大位移井钻柱振动的力学分析模型

大偏移距水平井轨迹设计方法研究

摘要：随着钻井技术特别是大偏移距水平井的不断发展，钻井的难度也不断增加，对钻井过程中的力学分析和计算要求越来越高。由于大偏移距水平井需大幅度扭方位作业，加大了轨迹控制的难度，且钻具及套管受力较复杂，摩阻扭矩较大，水平段托压严重，易引发井下事故。针对大偏移距水平井轨迹设计难点，本文通过对大偏移距水平井的定义进行阐述，分析了该类水平井的轨迹设计方法，对今后钻井工程设计及现场施工有一定的指导意义。

关键字：大偏移距；油田；钻井；水平井；

大偏移距水平井的最大特点是水平位移大，裸眼段长，在斜井段的钻探过程中，不仅要增加井斜，还要对方位进行同步调整，极大地增加了钻柱和套管柱在井筒内的摩阻扭矩，严重制约了三维水平井的发展。基于工厂化平台钻井模式普遍应用，水平井井眼轨迹逐渐往大偏移距方向发展。一口井井眼轨迹的好坏很大程度上由井眼“狗腿”度决定。“狗腿”度对摩阻具有很大影响，主要是因为在弯曲井段管柱的刚度效应明显增强，钻柱与井壁间的接触力增大，导致摩阻也随之增大。

一、大偏移距水平井定义

三维水平井是指井口不在水平段方位线上的水平井，其井口到水平段方位线的垂直距离称为偏移距。偏移距大于200m的三维水平井称为大偏移距三维水平井，偏移距介于100~200m的三维水平井成为中偏移距三维水平井，偏移距小于100m的三维水平井称为小偏移距三维水平井。如图1所示，在水平投影图中，靶点A与靶点B构成的靶体与井口坐标O不共线，OD就是其偏移距。OA是水平段的靶前位移，是AD实际有效靶前位移，大偏移距三维水平井在现场施工过程中主要参考有效靶前距AD、偏移距OD及垂深对实钻剖面进行优化，φ是水平井的设计方位角，φA、φB分别是靶点A、靶点B的闭合方位，φD为先期定向方位角。

图1 带靶前位移的大偏移距水平井概念描述图

二、大偏移距水平井轨迹模型分析

1、大偏移距水平井几何评价模型

以往的水平井轨道设计优化及最优控制技术均是建立在数学或力学模型基础上，约束条件多、迭代次数多、计算复杂、无成形软件可供计算，对井眼轨迹实际可优化性及操作性不高。因此本文引入计算简洁、实用性强的三维无因次系数法这一几何模型来定量描述大偏移距水平井井眼轨迹的空间三维程度复杂形态，进而可以评价出不同模型优化下的轨迹剖面优劣。无因次系数值越大，三维水平井井眼轨迹三维程度越高，轨迹曲率越大；反之则越小。

三维大位移水平井庄海8Es

【摘要】在大位移井施工过程中，随着测深的增加，管柱与井壁之间的摩擦力限制了水平位移进一步延伸。当管柱在井内旋转时产生的摩阻扭矩会削减传递到钻头上的扭矩；甚至会超过钻杆或驱动系统的扭矩极限。进行摩阻扭矩分析是保证大位移井的实施必不可少的步骤。

【关键词】大位移井 摩阻 扭矩

庄海8es-h5井是大港油田实施的一口三维大位移水平井。该井水平位移4842m创中油集团最高记录；完井斜深5536m/垂深1536.99m，实际闭合位移4841.61m，水垂比3.15；采用三开井身结构（如表1所示）。

1 模型选择

现有的摩阻扭矩计算模型主要有3种：软模型、硬模型和有限元模型。庄海8es-h5大位移井摩阻扭矩计算中采用软模型，并考虑钻井液流变性带来的摩阻（钻井液流变性对计算结果影响较大，钻井液性能直接制约大位移井位移的延伸）。

软模型假设条件是：

（1）钻柱类似于一个软绳，刚性很小，可以忽略；

（2）刚性井壁，钻柱受井壁限制，与井眼轴线完全一致；

（3）忽略钻柱的局部形状，如钻杆接头、扶正器等对摩阻扭矩的影响，

（4）钻柱受力平衡时，忽略钻柱截面剪力的影响；

（5）忽略钻柱动态因素的影响。软模型虽然使用范围有限，但是计算过程简单，计算方法可靠。

将井眼中的钻柱看成软绳，看似不可理解，但对5536m的钻柱来说，只要井眼光滑，没有局部的严重狗腿，这种简化是合理的。在庄海8es-h5大位移井的设计中避免较大狗腿的出现，保证较小的井眼曲率；根据现场施工中实际摩阻的拟合情况，其摩阻扭矩预测结果是可接受的。

钻柱在井眼内的轴向摩擦力考虑钻井液粘滞阻力。粘滞阻力是起下钻和钻进时由于液力的影响而产生的阻力。钻井液粘滞力是钻井液在钻柱中均匀流动时产生的稳定力，而不考虑钻井液的加速度引起的变化的力。

2 载荷及扭矩

2.1 φ311.1mm井眼载荷及扭矩计算

由于井眼净化不干净，井内岩屑堆积以及地层因素影响，裸眼井段摩阻因数大于套管内实测的摩阻因数。摩擦系数分别按管内0.25、管外0.35；管内0.20、管外0.30两种情况选取，计算如下表2：

第三章 钻受力分析

3.1 作用在钻柱上的根本载荷

钻柱的受力状态与所选用的钻井方式有关，不同的位置上作用不同的载荷。概括起来，作用在钻柱上的根本载荷有以下几种：

〔1〕轴向力。处于悬挂状态下的钻柱，在自重作用下，由上到下均受拉力。最下端的拉力为零，井口处的拉力最大。在钻井液中钻柱将受到浮力的作用，浮力使钻柱受拉减小。起钻过程中，钻柱与井壁之间的摩擦力以及遇阻、遇卡，均会增大钻柱上的拉伸载荷。下钻时钻柱的承载情况与起钻时相反。循环系统在钻柱内及钻头水眼上所耗损的压力，也将使钻柱承受的拉力增大。钻铤以自重给钻头加钻压，造成钻柱下部处于压缩状态。

〔2〕径向挤压力。应用卡瓦进展起下钻作业时，由于卡瓦有一定的锥角，在钻柱上引起一定的挤压力。中途测试时，钻柱上也要承受管外液柱的挤压力。

〔3〕弯曲力矩。弯曲力矩的产生是因钻柱上有弯曲变形存在；引起钻校弯曲变形的主要因素是给定的钻压值超过了钻柱的临界值。在转盘钻井中，钻柱在离心力的作用下，亦会造成弯曲。由于钻柱在弯曲井眼内工作，也将产生弯曲。在弯曲状态，钻柱如绕自身轴线旋转，那么会产生交变的弯曲应力。

〔4〕离心力。钻柱在钻压的作用下会产生弯曲，在一定的条件下，弯曲钻柱会围绕井眼中心线旋转而产生离心力，促使钻柱更加弯曲。

〔5〕扭矩。钻头破碎岩石的功率是由转盘通过方钻杆传递给钻柱的。出于钻柱与井壁和钻井液有摩擦阻力，因此钻柱所承受的扭矩井口比井底大。但在使用井底动力钻具〔涡轮钻具、迪纳钻具等〕时，作用在钻柱上的反扭矩，井底大于井口。

〔6〕振动载荷。使钻柱产生振动的干扰力也是作用在钻柱的重要载荷〔图 2-1〕。在钻井过程中，用钻柱将钻头送至井眼底部并向钻头传递动力，靠钻头的牙齿、切削刃和射流破碎岩石形成井筒；通过钻柱中心的圆管向井下传递高压钻井液，靠钻井液的流动把岩石碎屑携至地面并从钻井液中除掉岩屑。为了控制井眼钻进的方向，靠近钻头的一段钻柱外径和抗弯刚度较大，并在一定位置上安放一定规格的稳定器，下部钻柱只有稳定器和钻头接触井壁，钻柱本体那么不与井壁接触。由于钻头牙齿连续地与地层接触或岩石的间歇破碎，导致钻头并带动钻柱振动。钻柱振动按形式分为纵向振动、改变振动和横向振动三类[13]。

第十章 大位移井技术

第一节 大位移井意义及挑战

一．大位移井定义

大位移井即水平位移与垂深之比大于或等于2的，或者水平位移超过3000m的井。但在深水井中概念稍许变化，称为深水大位移井，但其水垂比不能沿用常规大位移井大于或等于2的概念。

二．大位移井的历史

目前世界记录是BP公司在Wytch农场钻的M16井：总井深=11，277m，水平位移=10，727m，TVD=1636m，水垂比=6.55；海上水平位移最大记录：澳大利亚的Goodwyn A18井：水平位移=8，306m，总井深=9，277m；国内西江24-3-A14井 总井深=9，238m，TVD=2，985m，水平位移=8，062.7m，水垂比=2.7。

三．大位移井的主要作用

1）水平位移大，能较大范围控制含油面积，开发相同面积的油田可以大量减少海上钻井平台的数量；

2）省建人工岛和固定平台的费用；

3）大位移井勘探开发近海油田，距海岸10km左右近海油田，均可从陆地用大位移井勘探开发；

4）用大位移井代替海底井，不用海底设备，节省大量投资；

四．钻大位移井的技术挑战

1）井眼清洁；

2）高摩阻扭矩，需要高抗扭抗拉和耐压钻杆；

3）大斜度长裸眼稳斜段，套管的安全顺利下入；

4）平台设备能力配套与常规井差别，常规超深井考虑钻机的动力和提升载荷能力，而大位移井侧重考虑水力和顶驱输送扭矩能力；

5）井斜大，裸眼段长，井眼侵泡周期时间长，影响井壁稳定性；

6）普通井的经验很多不适合大位移井，大位移井一旦出现失误，惩罚比普通井严重；

7）储层埋藏深度不确定性和仪器精度误差对钻井轨迹调整影响；

8）钻杆伸缩性大，在接近完钻深度只能单根钻，对复杂情况处理活动空间小。

第二节 大位移井井眼清洁

井眼清洁在大位移井中是个很关键的因素，制约大位移井延伸能力。斜井清洁跟直井区别很大，至少需要比直井很长的循环周时间，而且在程序方法处理上也大大不同，随着井斜的增加，井眼清洁难度加大，岩屑上返更加困难，需要循环时间更长。