梁奇敏， 楊永剛， 何俊才， 張 翼

(1中國石油勘探開發(fā)研究院 2中國地質大學·北京 3長慶油田分公司第三采油廠 4大慶鉆探工程公司鉆井二公司 5中國石油大學(華東)石油工程學院)

大位移井技術已基本成為開發(fā)灘海和海上油氣資源的最重要手段[1-5]。井下摩阻和扭矩是大位移井設計與施工的兩個關鍵因素，因而利用Friction Factor計算鉆進和下套管時的摩阻和扭矩受到廣泛重視[6-10]。但是許多技術人員把Friction factor直譯為“摩阻系數(shù)”，有人直譯為“摩擦系數(shù)”，造成了概念上的混淆，不利于對摩阻和扭矩的分析、計算和研究。如在《海洋鉆井手冊》中提到的“摩阻系數(shù)經(jīng)驗參考值”[11]，而同樣的數(shù)據(jù)表在《SY/T 6963-2013大位移井鉆井設計指南》中則稱為“摩擦系數(shù)經(jīng)驗參考值”[12]。為此，筆者對這兩個概念進行了探討，以明確概念，并闡述了摩阻系數(shù)的確定方法及常用的減摩手段，使之有利于今后大位移鉆井更好發(fā)展。

一、兩個特殊系數(shù)的意義

1. 摩擦系數(shù)

摩擦系數(shù)是指兩個相互接觸的物體表面間的摩擦力和作用在其表面上的垂直力之比值。依運動的性質，它可分為動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)。在大位移井中，當管柱和接觸面無相對運動時(如接單根、粘卡解卡時)用到的是靜摩擦系數(shù)；當管柱和接觸面有相對運動時(如起下鉆、鉆進、下套管時)用到的是滑動摩擦系數(shù)，是兩物體相互接觸并發(fā)生相對滑動時產(chǎn)生的滑動摩擦力和接觸正壓力的比值。相同條件下，動摩擦系數(shù)小于靜摩擦系數(shù)?；瑒幽Σ料禂?shù)由材料性質和界面狀況等而定，而和接觸面積的大小無關；在大位移鉆井中由鉆桿、套管、地層的巖石性質，鉆井液的潤滑性能決定。

2. 摩阻系數(shù)

大位移井鉆進過程中的摩阻是指鉆具總浮重減去鉤載再減去鉆頭有效鉆壓的值，起下鉆時的摩阻是指鉆具總浮重和鉤載的差值。由于實鉆井眼并不是一條理想的滑順、等徑曲線，自然會導致某些井段會因擴徑形成“小肚子”或因狗腿度變化而形成微小“鍵槽”，某些井段由于井眼不清潔會形成砂橋和巖屑床，鉆柱的接箍在通過這些井段時會產(chǎn)生所謂的“附加阻力”。這樣，導致摩阻不只是摩擦力，還包含這些復雜多變的“附加阻力”。顯然，對應的摩阻系數(shù)是摩擦系數(shù)和“附加阻力”引起的等效摩擦系數(shù)之和，比摩擦系數(shù)大。

二、摩阻系數(shù)的確定方法

對于確定的井身結構、井眼軌跡、鉆井液性能和鉆具組合，整個管柱的摩阻是其與裸眼井壁、套管內壁的摩擦力以及各方面“附加摩阻”之和，在數(shù)值上等于鉆柱總重量減去鉤載，再減去鉆頭處的有效鉆壓(非鉆進時候鉆壓為0)。如果忽略接頭、扶正器等組件的影響，忽略管柱的動力效應影響，并假設其與剛性井壁的井眼軸線一致，可以得到簡化的摩阻扭矩軟桿模型。在理想井眼軌跡曲線上任一弧長為dl的微元段，單元受力分析見圖1。就得到了單元軸向力和摩阻計算的經(jīng)典公式[13]：

Ti+1=Ti+(Wgdlcosα±μNi)

(1)

Mi+ 1=Mi±μNir

(2)

(3)

F=±μNi

(4)

式中：Ti+1，Ti—第i鉆柱單元上端、下端的軸向應力；Mi+1，Mi—第i鉆柱單元上端、下端的扭矩；Ni—第i鉆柱單元與井壁的接觸正應力；Wg—單位長度鉆柱浮重；μ—滑動摩擦系數(shù)；r—鉆柱單元半徑；F—摩擦阻力；α，Δα，Δφ—平均井斜角、井斜角增量和方位角增量。

圖1 鉆柱微元段單元受力圖

沿著整個管柱不同位置處的摩阻系數(shù)不同，所以摩阻計算非常復雜，而且很難計算準確。

目前常用的確定摩阻系數(shù)方法是利用現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)反演，具體如下[14-15]：①以每個立柱為單元，在某一深度處接立柱時記錄上提、下放、提離井底旋轉鉆具時的大鉤載荷，以及復合鉆進和提離井底旋轉扭矩值，得到不同工況下鉤載和扭矩隨深度變化的實際曲線；②在套管段和裸眼段分別取不同的摩阻系數(shù)，分別計算上述不同記錄點深度處上提、下放鉆具的大鉤載荷和旋轉鉆進扭矩，得到不同工況下鉤載及扭矩隨深度變化的計算曲線；③將不同深度處的實際曲線與理論計算曲線對比，并修正計算所用的摩阻系數(shù)，直到不同工況下的計算曲線和實際曲線大致吻合時，就認為計算所用的套管內和裸眼中的平均摩阻系數(shù)值就是管柱實際摩阻系數(shù)。記錄的數(shù)據(jù)組數(shù)越多，利用反演方法得到的摩阻系數(shù)平均值越符合實際。如果有條件時連續(xù)記錄每次接立柱時的鉤載及接立柱后旋轉鉆進時的扭矩值最好。

三、摩阻系數(shù)的控制

1. 鉆進時摩阻系數(shù)的控制

1.1 旋轉導向系統(tǒng)

在軌道設計方面，選取合理的狗腿度，避免起下鉆過程中形成較大的鍵槽[16]。螺桿鉆具普及后，大位移井中都會采用常規(guī)導向鉆井系統(tǒng)，在不需要調整軌跡時用旋轉鉆進，在需要調整軌跡時就滑動鉆進，而在滑動鉆進時很容易出現(xiàn)“托壓”現(xiàn)象。目前越來越多地采用旋轉導向鉆井系統(tǒng)，這種鉆井方式可以徹底拋棄滑動鉆進模式，將鉆柱與井壁間的近似靜摩擦轉變?yōu)榛瑒幽Σ?，摩阻顯著減小，而且比螺桿導向鉆具組合鉆出的井眼更光滑[17]。

1.2 減摩工具

大位移井的主要特點是井斜角較大，穩(wěn)斜段長，大部分鉆壓損失在克服井壁摩阻上，產(chǎn)生托壓現(xiàn)象，降低了鉆探效率，因此減阻工具應運而生[18]，尤其在國外更是把減摩工具作為大位移井的主要手段。水力振蕩器就是利用這一機理設計的一種工具，將滑動鉆進時鉆具與井壁之間的靜摩阻轉變?yōu)閯幽ψ瑁沟没瑒鱼@進中鉆具與井壁間的摩阻明顯降低，減少鉆具托壓現(xiàn)象[19]。此外，水力加壓器也可以達到類似的效果。研究表明，一般靜摩擦因數(shù)比動摩擦因數(shù)大25%左右。

1.3 鉆井液性能

在控制大位移井摩阻的問題上，目前國內把重點放在鉆井液的減摩潤滑及其輔助技術上。現(xiàn)場主要使用液體(油基為主)和固體(石墨、塑料小球或玻璃小球)兩類潤滑材料，但有MWD或者LWD工具時不適合使用固體潤滑劑[20-21]。據(jù)文獻[22]報道，采用優(yōu)質潤滑劑進行一次比較成功的潤滑處理，可以使鉆柱摩阻降低10～20 t，摩擦系數(shù)降低60%。

1.4 工藝措施

施工時，盡量保證井眼光滑，減小附加摩阻。杜絕長時間在一個地方開泵循環(huán)，避免沖刷出“大肚子”，從而在起下鉆的過程中扶正器等外徑較大的接頭通過“大肚子”時產(chǎn)生較大摩阻。

2. 下套管時摩阻系數(shù)的控制

2.1 下套管前的反復通井

在下套管前必須通井，徹底修整井壁和破壞巖屑床，盡量降低“鍵槽”、“臺階”、“縮徑”等引起的附加阻力。如果直接下入帶有多個扶正器的通井鉆具組合有卡鉆風險，就先用“單扶”通井鉆具組合通井，然后下入“雙扶”組合通井，再下入“三扶”組合通井，直到用剛性與下入套管串剛性類似的通井鉆具組合通井暢通后再下入套管。

2.2 滾輪扶正器

在套管串上安裝套管扶正器，在套管下入過程中，尤其當套管進入斜井段時，一方面使大段套管本體不緊貼井眼低邊，摩擦面積大大減少；另一方面，由于滾柱的滾動，使常規(guī)下套管時的滑動摩擦轉變?yōu)闈L動摩擦，從而大大減少套管與井壁之間的摩擦阻力，使套管順利下入[23]。常見的扶正器類型有普通剛性扶正器、滾輪扶正器、螺旋滾輪扶正器。一般情況下，?244.5 mm套管使用?305 mm的滾輪剛性扶正器，分別加在井底3只滾輪扶正器，彎曲段每3根套管加1只，上層套管鞋處加2只滾輪扶正器，在井口以下套管重疊段加2只剛性的即可。

2.3 漂浮下套管

在套管串中安放漂浮接箍，漂浮接箍以下的套管內是空的或輕質鉆井液，從而減小對井壁的正壓力。這是大位移井下套管中非常有效的一種技術，但在下套管過程中不能循環(huán)鉆井液[24]。其中漂浮接箍的位置需要仔細計算，其理想的位置是在套管串下入摩阻模擬計算時首次出現(xiàn)鉤載為零的深度，如頂驅可以提供部分下壓重量克服套管浮力，可根據(jù)需要延遲漂浮接箍的安裝深度，但需要做好相關計算[12]；此外還要考慮套管的抗擠強度問題。

四、結論

(1)摩擦系數(shù)，是指鉆柱或套管串與井下套管內壁或裸眼地層之間的、以鉆井液作為界面的一個系數(shù)，分為動摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)。

(2)摩阻系數(shù)是一個綜合性系數(shù)，它包含摩擦系數(shù)和所有附加阻力引起的等效摩擦系數(shù)，比摩擦系數(shù)大。在鉆進或者下套管的摩阻計算時，應采用摩阻系數(shù)而非摩擦系數(shù)。

(3)摩阻系數(shù)受井眼狀況等多方面因素影響，在管柱的不同位置不同，非常復雜且難以確定，通常用實測反算確定摩阻系數(shù)。

(4)總結了目前大位移井中鉆進時常用的降低摩阻系數(shù)的手段，包括采用旋轉導向工具，減摩工具，優(yōu)化鉆井液性能，保證合理的工藝措施等；下套管時主要是反復通井保持井眼通暢，合理使用套管扶正器和漂浮下套管。