择了适合现场的软绳模型,开展了摩阻扭矩预测。张林强[7]同样开展了三种计算模型的对比研究,给出适合大位移井的软绳模型算法。闫铁[8]以三维纵横弯曲梁理论计算了底部钻具组合的摩阻扭矩,钻杆段优选软绳模型。翟鹏[9]提出了复杂结构井分段计算摩阻扭矩新模型,即按照轨迹曲率分别选择刚性和软绳模型。付天池[10]采用了基于软绳累计扭矩基数的算法。刘义岭[11]考虑钻井液粘滞力和套管屈曲后开展了摩阻扭矩计算模型研究。丁培宇[12]以数据挖掘为手段建立了预测摩阻系数的BP 神经网络模型。何世明[13]以小井眼长水平段为目标对象研究了摩阻扭矩的计算和控制技术。李波[14]建立了基于有限元法的三维非线性动力学模型。马志攀[15]考虑钻井液粘滞因素、管柱屈曲和大钩载荷校正等因素进行了摩阻扭矩计算和套管磨损分析。张杨[16]基于套管柱下入计算了能够通过的最大井眼曲率。唐洪林[17]以实时钻井参数为依据,建立摩阻扭矩监测图版。

综上可见,均对扭矩模型开展了对比研究,软绳模型是公认的优选模型,差异性的是对考量的因素分析不统一。目前国内海洋钻完井通用采用Wellplan 软件开展扭矩分析,该软件提供了刚性和软绳模型,存在的主要问题是,对于软件摩阻扭矩计算考虑的影响因素的参数敏感性和确定方法存在较大差异,由此导致计算结果的误差率较大的问题。因此开展了基于Wellplan 的扭矩影响敏感性分析和精确预测方法研究。

2 扭矩敏感性影响模型

分析扭矩敏感性,最主要的是分析扭矩如何产生的。扭矩简单的讲是管柱在井筒内横向面相互作用产生的阻力和力臂的力矩表现,在斜井中主要由管柱和井筒内壁横向相互摩擦作用、管柱和井内泥浆横向相互摩擦作用以及井底钻头与地层垂直相互作用摩擦产生,因此可用模型表示为公式（1）

式中,T地面为井口地面显示的总扭矩,T井壁为管柱与井壁之间产生的扭矩,T钻井液为管柱与钻井液之间产生的扭矩,T钻头为钻头与地层产生的扭矩。

假设管柱与井壁在某一点产生扭矩,二者必然是相互产生了接触（接触点一侧管柱和井壁之间距离可约为0）,此时接触的力为该点在井筒内侧向力与二者摩擦系数产生的摩擦力,力臂为管柱中心到管柱外壁也就是管柱外径的二分之一,此时管柱与井壁产生的扭矩可表示为公式（2）

式中,F侧向力为接触点产生的管柱侧向力,D管柱为管柱外径直径,u井筒为管柱和井壁之间的摩擦系数。

对于管柱从钻头以上底部开始到井口,全井筒的接触扭矩为公式（3）,表征为从钻头深度md 到井口的管柱扭矩累积

侧向力的获得,通过公式（4）。

式中,F拉为该处管柱所受拉力,△ε 为计算单位内方位角的变化量,△θ 为计算单元内井斜角的变化量,θ平均为计算单元内的平均井斜角,ε平均为计算单元内的平均方位角,W管柱单位重量,L管柱为计算单元长度。

管柱与钻井液之间相互作用产生的扭矩称为粘滞扭矩,计算公式为（5）

式中,T 为钻井液切力,L 管柱为管柱长度,D 管柱为管柱外径直径。

钻头扭矩模型,可理解为钻压导致钻头与井底摩擦,加上钻头直径产生的力臂,得到的扭矩公式（6）

式中,μ钻头为钻头与地层之间的摩擦系数,W钻压为钻压,D钻头为钻头直径。

3 基于Wellplan 的随钻扭矩预测方法应用

3.1 随钻扭矩精准预测工程案例：东海超深井A1s

A1s 设计完钻井深5 040 m,定向井轨迹设计自300 m 开始造斜至745 m 达到28°,二次造斜从4 600 m 至4 850 m,造斜至40°,方位角二次造斜时左扭30°中靶,井身结构设计见表1。随钻采用扭矩监测、预测技术,具体方法如下。

表1 A1s 井身结构设计

3.2 摩阻系数的获得

摩阻系数和摩擦系数存在差异,但又相互联系,摩擦系数表征两个物体之间接触摩擦产生的阻力系数,是摩擦力和垂直作用力的比值。井筒的摩阻系数是一个广义的摩擦系数,代表整个井筒内某一段（套管段和裸眼段）的摩擦系数均值。摩阻系数存在时间和空间上的不均一性,时间上随着井筒内钻井液性能变化（润滑性、固相含量）、裸眼段井壁泥饼性质变化而发生变化,空间上因井筒内每一点、每一米表面物理特性不一致,尤其裸眼内砂泥岩层（渗透性导致的泥饼差异、井眼扩大率不一样）而存在差异。因此推荐采用基于反演的再预测,反演可以是本井目前实际钻井参数的反演,也可以是周边相似轨迹、井身结构实际钻井参数的反演。如图1,A1s 井反演3 150～3 300 m 时的井筒摩阻系数,可以看出套管内0.29、裸眼内0.38 的情况比较贴近。

图1 A1s 井在3 150～3 300 m 的摩阻系数反演

3.3 钻头扭摩擦系数的获得

通过时间轴15 s 导出钻头深度和实钻扭矩的关系散点,根据海上钻井实际工况：每柱打完倒划眼2～3遍,因此在二者散点中既有钻进地面扭矩反应,又有空转扭矩反应。核心是如何是数据处理中分开实钻和空转扭矩,采用的方法是拟合趋势线法,如图2 所示,采用线性拟合钻进扭矩趋势和空转扭矩趋势,获得线性拟合方程。二者相减获得实际钻头扭矩。

图2 A1s 井在3 400～3 650 m 的扭矩的分解分析

利用公式（6）以及实钻钻压等参数,计算获得计算钻头扭矩。μ钻头取值0.6,拟合度较高。计算误差率10.37%

3.4 扭矩预测效果

预测是一个不断反演不断调整的过程,一口井开钻的初期采用邻井的数据反演,钻进中采用上部或者当前已钻的反演,预测时既要考虑当前井筒情况,还要参考相邻下部井段情况,这是一个动态辩证统一的方法。图3 是A1s 井在整个12.25 in 井段的实际扭矩和预测扭矩的预测情况,可以看出总体预测精度在10%左右。如表2,显示了整个12-1/4″井段作业过程的井筒摩阻系数反演情况,可以看出,摩阻系数存在各项异性,即便是在同一时间节点,旋转和上提下放管柱之间存在差异性,因此在工程中建议按照相同操作选择反演预测。