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大斜度井段钻井扭矩分析及控制策略摘要：近年来，在国际上摩阻/扭矩问题的研究仍然受到重视影响摩阻/扭矩的 因素按可预测的准确程度可以分为定量因素和定性因素目前，可以定量计算的 因素为重力、摩阻系数、测斜数据和钻柱变形;而只能定性分析的因素为岩屑床厚 度、井眼缩径与坍塌、棵眼井璧岩石的力学性质、泥饼厚度和压差等本文系统 地阐述影响摩阻/扭矩的因素、预测方法和可采用的控制技术措施最后，给出一 个工程应用实例关键词：大斜度井；摩阻/扭矩；定量因素；定性因素；控制措施大斜度井是最大井斜角超过55°的定向井,其长稳斜井段的安全高效钻进具有 重要的经济价值较准确地掌握该井段钻井作业的摩阻/扭矩规律是安全高效钻进 的重要前提之--,例如，能较好地解释加不上钻压（俗称托压）的原因;钻井摩阻/扭矩对 断钻具事故的预报具有指导作用摩阻是斜井中钻柱轴向力的重要组成部分，对比 实际状态和理想状态（即零摩阻状态）的轴向力，它们之差即为摩阻扭矩是使下部 钻柱转动而需要施加的力矩，钻柱上任--点离钻头越远，则承受的扭矩越大因此， 摩阻/扭矩要通过计算钻柱轴向力得到1摩阻/扭矩的影响因素分析1.1重力与摩阻系数在正常条件下，钻柱承受的重力与摩阻是产生其轴向力/扭矩的内因。

为了建 立计算三维井眼中钻柱轴向力的通用模型，首先考虑两井眼轨迹测点之间的一个钻 柱单元，建立轴向力和与其相关的因素之间的关系式在推导过程中，假设:①钻 柱单元的曲率为常数;②钻柱轴线和井眼轴线重合，此假设隐含钻柱单元的曲率和 井眼曲率相同;③两测点之间的井眼轨迹位于一个空间平面内;④钻柱的弯曲变形 仍在弹性范围之内在上述假设的基础上,经过推导与合理简化，可得： （1）式中，为钻柱单元上端的轴向力,N;为钻柱单元下端的轴向力,N;为单位长度 钻柱在钻井液中的重量,N/m;为平均井斜角,rad;为轴向的摩擦系数或摩阻系数， 无量纲;为由钻具.重量轴向力、井眼弯曲、钻柱弯曲和屈曲等产生的正压力,N/m; 为钻柱单元的长度,m当钻柱提离井底并转动时，转盘扭矩由钻柱和井壁之间的摩阻产生当旋转钻 进时，转盘扭矩由钻柱井壁间摩阻和钻头扭矩共同产生扭矩的计算步骤和轴向 力类似，计算过程中要先计算轴向力和正压力，然后再计算扭矩，单元上端的扭矩 由下式计算:（2）式中，为单元上端的扭矩,N•m;为单元下端的扭矩,N.m;为钻具外壁圆周切向的 摩擦系数或摩阻系数，无量纲;为钻柱接头的外径，m1.2井眼几何形态井眼几何形态对钻井作业中摩阻/扭矩有着重要的影响，通常以摩阻/扭矩最小 为约束条件最优化井眼轨道设计,可选用的轨道类型包括常规三段制、悬链线、二 次抛物线、双增剖面等。

如果实钻井眼轨迹偏离了设计方案,那么就会直接影响到 钻柱与井壁的接触状态，并造成摩阻系数的增大，进而导致钻井作业的摩阻/扭矩的 增加井眼弯曲程度越高，则摩阻/扭矩越大1.3裸眼井壁岩石的力学性质当井眼直径小于钻具接头时，即使差值（或过盈量）很小，比如0.1mm,也会产生很 大的阻力，比如大于100kN/m,而该阻力的具体大小与下述因素有关，钻具接头外径、 壁厚、弹性模量和泊松比，井眼直径，以及裸眼井壁岩石的弹性模量和泊松比钻 具接头的弹性模量和泊松比可以看作常数，如果其它条件相同，则壁厚越大，产生的 阻力越大棵眼井壁岩石的弹性模量和泊松比越大，则产生的阻力越大井眼直径 越小，则产生的阻力也越大1.4岩屑床厚度、井眼缩径与坍塌岩屑床极易形成于井斜角在30°~60的井段，2000年江苏石油勘探局安徽石 油勘探开发公司的统计资料表明,由于井眼净化程度差，发生在井斜角大于30°井段 的复杂情况和卡钻事故处理时间占建井完井总时间的3.43%~11.67%岩屑床的存 在减少了井眼的通径，岩屑床厚度越大，则井眼通径越小井眼缩径直接减少井眼 的通径坍塌造成井眼不规则，在井眼扩大位置，钻井液流速降低,结果是岩屑容 易在该处堆积，从而减少井眼的通径。

通径过小非常容易引起卡钻事故1.5泥饼厚度与压差压差是指井内压力与地层孔隙压力之间的差值钻进中钻遇异常高压地层时， 通常需要较大幅度地提高钻井液密度,由于钻井液液柱压力的作用，钻柱受到的摩 阻/扭矩会明显增大因此在钻井设计中必须考虑到钻井液性能参数及其变化对摩 阻/扭矩的影响,并根据不同情况进行计算和修正2摩阻/扭矩预测与摩阻/扭矩预测相关的工作包括收集邻井的现场数据,以上述数据为基础进 行摩阻系数反演,并将反演所得的摩阻系数与定性分析结论应用于设计井的摩阻/ 扭矩预测2.1现场数据收集与钻井作业摩阻/扭矩的分析、预测与控制密切相关，因而需要尽可能取全取 准的现场数据包括:①测斜数据（井深，井斜角，方位角）;②管柱组成（管径，接头外径， 壁厚,线密度，段长）;③井径（井深，井径）;④起下钻（包括短起下）过程大钩载荷实测 值（大钩载荷，井深）;⑤旋转钻进（包括划眼和倒划眼）过程转盘扭矩实测值（转盘扭矩， 井深以⑥旋转钻进过程（包括划眼和倒划眼）大钩载荷实测值（大钩载荷，井深）;⑦旋 转钻进过程（包括划眼和倒划眼）钻压实测值（钻压，井深）;⑧滑动钻进过程大钩载荷 实测值（大钩载荷，井深）;⑨滑动钻进过程钻压实测值（钻压，井深）;①钻井液性能，岩 性及故障提示。

2.2轴向力/扭矩计算方法在计算轴向力/扭矩之前，需要先进行实际或设计井眼轴线的计算，其计算方法 有二十多种，常用的有平衡正切法、平均角法、圆柱螺线法和最小曲率法本文以 适合井眼轨迹参数计算的最小曲率法为前提，提出了计算三维井眼中钻柱轴向力/ 扭矩的通用计算模型，它既适用于计算实钻井眼中钻柱的轴向力/扭矩，同样也适用 于根据设计井眼轨道计算钻柱的轴向力/扭矩其主要计算过程是，从钻柱的下端 即钻头位置开始,一一个单元接一个单元地计算单元上端的轴向力/扭矩，直到大钩， 则最终得到整个钻柱的轴向力/扭矩沿井深方向的分布，其中离钻柱下端最远处的 轴向力/扭矩就是大钩载荷/钻盘扭矩的计算值2.3摩阻系数反演所谓摩阻系数反演是指从实测大钩载荷/钻盘扭矩出发，通过数值分析中的迭 代计算方法，最终得到摩阻系数的过程本文采用二分法计算摩阻系数，并以上提 钻柱为例说明其基本计算过程,而其它工况的摩阻系数计算方法类似已知上提钻 柱的大钩载荷为Fh,而钻头处轴向力为0,通常摩阻系数即的取值范围为0.12~0.35,允许误差限E0.01则计算步骤如下:①令四=0.12用2=0.35;②队=(即 +^2)/2,计算大钩载荷F,如果F.E.,则 转到第②步，否则A即为所求，结束计算。

得到的摩阻系数可以应用于类似钻井作 业的摩阻/扭矩预测另外，此处计算中采用的是实测井眼轨迹数据，当然也可以采 用设计井眼轨道数据，对比两种情况下所得的摩阻系数，可以判断井眼轨迹控制质 量，偏离越大，则说明实钻井眼轨迹偏离设计井眼轨道越多,显然这对将来的摩阻/扭 矩预测也是有指导作用的 2.4摩阻/扭矩预测所谓摩阻/扭矩预测是指在开钻之前，从选定的摩阻系数出发计算钻柱轴向力 (大钩载荷)/扭矩(转盘扭矩)以及它们随井深或下深变化规律的过程此处所用的 计算方法就是轴向力/扭矩的计算方法，不需要迭代计算与摩阻系数反演不同，此 处计算中只能采用设计井眼轨道数据计算结果需要根据经验进行修正之后，比如 用井眼弯曲指数进行修正，才能用于指导现场施工3摩阻/扭矩控制摩阻/扭矩的影响因素分析及其预测的终极目.的是指导选用合适的控制措施 在保证安全和节约开支的原则下，最优化轨道设计方案,适当控制钻井液性能，安装 减扭接头与清除岩屑床接头，使用合适的钻头、钻杆与底部钻具组合，以及采取合 适的作业措施，就能够有效地控制摩阻/扭矩4工程应用实例在预防由于钻柱粘卡产生的异常摩阻方面，采用了防粘卡稳斜导向钻具组合，即 "钻头+单弯螺杆+短钻铤(1.5~2.5m)+欠尺寸稳定器+无磁钻铤1根+加重钻杆"是在 过去常规定向钻具组合中增加一根短钻铤和一个欠尺寸稳定器，这一-创新起到了 防粘卡和稳斜的作用，特别是在大斜度长稳斜段定向井中，配合高效能PDC钻头和 大功率螺杆钻具能一次性完成造斜、稳斜、纠方位等作业，实现滑动钻井与旋转钻 井相结合的钻井方式，发挥了导向钻井的重要作用，大幅度提高了机械钻速，减少了 起下钻次数，降低了工人劳动强度，缩短了钻井周期，最终节约了钻井成本。

参考文献[1] 张文华，胡国清,桑路等.钻进扭矩与摩阻分析及减扭措施.石油钻探技 术,2018,29(4):22-24.[2] 魏宏安，张武辇,唐海雄.超大水垂比大位移井钻井技术.石油钻采工 艺,2015,27(1):1-5,8.。