C05 扭拘和摩阻.docx

1、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

2、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

3、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，

4、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

5、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

6、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

7、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0.170.21水基泥浆0.240.29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

8、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，Wytch Farm公司使用了摩阻模拟来指导下9 5/8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。

9、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，

10、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

11、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6 5/8和5 1/2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

12、）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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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。