定向井水平井摩阻控制与优化处理

鄢达夫

（大庆钻探工程公司钻井四公司，吉林 松原 138000）

在定向井的实际开发过程中，受技术原理以及开发需求决定，钻头行进过程中经常会出现倾斜角，在重力的作用下钻头等相关设备相互之间会出现摩擦阻力，这个摩擦阻力也被称为定向井和水平井之间的摩擦阻力。摩阻的出现会导致钻井压力无法顺利通过钻柱传递至钻头上，导致托压问题的出现，托压现象会严重降低钻井效率，严重时会造成钻头无法前进，也会加速设备磨损产生诸多安全风险隐患。导致钻井效率降低钻井成本增加。如何降低摩阻产生，减缓托压现象的产生已经成为定向井钻井发展所必须面对以及可克服的问题。

针对此类问题，国内外学者经过大量的理论以及实践研究，相继推出了多种降低摩阻的工具，如声波减摩技术、液压缸减摩器、粒子脉冲射流钻井工具等等，上述工具以及在技术原理角度可以有效减少摩擦阻力的产生，从而降低托压现象的发生概率，但在生产应用中，此类工具在井下恶劣复杂环境下稳定性较差，不能起到预期的降摩作用，仍需要进一步的研究和完善。

1 定向井概述

定向井是在钻井过程中钻头的行进路线是预定路线，有着固定的井眼轨迹。根据实际的地面情况以及工程需求，井眼轨迹可能存在井斜以及方位角的变化，从而实现对地面各类工程限制情况的规避以及海上钻井工况。我国最早与20 世纪30 年代初期引入了定向井钻井技术并逐步完善成熟。目前定向井井眼轨迹类型较多，但其中J、S、连续增斜三种类型最为普及。

2 摩阻的产生原因以及影响因素分析

2.1 井斜对摩阻的影响

根据钻井的实际需求，定向井的井眼轨迹存在一定的井斜，根据倾斜角度可以分为小斜度定向井、中斜度定向井、大斜度定向井三种类型。在定向井的钻井过程中由于井斜的存在，钻柱以及钻头在重力的作用下不能再保持平行位置，钻头会承受一个沿钻柱传递过来分力的作用。钻柱的另一个分力则作用于井壁上。

伴随井斜角度的不断增加，作用于钻头的轴向分力将会不断减少，由于钻井过程中钻头主要依靠钻柱的重力作为钻压来源，因此钻头获得钻压明显减少。作用于井壁正压力会不断增加，钻柱与井壁之间的摩阻也会不断上升。

所钻井的狗腿度大小对摩阻的影响也是非常大的，因为钻具本身，特别是钻铤的刚度与井眼狗腿度不适应，因此会增加施工摩阻。钻具的刚度、井眼狗腿度与摩阻之间的关系为钻具刚度越强、井眼曲率越大，钻井施工的摩阻就越大。

2.2 井身质量对摩阻影响

受地层特点以及钻井技术原理决定，定向井在钻进过程中受到岩层的可钻性以及各项异性等因素决定，会出现不同程度的井斜以及方位角变化，因此定向井虽然是预定的钻井轨迹，但在钻进过程中由于受到各种因素的影响，在井眼轨迹控制上不可能像设计的井眼轨迹那样平滑，因此就会有螺旋井眼的出现。而螺旋井眼是导致井眼质量变差的重要原因。螺旋井眼在形成过程中会产生大量的岩屑，在井壁与钻柱之间堆积造成了钻柱摩阻的增加。此外，在出现螺旋井眼后为了确保钻头的顺利行进以及岩屑的排除，需要不定期地进行倒划眼作业，在实施倒划眼施工的时候钻头不可避免地要对井眼低边的下井壁产生不同程度的刮屑，从而导致井壁出现滑槽继续下放管柱时容易产生机械卡阻，机械卡阻等同于摩擦阻力，导致钻柱摩擦阻力增加托压现象明显。

此外，狗腿情况以及井径的扩大系数也是井身质量的重要影响因素。其中狗腿情况受井斜角代销以及方位角的产生情况决定，如前文所述，钻井施工中的造斜率是影响井下施工摩阻的一个非常重要的因素，也就是说，如果施工的造斜率越高，那么刚性钻具与井壁之间的接触面积也就会越大，这样钻具无论是在静止，还是在旋转过程中与井壁之间的摩擦就会加剧，也就会产生较大的施工摩阻。大的施工摩阻不仅对井下安全有着影响，同时对定向施工也会产生影响，主要表现为钻具托压，所施加的钻压都加在井壁上，而不能施加到钻头上。

2.3 钻井液对摩阻的影响

钻井液是钻井工程中重要的介入物质，不同的钻井液有着不同的功能以及物理化学特征，钻井液对摩阻的影响与钻井液类型以及组成成分有直接关系。目前我国投产使用的钻井液类型众多，从理化形态角度可以分为普通钻井液、空气钻井液、泡沫钻井液、油基钻井液、润滑防塌钻井液等几种类型。不同钻井的理化参数差别较大，使用不同钻井液时产生的摩擦阻力也各不相同。

本文主要对钻井液对摩阻存在影响的参数进行讨论，如钻井液的密度、泥饼质量、粘度、切力等等。首先钻井液密度与摩阻力成正相关联系，当钻井液密度升高以后，钻柱在受到更大压差与井壁接触表面积增大，压力和接触面积同时上升的情况下摩阻也显著提高。泥饼的质量、厚度、失水性与摩阻成正相关联系，在泥饼的质量厚度以及失水性不断增加时，井壁的整体稳定性会不断下降，最终出现地层掉块，严重时可能出现坍塌的现象，造成了钻柱环形空间减少，钻柱在行进过程中与井壁接触机会以及面积均有所增加，造成了摩阻的增加。粘度决定切力，粘度低时切力下降钻井液的携砂能力也随之降低，导致大量的泥砂在井下沉积，导致管柱摩阻增加，上行困难。

2.4 钻柱性能对摩阻的影响

钻柱的各项基础参数也对钻井摩阻存在直接的影响，其中钻柱的刚度、连接长度、结构以及屈曲均对摩阻影响最大。

钻柱的刚度对摩阻的影响：钻柱的刚度越大，形变量就越小，形变体抗力也越强，在井斜区域的钻柱会产生更大的接触应力造成摩阻的增加。此外，刚度较强的钻柱在其下钻过程中，容易在井壁位置产生更多更深的键槽，也间接造成了摩阻的升高。

钻具总的长度对施工摩阻的影响：随着钻井深度的不断增加，钻具的总长度也不断地延长，钻具与井壁的接触面积就会不断增大，这样钻具与井壁的摩擦力就会增加，从而引起整个钻井施工摩阻的增加。

钻具组合中各种钻具多少对摩阻的影响：在整个钻具组成中，钻铤、扶正器、加重钻杆及钻杆都是不可缺少的，如果一个钻具组合中钻铤数量和扶正器的数量过多，那么这样与井壁的接触面积也就会增大，特别是在定向井、水平井中的斜井段，接触面积会更大，那么产生的摩阻也就会比较大。因此在定向井水平井中尽量要减少钻铤及扶正器的数量，以加重钻杆来代替钻铤，可以有效降低施工摩阻。

3 摩阻控制与优化技术分析

3.1 轴向水力震荡发生器

自1990 年代以来,国外大部分石油公司都在研究水力振荡器,其中最成功的当属美国国民油井华高公司(NOV)研制的轴向水力振荡发生器(Axial-oscillationGeneratorTool,AGT)又称为Ag-Itator7_K 力振荡器。AGTtR 水力振荡器主要由动力部分、阀门和轴承系统及配套的振动短节三大部分组成,其工作原理:钻井液流经水力振荡器动力部分驱使动转子转动,从而使其中的动阀片和静阀片周期性错开和重叠,阀门截面面积也周期性变化,这样就使得工具中的压力发生周期性变化而产生压力脉冲。当压力脉冲作用于心轴下端面,心轴在压力作用下向下方移动并压缩其中的碟簧,当压力脉冲消失后,碟簧释放弹力使心轴回复到初始位置。短节活塞在压力和弹力作用下在轴向上往复移动,也带动钻柱在轴向上往复运动,从而产生的轴向振动有效克服钻柱摩阻,保证了钻头上的有效钻压。是否需要配合振荡短节主要依据钻柱是刚性还是挠性,刚性钻柱则需要连接振荡短节,挠性钻柱则不需要。

3.2 降摩阻短节

降摩阻短节设备最早是由我国西安石油大学研究设计的，该装置利用水力脉冲原理克服一定的摩擦阻力。该装置主要由异径接头、格孔板、隔板、实心球、限定套等五部分组成。该装置以钻井液为媒介向井底发送水力脉冲，在脉冲的作用下减少钻杆与井壁的接触面积以及接触应力，从而降低钻井与井壁之间产生摩擦阻力。

3.3 滚动减摩阻技术

滚动减摩阻技术是通过将钻柱与井壁之间产生的滑动摩擦从而降低钻柱与井壁之间的摩擦系数最终降低摩阻。其中由wedtherford 公司设计研发的滚动减阻器应用最为广泛。Weatherford滚子减阻器是一个脱离钻井液体系的纯机械结构的降阻工具。装置由本体、接头、内衬套筒、外壳、滚轮四个部分构成。本体接头轴颈与套筒配合,轴颈与套筒上的滚轮接触达到减摩阻的效果,外壳上有高强度的轮子及锁销,设备外壳上有部分突出部件，支撑导轮与井壁接触，通过导轮滚动作用将钻杆与井壁接触的滑动摩擦转变为钻柱与井壁的滑动摩擦，从而极大地减少钻杆与井壁之间的摩阻。同时该设备四周按安装设计许多轴向滚轮，轴线滚轮可以在钻进的过程中进一步地转化钻杆产生的摩擦类型，降低轴向摩擦系数，从而进一步地达成了钻进过程中的摩阻大小。