CN110529099B - 静摩擦区累积静摩擦阻力计算方法、降低摩擦阻力方法 - Google Patents

静摩擦区累积静摩擦阻力计算方法、降低摩擦阻力方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法和降低扭摆滑动钻进钻杆摩擦阻力的方法。所述计算方法包括：确定钻头位置；确定地面扭摆作用长度和反扭矩作用长度；确定静摩擦区，静摩擦区不发生变化；计算钻井过程中各关节点在静摩擦区的累积静摩擦阻力。所述降低阻力的方法包括：在已作业井中根据上述计算方法得到各关节累积摩擦力；按照从大到小顺序将前n个累积摩擦力所对应关节点作为参考位置；根据参考位置，在相近待作业井所用钻杆上安装n个水力振荡器，以降低钻杆的摩擦阻力。本发明有益效果包括：方法简便，能够实现水力振荡器的精确、合理安装，能够避免静摩擦区托压严重问题。

Description

静摩擦区累积静摩擦阻力计算方法、降低摩擦阻力方法
技术领域
本发明涉及油气钻井(钻探)工程技术领域，更具体的是涉及一种扭摆滑动钻进钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法、以及一种降低扭摆滑动钻进钻杆摩擦阻力的方法。
背景技术
无论是直井、定向井还是水平井，钻进过程中钻柱与井壁之间的摩阻都是影响钻速的重要因素。由钻具组合与井壁摩擦所造成的额外扭矩与摩阻导致机械钻速低、工具面控制困难、单趟钻进尺很少、异常严重的钻柱和钻头磨损等，当累积摩擦力超过所施加钻压时就会出现托压现象，迫使管柱发生正旋弯曲或螺旋屈曲。对于定向井和水平井而言，高摩阻还会形成弯曲井眼，从而造成钻机钻达最大深度的能力降低，甚至会影响到油井产量。
实践表明，利用水力振荡器产生钻柱轴向或横向振荡，可有效降低滑动钻进钻具组合与井壁的摩擦力并有效改善钻压传递，提高滑动钻进速度与效果。应用水力振荡器，定向钻进效率能够得到大幅度提高，可以钻出更为平滑的井眼，而且单趟钻效率提高很多。
现有技术中，通过控制扭摆力可以在一定程度上降低滑动钻进的钻杆摩擦阻力，但地面扭摆作用长度和螺杆反扭矩作用长度有限，导致滑动钻进过程中钻杆存在一段静摩擦区，钻杆与井壁之间形成静摩擦力后，钻杆摩擦阻力将增大25％左右，严重影响扭矩、钻压等参数的传递，进而加大钻杆产生托压的风险，严重威胁钻柱扭摆滑动钻井速度及钻井效率，甚至还可能引起井下钻具损坏等井下事故。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法和降低扭摆滑动钻进钻杆摩擦阻力的方法，以为水力振荡器的安装提供指导。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法。所述方法可包括以下步骤：在钻井过程中确定钻头位置；计算出地面扭摆向下作用的零点位置和螺杆反扭矩向上作用的零点位置，进而确定地面扭摆作用长度和反扭矩作用长度；根据所述扭摆作用长度和反扭矩作用长度，确定钻柱不受地面扭矩和螺杆反扭矩影响的静摩擦区，并设定该静摩擦区不随着井眼轨迹的变化而变化；计算钻井过程中钻杆各关节点在静摩擦区的累积静摩擦阻力。
在本发明的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法的一个示例性实施例中，可用实测的方法确定钻头位置。
在本发明的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法的一个示例性实施例中，所述计算出地面扭摆向下作用的零点位置可包括：
利用管柱力学计算最大地面转盘扭矩所影响的钻柱长度，根据该长度得到地面扭摆向下作用的零点位置。
在本发明的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法的一个示例性实施例中，所述螺杆反扭矩向上作用的零点位置可包括：根据钻具组合中螺杆钻具的最大工作压差，计算输出的最大反扭矩和所影响的钻柱长度，得到反扭矩沿钻柱向上传输为零的位置。
在本发明的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法的一个示例性实施例中，所述各关节点为能够进入所述静摩擦区的各个钻杆接头。
在本发明的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法的一个示例性实施例中，每滑动钻进一个单位间距，就计算一次所述各关节点在静摩擦区的静摩擦阻力；钻井结束后，进行累加计算，并得到各关节点在静摩擦区的累积静摩擦阻力。
在本发明的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法的一个示例性实施例中，所述单位间距可根据实际情况来确定，例如0.5～10m。
在本发明的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法的一个示例性实施例中，所述计算各关节点在静摩擦区的静摩擦阻力的步骤可包括：基于实钻井眼轨迹、钻具组合、钻压、钻井液性能、钻井参数和机械钻速，采用管柱力学计算各关节点在静摩擦区的静摩擦阻力。
在本发明的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法的一个示例性实施例中，所述实钻井眼轨迹可由井深、井斜角和井斜方位角计算得到。
本发明另一方面提供了一种降低扭摆滑动钻进钻杆摩擦阻力的方法。所述方法可包括以下步骤：在已作业井中根据上述扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法得到各关节的累积摩擦力；按照从大到小的顺序排序，并将前n个累积摩擦力所对应的关节点作为参考位置，n≥1；根据所述参考位置，在相近的待作业井所用钻杆接头上安装n个水力振荡器，通过水力振荡器来降低钻杆的摩擦阻力。例如，可将待作业井钻柱上最接近参考位置的钻杆接头处作为水力振荡器的安装位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：方法简便，能够实现水力振荡器的精确、合理安装，能够避免滑动钻进时静摩擦区托压严重问题。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了滑动钻井钻杆摩擦力分布状态的一个示意图；
图2示出了本发明的降低扭摆滑动钻进钻杆摩擦阻力方法的一个流程示意图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的一种扭摆滑动钻进钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法和一种降低扭摆滑动钻进钻杆摩擦阻力的方法。
如图1所示，根据滑动钻井原理，地面扭矩向下作用范围存在零点和螺杆反扭矩向上作用范围存在零点，滑动钻进时井下钻柱摩擦力的分布状态可以划分为3个典型区间：地面扭摆作用区、静摩擦区、反扭矩作用区。
本发明通过分析钻头位置，计算地面扭摆作用长度和反扭矩作用长度，确定静摩擦作用长度，进一步得到各关节点的累积静摩擦阻力和最大累积静摩擦阻力关节点，从而可以为相近井水力振荡器的精确、合理安装提供指导。
本发明一方面提供了一种扭摆滑动钻进钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法。
在本发明的一个示例性实施例中，所述扭摆滑动钻进钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法可包括以下步骤：
S01：在钻井过程中确定钻头位置。
S02：计算出地面扭摆向下作用的零点位置和螺杆反扭矩向上作用的零点位置，进而确定地面扭摆作用长度和反扭矩作用长度。其中，可在钻头进入水平段和斜井段的时候进行该计算得到相应作用长度，例如井斜角＝15°的时候，这是一个预测值。
S03：根据所述扭摆作用长度和反扭矩作用长度，确定钻柱不受地面扭矩和螺杆反扭矩影响的静摩擦区，并设定该静摩擦区不随着井眼轨迹的变化而变化。
S04：计算钻井过程中各关节点在静摩擦区的累积静摩擦阻力。该步骤的计算的起始位置可以是从钻头进入水平段和斜井段的时候开始的，例如井斜角＝15°的时候开始计算。
本发明另一方面也提供了一种降低扭摆滑动钻进钻杆摩擦阻力的方法。
在本发明的降低扭摆滑动钻进钻杆摩擦阻力的一个示例性实施例中，所述方法可包括：
在已作业井中，根据上述扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法，计算出各关节的累积摩擦力。
S05：按照从大到小的顺序排序，并将前n个累积摩擦力所对应的关节点作为参考位置。n为≥1的整数。
S06：根据所述参考位置，在相近的待作业井所用的钻杆接头上安装n个水力振荡器，通过水力振荡器来降低钻杆的摩擦阻力。其中，相近应满足类似地质、相近区块和相同施工条件中的至少一种。
在本发明的降低扭摆滑动钻进钻杆摩擦阻力的一个示例性实施例中，如图2所示，所述降低扭摆滑动钻进钻杆摩擦阻力方法可包括以下步骤：
(1)确定钻头位置，将分析位置确定为容易托压的水平段和斜井段。其中，分析位置为指计算摩擦力的井段，本发明的摩擦力计算是从水平段和斜井段开始。在水平段和斜井段钻柱发生弯曲，钻柱受到重力的影响可能躺在井壁下方，从而与井壁之间形成更大的摩擦阻力，当钻柱的扭矩无法克服摩擦阻力，钻柱就停止运动，从而形成钻柱托压，因此分析水平段和斜井段的摩擦阻力更有意义。其中，可根据钻头位置来确定钻杆长度，知道钻柱长度，就可计算出扭矩沿钻柱的传递长度，进而确定步骤(2)中的扭矩零点位置(即下述的两个零点位置)。
(2)计算地面扭摆向下作用的零点位置和螺杆反扭矩向上作用的零点位置，确定地面扭摆作用长度计算和反扭矩作用长度。其中，该步骤的计算是进入水平段和斜井段开始的，即在直井段开始进入水平段和斜井段的时候，可如井斜角≥15°时，计算至井底(根据基础数据计算)，这是一个预测值。所述基础数据包括：规划的井眼轨迹、施工参数和材料参数；井眼轨迹参数可包括井深、井斜角、井斜方位角；施工参数可包括钻速、地面输出扭矩、螺杆工作压差、管柱转速、钻柱周向运动速度与轴向运动速度；材料参数可包括摩擦系数、热传导系数、管柱半径、管柱重量。
(3)确定钻柱不受地面扭矩和螺杆反扭矩影响的静摩擦作用长度，并将静摩擦区内的钻杆接头标记为关节点。
(4)计算实钻井眼轨迹和钻具组合下静摩擦区各关节点的累积静摩擦阻力。
(5)设定滑动钻进间距，如每滑动钻进1m重复上述步骤(1)和(4)。
(6)确定钻柱静摩擦区的最大累积静摩擦阻力关节点，即为水力振荡器最佳安装位置。
在本实施例中，步骤(1)中，用实测的方法确定钻头位置。
在本实施例中，步骤(2)中，由地面最大转盘扭矩，利用管柱力学计算最大地面转盘扭矩所影响的钻柱长度，得到地面扭矩沿钻柱向下传输为零的位置，确定地面扭摆向下的作用长度；根据钻具组合中螺杆钻具的最大工作压差，计算输出的最大反扭矩和所影响的钻柱长度，得到反扭矩沿钻柱向上传输为零的位置，确定反扭矩向上的作用长度。
在本实施例中，步骤(3)中，由钻柱不受地面扭矩和螺杆反扭矩影响的长度确定静摩擦作用长度，将钻柱静摩擦区内的钻杆接头标记为关节点；
进一步地，步骤(3)中，钻柱静摩擦区长度确定后，将其视为定值，不随井眼轨迹的变化而变化；
进一步地，步骤(3)中，钻柱静摩擦区内的各关节点为水力振荡器的可能最佳安装位置，需进一步对各关节点的累积摩阻力进行比较。
在本实施例中，步骤(4)中，根据实钻井眼轨迹和钻具组合，结合钻压、钻井液性能、钻井参数、机械钻速等工艺参数，采用管柱力学计算井下钻柱静摩擦区内各关节点的累积摩阻力。例如，可根据同时考虑钻柱旋转运动与轴向运动的摩擦力计算模型进行计算，该模型表达式为：
其中，μs为初始摩擦系数，Fn为接触面之间的正压力(即钻柱在井壁上的正压力)，r为管柱半径，ω为管柱转速，Vc、Vts分别为钻柱周向运动速度与轴向运动速度，结合钻柱周向运动速度、轴向运动速度、管柱半径、管柱转速和初始摩擦系数，即可计算出摩擦阻力。其中，初始摩擦系数可以根据材料摩擦系数进行确定。
进一步，步骤(4)中，实钻井眼轨迹由井深、井斜角和井斜方位角等测斜参数计算得到，钻具组合包括钻头至井口的各类井下钻具。
在本实施例中，步骤(5)中，每滑动钻进一段间距后，如每滑动钻进1m，重复步骤(1)和(4)直至计算至最大井深。其中，图2中的重复上述步骤即重复确定钻头位置和计算累积静摩擦阻力。
在本实施例中，步骤(6)中，基于上述步骤分析与计算，将会得到钻柱静摩擦区内的最大累积静摩擦阻力关节点，这个位置即为水力振荡器最佳安装位置，有利于充分发挥水力振荡器的减阻作用，最大限度地减小静摩擦阻力，避免滑动钻进时静摩擦区托压严重问题。安装多个水力振荡器时，可以选择累积静摩擦阻力最大的几个关节点进行安装。
综上所述，本发明的优点可包括：
本发明可以为相近井作业中的水力振荡器的安装提供指导，实现精确、合理安装，能够消除或减弱滑动钻进时钻柱静摩擦阻力，避免滑动钻进时静摩擦区托压严重问题，为提高钻柱扭摆滑动钻井效率和钻井速度提供技术支撑。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (7)

1.一种扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在钻井过程中确定钻头位置；
计算出地面扭摆向下作用的零点位置和螺杆反扭矩向上作用的零点位置，进而确定地面扭摆作用长度和反扭矩作用长度；其中，在钻头进入水平段和斜井段的时候进行该计算得到相应作用长度；
根据所述扭摆作用长度和反扭矩作用长度，确定钻柱不受地面扭矩和螺杆反扭矩影响的静摩擦区，并设定该静摩擦区不随着井眼轨迹的变化而变化；
计算钻井过程中各关节点在静摩擦区的累积静摩擦阻力；其中，计算从钻头进入水平段和斜井段的时候开始；
所述计算出地面扭摆向下作用的零点位置包括：利用管柱力学计算最大地面转盘扭矩所影响的钻柱长度，根据该长度得到地面扭摆向下作用的零点位置；
所述螺杆反扭矩向上作用的零点位置包括：根据钻具组合中螺杆钻具的最大工作压差，计算输出的最大反扭矩和所影响的钻柱长度，得到反扭矩沿钻柱向上传输为零的位置；
所述计算累积静摩擦阻力的步骤包括：每滑动钻进一个单位间距，就计算一次所述各关节点在静摩擦区的静摩擦阻力；钻井结束后，进行累加计算，并得到各关节点在静摩擦区的累积静摩擦阻力；
所述计算方法用于安装水力振荡器。
2.根据权利要求1所述的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法，其特征在于，用实测的方法确定钻头位置。
3.根据权利要求1所述的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法，其特征在于，所述各关节点为能够进入所述静摩擦区的各个钻杆接头。
4.根据权利要求1所述的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法，其特征在于，所述单位间距为0.5～10m。
5.根据权利要求1所述的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法，其特征在于，所述计算各关节点在静摩擦区的静摩擦阻力的步骤包括：
基于实钻井眼轨迹、钻具组合、钻压、钻井液性能、钻井参数和机械钻速，采用管柱力学计算各关节点在静摩擦区的静摩擦阻力；
所述采用管柱力学计算静摩擦阻力包括：根据同时考虑钻柱旋转运动与轴向运动的摩擦力计算模型进行计算，该模型包括：
Vrs＝Vc+Vts，/>
其中，μs为初始摩擦系数，μs根据材料摩擦系数进行确定，Fn为接触面之间的正压力，r为管柱半径，ω为管柱转速，Vc、Vts分别为钻柱周向运动速度与轴向运动速度。
6.根据权利要求5所述的扭摆滑动钻进中钻杆在静摩擦区累积静摩擦阻力的计算方法，其特征在于，所述实钻井眼轨迹由井深、井斜角和井斜方位角计算得到。
7.一种降低扭摆滑动钻进钻杆摩擦阻力的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
在已作业井中，根据权利要求1至6中任意一项所述的方法得到各关节的累积摩擦力；
按照从大到小的顺序排序，并将前n个累积摩擦力所对应的关节点作为参考位置，n≥1；
根据所述参考位置，在相近的待作业井所用钻杆接头上安装n个水力振荡器，通过水力振荡器来降低钻杆的摩擦阻力。
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