C05 扭拘和摩阻.docx

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C05扭拘和摩阻

第五章扭矩和摩阻

引言

扭矩与摩阻是由于钻柱与井壁之间的摩擦所引起的。

扭矩是指使钻柱在井眼中旋转所施加的旋转力。

摩阻是指钻柱在井眼中起下钻的过程中所附加的力，在大位移井和水平井作业中，由于摩擦力可以减少打擦边井的可能性，因此，搞清形成这些力的因素，以及如何将其降低到最小，这是非常重要的。

在钻井设计过程中，为了使钻井作业取得成功，对于扭矩和摩阻的计算，将会影响到可能出现的井眼几何形状，及象技术规范所要求的那种擦边井。

过大的扭矩和摩阻可能会造成许多问题，包括：

钻具扭断

钻具失速

井下脱扣

高卸扣扭矩

卡钻

上提遇阻

划眼受阻

通常，扭矩和摩阻不但可以作为钻井过程中出现问题的参考依据，而且，也可以利用它们来监测井眼状况。

在钻井过程中，应时刻注意监测扭矩和摩阻的变化，这可用来优化钻井作业，并且还可为可能存在的一些潜在的问题提供征兆，例如：

压差卡钻

井内键槽

井眼清洁恶化

井眼失稳

井内台肩

影响扭矩和摩阻的因素

影响扭矩和摩阻的因素有：

井壁作用力

接触面的性质（如接触面的类型和粗糙度）

泥浆润滑性

井眼的稳定性

井眼的净化

井壁作用力

井壁作用力是推动钻柱或井下钻具贴近井壁的一个有效作用力，这个力越大，扭矩和摩阻值也越高。

之所以会有这样的结果，主要是由于井眼倾斜和狗腿附近存在张力。

井眼倾斜

随着井眼倾斜度的增加，井壁所支撑钻柱的重量越多，这就是为什么在高井斜角井和大位移井中，其扭矩和摩阻值比在直井中更大。

狗腿附近的张力

在张力作用下，由于钻柱本身倾向于拉伸自己，因此，它被引向狗腿一方，这些狗腿可能是钻进中有意造成的，或者是在降斜段形成的，或者是无意弯曲形成的。

有些井壁作用力是由于在井眼弯曲段，钻柱弯曲所产生的。

许多计算表明，这些力比上面所描述的那种井壁作用力更小，即使对刚性钻铤来说，也是这样。

钻柱的重量对井壁作用力也会产生一些影响，特别是在水平井中，重力的作用使钻具贴近井眼低边。

因此，如果使用重量轻一点的钻具，将有助于减少这些作用力。

接触面的性质

由于光滑的接触面比粗糙接触面所产生的扭矩更小，因此，套管井比裸眼井所产生的摩擦力要小。

有一些证据表明：

在钻井作业中，硬砂岩地层比软页岩地层所产生的扭矩高。

泥浆润滑性

井眼中泥浆的类型对扭矩和阻力有明显的影响，油基泥浆比水基泥浆润滑性好。

因此，油基泥浆对于钻大位移井是非常好的。

认识到泥浆中固相的类型和浓度对扭矩的影响，就象认识到润滑剂对扭矩作用一样，是非常重要的。

对于这点，可详细看一下“摩阻系数”和“减少扭矩和摩阻的方法”部分。

井眼稳定性和页岩抑制性

井眼失稳是产生高扭矩和摩阻的一个重要影响因素。

泥浆比重不合适可能会导致钻具脱扣掉入井内，或者是井壁坍塌填井眼。

在塑性地层，例如盐岩和页岩地层，低泥浆比重使得地层变形（蠕动引起）进入井眼内。

在有构造应力的地区，地层应力也存在相似的作用，如果井筒周围的应力不平衡，很可能形成椭圆井眼。

在活性页岩地层中，泥浆的化学性质将影响到井眼状况。

在水基泥浆中，如果抑制剂的含量太少，可能会引起页岩膨胀，导致井眼缩径，从而增大钻柱的扭矩和摩阻。

如果泥浆中所含抑制剂（这种抑制剂可能具有一些润滑性）非常少，这可能会引起页岩软化，但也可能使页岩变得更粘。

在硬脆页岩中，泥浆中页岩抑制剂失效，可能会引起井壁坍塌填井眼现象。

井眼净化

井眼净化效果直接影响到扭矩和摩阻，如果井眼得不到良好的清洁，将会在井筒内形成岩屑床，从而影响钻柱旋转和起下钻作业。

在一些大位移井中，常把扭矩用来作为监测井眼净化效率的手段之一。

有一些实验现象表明：

通过给钻柱提供一个具有润滑性的岩屑床，实际上，这些岩屑床是可以改进钻具的润滑性，降低摩阻的。

然而，潜在的负面影响（如卡钻，起钻阻力过大等）可能会超过任何所得到的益处。

预测和监测扭矩与摩阻

摩擦系数

摩擦系数（u）为两滑动面之间的摩擦力提供了一种计算方法，在预测模型中（如钻柱模拟模型――见下述），值u可以用来估算可能存在的扭矩和摩阻值。

摩擦系数是外加力（由滑动所产生的）F和两接触面的法向力N之间的一个比值，如：

u=F/N

在钻井过程中，N是井壁有效作用力（见前面章节所述），F是扭矩或摩阻。

一个简单实例为：

在一口水平井中，钻具接头紧靠井壁，此时，法向力就是钻柱的重力，外加力是旋转钻具所加的扭转力。

摩擦系数与接触面和滑动速度无关，但决定于接触面的类型（包括粗糙度）和两接触面之间流体的性质。

同u有关的一些重要结论：

一个低u值是非常好的――u值越低，扭矩和摩阻就越小。

泥浆润滑性――油基泥浆的u值比水基泥浆低。

套管井与裸眼井――套管井比裸眼井所产生的摩擦更小（摩擦系数u小）。

地层类型――通常，在钻井作业中，硬砂岩比软页岩地层具有更高的摩擦系数。

泥浆类型

套管井

非套管井

油基泥浆

0.17

0.21

水基泥浆

0.24

0.29

缺省摩擦系数值

钻柱模拟模型

使用扭矩和摩阻模拟模型，可以对井内各种相互作用力进行更为准确地分析。

BP公司有它自己专用的扭矩和摩阻模型――钻柱模拟模型，作为DEAP数据库的一个工程上的应用，这种，模型是很有用的。

将最获取的油井的数据，输入钻柱模拟模型中，按一下按钮就可以进行钻柱分析。

BP的Sunbury公司可以为钻柱模拟模型的使用者给予指导，并提供课程培训（看一下扭矩结尾部分和摩阻段的相关章节，就会更明白一些）。

注意到：

在进行扭矩和摩阻分析时，对钻柱本身并没有什么限制，但是，对井内各种钻柱的分析，可能会起一定指导作用。

作为钻柱模拟模型的一个应用实例，在大位移井的第三开，WytchFarm公司使用了摩阻模拟来指导下95/8"套管。

如果实际与预测值出现了偏差，这就可能预先表明：

下套管存在有问题，然后就可以提醒司钻循环泥浆，直到大钩负荷达到预测值为止。

哥仑比亚钻井作业者已做到：

在钻台上，以每隔一连续段记录如下一些数据：

1、钻柱旋转时的重力――在正常循环而未接触井底情况下。

2、钻柱未接触井底时的扭矩――泥浆循环正常。

3、上提钻具时钻具悬重――在钻具没有旋转，但处于正常循环情况下。

4、下放遇阻时钻具悬重――在钻具没有旋转，但处于正常循环时。

5、钻具在井底时的扭矩――在具有正常钻压和正常循环时。

所有这些数据都记录在司钻交班手册上，以保证所取得的这些资料能保存在井队班组里。

（5-6）

降低扭矩和摩阻的方法

井身结构设计

在井身结构设计中，为了尽可能减少扭矩和摩阻，因此，必须尽可能减少钻具与井壁作用力。

由于作用在钻柱上的张力在地面总是最大（这种、张力可能引起如上述的这种与井壁较大作用力），因此，降低与井壁作用力的方法就是要尽可能减少狗腿度（即造斜率），并且，在目的层段进行造斜时，井越深，该处钻柱的张力就越小。

通过钻具有切向角的井，可以取得一定效果，这个切向角应尽可能接近临界滑移角，以便使钻柱能在自身重力作用下自动滑移。

低造斜率

高张力

高造斜率

低张力

理想剖面

井身结构设计也是为了协调满足各方面需要，降低扭矩和摩阻也正是需要考虑的一个因素。

对常规井而言（低水垂比），下部井段的井深结构（这种井的造斜点较深）更好设计，因为对于这种井，可以得到一个更为接近于临界滑移角的切向角。

相对而言，对于增斜――稳斜型的井身结构，会产生更大的张力，因此，其扭矩和摩阻就更难降低了。

然而，在大位移井中（高水垂比值），由于造斜点较浅，因此，需要在切线段之内提供临界滑移角。

值得注意的是，在深井中，上部井段应打得尽可能的光滑，这对于减少因井眼不直所产生的扭矩的影响，是非常重要的。

过分使用导向钻具组合可能使井眼弯曲更为严重，在深井中，使用旋转钻具组合，效果却是很好的。

钻柱设计

扭矩和摩阻可以通过优化钻柱设计来得以降低，通过使用中小径和轻的钻杆，来降低钻具重量和所受张力。

在钻柱的上部，所使用的65/8"和51/2"钻杆强度越高，则该处的负荷就越小，使用塔式钻具就越有效。

井下钻具组合设计

对于井下钻具组合的设计，历来都是为了确保钻压能加在钻头上，而又不会使钻杆处于压缩状态，对于有过打水平井经验的人就会知道，在这种井中，钻杆中不可避免地存在压应力，因此，这些企图（指想把钻压加在钻头上，而又不使钻杆受压）就显得过于保守。

在大位移水平井中，对井下钻具组合进行设计，其目的是为了便于定向控制和降低钻具重量，而利用一个扭矩和摩阻模型（例如钻柱模拟模型），就可以用来分析钻具可能出现的变形，以及将会产生的后果。

泥浆设计

正如前面所提到的那样，泥浆的类型对扭矩和摩阻会产生重要的影响。

为了降低扭矩和摩阻，所设计的泥浆性能必须能满足井眼稳定、清洁及其润滑的需要。

对于井眼的稳定性和井眼的清洁问题，在本手册的其它地方已涉及到了（在页岩问题部分，井眼稳定性部分和井眼净化部分），在这儿，我们只考虑泥浆的润滑性。

泥浆的润滑性可以在具有试验设备的实验室中进行评价，实验尽量都是在井场环境下进行的。

虽然所测得的摩阻系数存在一定程度的误差，然而，它却表明了某些趋势，因此，这对于筛选泥浆润滑剂，比较各种泥浆体系，却是一套有用的方法，当把这种评价方法同实际油井数据联系起来，就显得非常有用了。

水基泥浆

通常，摩擦系数由所钻地层的类型来决定。

对于水基泥浆，可能由于抑制剂性能较差，在引起页岩软化的同时，可能会出现摩擦系数变小的现象。

然而，对于一个相似的泥浆体系，在硬砂岩等地层，可能会发现摩擦系数值较大。

当用重晶石对泥浆进行加重时，重晶石会提高泥浆润滑性，这可能是由于一个软的支撑层改变了接触面的性质，如前所述，对于比重大约为1.2--1.3sg的重晶石，它有助于减少摩擦系数。

在水基泥浆中，聚合物（已部分水解）可以改善泥浆对润滑性，而部分水解聚丙烯酰胺（PHPA）可减少摩擦。

金属与金属之间的接触，比金属与岩石之间接触所产生的摩擦系数更小（套管井比裸眼井摩擦系数小）。

各种润滑剂对水基泥浆体系来说都是有效的。

这些，在BP公司都已进行过系统的评价，在减少摩擦系数这个问题上，评价结果表明，各种润滑剂有其各自的特点。

在低比重泥浆体系中，它们都是很有效的，然而，在高比重泥浆体系中，润滑剂所起的作用就不那么明显了。

油基泥浆

不论在实验室还是在现场，油基泥浆体系所表现出的摩擦系数值都比水基泥浆体系低。

由于油自身具有成膜能力，因此，对于水来说，油实质上是一种更好的润滑剂。

然而，在油基泥浆体系中，由于存在较强的表面活性剂束，因此，这也可能对润滑性起促进作用。

对油基泥浆体系而言，重晶石对于改善泥浆润滑性，其效果并不那么明显，但油与水的比率，对润滑性的影响却是非常显著的，随着油基泥浆中含水量的增加，润滑性会降低。

对于金属与金属，金属与砂岩之间的接触而言，在实验室中所测得的摩擦系数值是具有一定可参照性的。

我们发现，对于水基泥浆，套管井比裸眼井的摩擦系数小。

在某些新合成的油基泥浆体系中，其润滑性比用原油配制的泥浆润滑性好。

到目前为止，在油基泥浆体系中，基本上没有使用润滑剂，由于考虑到油基泥浆润滑剂具有良好的润滑作用，因此，相比之下，在油基泥浆体系中，泥浆的润滑作用就显得不那么明显了，而固体润滑剂（如石墨粉和润滑小球（见下述））的润滑作用就非常好。

物理方法

润滑小球

润滑小球（其功能就象球轴承一样的小玻璃球）是一种经济而有效的润滑剂产品，通过试验，已经成功地将扭矩减少了20%。

然而，这种小球通过固控设备时，可能存在一个被清除的问题。

为了解决这个问题，这种产品只是在高扭矩的地方进行选择性使用。

钻杆涂层

为了减少金属与金属间的摩擦系数，已经做了一些工作来研究在金属表面加涂层的方法。

同时，为了减少套管的磨损，也做过在钻杆接头处加环形加硬圈的试验，由于在钻井过程中，涉及到一些超常作用力，因此，要保持涂层的完整性，仍然还存在有困难。

钻杆护箍

在许多大位移井中，非旋转钻杆护箍可以将扭矩减少30%，虽然正在开发其它类型的工具，但是，目前所用的工具都是西方油井工具――非旋转扶正器。

然而，使用这些工具时也存在许多负面影响因素：

环空压耗增加（每个工具压耗达到2Psi---引用挪威资料）

滑移的可能性减小

持续使用仍会带来一些问题

这些工具的使用对套管井有一定限制

有效成本和安装、拆除时间增加

因此，在使用钻杆护箍时，应考虑在高井壁作用力区使用情况，从而达到优化钻井的目的。

为了确定出所使用的每种工具的较优位置和数量，可使用钻柱模拟模型来计算井壁作用力的大小，从而可确定出上述参数。

轴承接头

在钻杆护箍不合适的裸眼井中，可以使用轴承接头。

在密勒（Miller）油田，DBS轴承接头试验已取得了成功。

然而，在高井斜角的井中，带有轴承接头的钻具滑移时可能会受阻，同时，还必须考虑到制造该种轴承的时间以及成本问题。