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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。
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