水平井钻井减摩降阻工具研制及流场分析

陈 勇，吴欣袁，蒋祖军，练章华，陈 敏

（1.中石化西南油气分公司博士后工作站，四川德阳618000；2.中石油渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，天津300450；3.中石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳618000；4.西南石油大学，成都610500；5.中石油新疆油田公司工程技术公司，新疆克拉玛依834000）①

水平井钻井减摩降阻工具研制及流场分析

陈 勇1，4，吴欣袁2，蒋祖军3，练章华4，陈 敏5

（1.中石化西南油气分公司博士后工作站，四川德阳618000；2.中石油渤海钻探工程有限公司工程技术研究院，天津300450；3.中石化西南油气分公司工程技术研究院，四川德阳618000；4.西南石油大学，成都610500；5.中石油新疆油田公司工程技术公司，新疆克拉玛依834000）①

在调研国内外现有降低摩阻和转矩的钻井工具的基础上，研制了新型水平井钻井用减摩降阻工具。介绍了该工具的结构，主要部件的作用，降低摩阻-转矩的原理及性能特点。该工具主要用于大位移井、定向井和水平井，不仅可以减少摩阻-转矩，还能减少套管磨损，接头磨损，防止压差卡钻，提高机械钻速。根据钻井流体携岩机理，并结合流场分析结果可知，特殊设计的导流槽还能提高井眼净化效率。

水平井；减摩降阻；工具；结构

在钻大位移井、水平井等摩阻较大的井时，通常会采用一些措施来降低摩阻和转矩［1-3］：

1） 井眼轨迹优化。如果钻达同一个靶点的井眼轨迹不同，那么钻井时钻柱摩阻-转矩的大小也是不同的。通过对井眼轨迹的优化，可选择一条钻机设备条件允许情况下摩阻较低的井眼轨迹。

2） 井身结构和钻具组合优化。井眼大小、钻具组合和套管程序都对摩阻-转矩有着密切的影响。一些学者指出：在满足井眼净化要求的环空反速的前提下，应尽可能使用直径较小而强度较高的钻柱组合。

3） 钻井液设计。通过优选钻井液参数，并加上较好的润滑剂，能够改善滤饼质量，使钻具与井壁之间接触面的润滑性得到改善。流体动力学参数的优化，也能提高钻井液的携岩能力，从而降低摩阻-转矩。

4） 降低摩阻-转矩特殊井下工具的应用。工程师们研制了多种降低摩阻-转矩的井下工具，大多数安装在高造斜部位。这些额外工具的使用有可能大幅降低摩阻-转矩，延长了钻机的水平钻井能力，并且一定程度上保护了钻柱，避免了许多恶性事故的发生。

本文在对国内外现有的降低摩阻和转矩的井下工具调研的基础上［1-5］，设计并试制出一种新的水平井钻井的减摩降阻工具。

1 结构简介

1.1 总体结构

设计的减摩降阻工具的结构如图1所示。

图1 钻井用减摩降阻工具结构

本体（由上接头、下接头组成，通过钻杆扣连接在一起）两端有螺纹，分别与上、下部钻杆连接。设计有吊钳扣合部位，方便机械上扣、松扣操作。本体设计有上、下螺旋导流槽，由于流体流速较快，导流槽将会对流体产生一定的扰动和影响。能在一定程度上提高水平井钻井的携岩能力，特别是在容易堆积岩屑床的井中，螺旋槽的扰动能够破坏岩屑床的形成，提高井眼清洁效率。

1.2 减磨部件

本体中部有一段直径较小区域，将会在此处安装减摩轴承套。在本体凹槽表面喷涂有一层高强度耐磨材料。本体和减摩轴承套两者构成的摩擦副中，选择本体为较硬的一方，而减摩轴承套为摩擦牺牲的一方。也就是说轴承套的耐磨性低于本体中部凹槽表面，这样，在经过摩擦后，轴承套先磨损，而本体磨损较小。在轴承套磨损到影响其功能或强度时，可按需要更换轴承套。由于本体的制造成本远大于轴承套的制造成本，因此这样设计不仅便于工具的维护，而且能减少其使用成本。

减摩轴承套是实现减摩降阻功能的关键部件，结构采用整体式。在轴承套的内表面，有减摩涂层。涂层类似于本体中部凹槽的耐磨喷涂层，具有耐磨作用，但其耐磨性能低于本体上的涂层，在摩擦副中作为牺牲的一方。在轴承套内表面设计有磨损指示槽，在圆周上均布4条。因为减摩轴承套是被设计来承受磨损的一方，也就是说在本体和减摩轴承套二者应该是轴承套先磨损。这样可以保证工具制造成本和维修成本降到可接受范围内。如果，工具本体的耐磨性低于轴承套的耐磨性能，那么将会在使用过程中造成本体磨损，而轴承套和本体的同轴度降低，工具就不能在最佳状态下工作。因此，在设计轴承套时，为了使轴承套的磨损可见，并提示其磨损程度，设计了磨损指示槽。在使用过程中，起钻后发现磨损指示槽处已经磨平，说明该轴承套已经过度磨损，就需要更换轴承套了。另外，磨损指示槽不仅有指示磨损程度的作用，而且还有润滑油槽的作用，可按需要从此处加入润滑油，有助于润滑本体与减摩轴承套，减小本体和轴承套之间的摩擦因数，保持轴承套在井中处于非旋转状态。这样也能有助于减少轴承套外径表面的不必要的磨损，维持工具降低转矩的能力。

1.3 滚轮

硬质合金滚轮是减小轴向摩擦的重要部件，它的形状及几何参数会对减摩降阻工具性能产生较大影响，如图2所示。最初设计的时候，选用了圆柱形滚轮。这种形状的滚轮从理论上来说与井壁或套管接触面积最大，那么轴承套保持非旋转性会越好。然而，在后来的试验和有限元仿真分析中发现，圆柱形滚轮在其边缘会受到应力集中影响，边缘会受力变形而拱起。这样容易导致滚轮的过渡磨损，严重的甚至可能由于滚轮边缘变形而咬合滚轮安装槽，导致铸件损坏，造成减摩降阻工具效率降低，并有可能缩短其使用寿命。

图2 硬质合金滚轮的几种形状

在工具研发过程中，也曾选择过球形滚轮。球形滚轮在套管井内使用效果较好，摩擦因数较小。然而，在裸眼井中，由于球形滚轮与井壁接触面积很小，在侧向压力较大时，容易压入井壁，影响工具的减摩效果。

最终，本减阻工具使用了椭圆形滚轮。椭圆形滚轮与井壁或套管接触面远离边缘，磨损线通常会出现在滚轮的中间，减少了滚轮磨损和变形的风险。滚轮中部的磨损对减摩降阻工具性能影响较小，并且在下次使用时，磨损过渡的滚轮可以轻易地更换。

2 性能特点

1） 该工具主要用于大位移井、定向井和水平井，不仅可减少摩阻-转矩，还能减少套管磨损，接头磨损，防止压差卡钻，提高机械钻速。特殊设计的导流槽还能提高井眼净化效率。

2） 该工具可用于套管中，也可在裸眼中使用。通常在1柱钻杆（3根钻杆为1柱）中使用1套该工具，而在侧向力非常严重时可以在2柱钻杆中使用3套该工具。

3） 该工具能同时起到减少摩阻和转矩的作用。当钻柱轴向运动时，工具最大外径大于钻柱接头外径，减摩轴承套上的滚轮将与井壁接触，并可旋转，由先前的滑动摩擦变为滚动摩擦，使摩擦力变小。当钻柱径向旋转时，工具本体随同钻柱旋转，减摩轴承套不旋转，不仅使旋转半径减小，而且本体和轴承套之间的摩擦因数小，因此转矩减小。

3 技术参数

该工具的主要尺寸参数如表1所示。

表1 水平井钻井减摩降阻工具主要技术参数

4 流场分析

4.1 建立模型

研究在钻井过程中，工具随着钻柱旋转，对流体的扰动情况。分析扰动过后的流场是否有利于携岩，是否能改善水平井段岩屑堆积床。在分析过程中，设定减摩降阻工具处于水平井段，工具本体随着钻柱一起旋转。流体从井筒右边界进入，并携带一定的岩屑颗粒，再从井筒左边界流出。在此，为了计算的方便，将减摩降阻工具进行了适当的简化，组合式滚轴套筒上的安装槽和滚轮做了简化。如图3。

图3 钻井用减摩降阻工具在水平放置的流场模型

4.2 分析结果

由于涉及到固体对流体的作用，因此需要采用流固耦合计算。通过有限元流体分析计算得出流线图如图4所示。从图4a中看出，工具不旋转，且流体在没有初始切线速度的情况下，流线基本是直线前进的，但是在遇到工具上凸出块的时候流线有些变向。

根据图4b分析结果，工具以60 r／min速度旋转，流体在右端入口段时也是直线前进，但到了螺旋槽段，由于螺旋槽的扰动，流线随转动方向发生变化。流线带有一定的斜度，且倾斜方向与工具旋转方向相同。

由钻井流体携岩机理可知，钻柱上部高速流体旋转到钻柱下部，可以带动下部沉积的岩屑床，冲散岩屑床，有利于岩屑的向前移动。因此，这些流体扰动对于水平井段的岩屑运移是有积极作用的。

图4 钻井用减摩降阻工具在旋转时的流场分布

5 结论

1） 在调研国内外现有降低摩阻和转矩的钻井工具的基础上，研制了新的水平井钻井减摩降阻工具。

2） 该工具主要用于大位移井、定向井和水平井，不仅可减少摩阻-转矩，还能减少套管磨损，接头磨损，防止压差卡钻，可提高机械钻速。特殊设计的导流槽还能提高井眼净化效率。

3） 根据钻井流体携岩机理，并结合流场分析结果可知，钻柱上部高速流体旋转到钻柱下部，通过减摩降阻工具的螺旋槽可以带动下部沉积的岩屑床，并冲散岩屑床，有利于岩屑的向前移动。因此，这些流体扰动对于水平井段的岩屑运移是有积极作用的。

［1］ 蒋祖军，肖国益，李群生.川西深井提高钻井速度配套技术［J］.石油钻探技术，2010，38（4）：30-34.

［2］ 张文华，胡国清，桑路.钻进转矩与摩阻分析及减扭措施［J］.石油钻探技术，2001，29（4），22-24.

［3］ 董德仁，齐月魁，何卫滨.大位移井钻井摩阻预测及井眼轨道优选［J］.石油钻采工艺，2005，27（增刊）：14-17.

［4］ 徐福东，张晓东，吕苗荣，等.大位移井完井管柱摩阻设计模型与仿真器［J］.石油矿场机械，2001，30（增）：21-24.

［5］ 吴欣袁.气体钻井摩阻转矩分析及减摩降阻工具研究［D］.成都：西南石油大学，2005.

Antifriction Tool Develop ment and Flow Field Analysis during Horizontal W ell Drilling

C H E N Yong1，4，W U Xin-yuan2，JIA N G Zu-jun3，LIA N Zhang-hua4，C H E N Min5
（1．Postdoctoral W orkstation，South west Oil Gas Branch of Sinopec，Deyang618000，China；2．Engineering Technology Research Institute，C N P C Bohai Drilling Engineering Com pany Limited，Tianjin300450，China；3．Engineering Technology Research Institute，South west Oil Gas Branch of Sinopec，Deyang618000，China；4．South west Petroleu m University，Chengdu610500，China；5．Engineering Com pany，PetroChina Xinjiang Oilfield Co．，K ara m ay834000，China）

A new horizontal well drilling antifriction tool was designed and manufactured on the basis of investigation on existing reducing friction and torque dow nhole tool in the do mestic and foreign.The tool mainly consists of an upper joint，an adjusting ring，a bearing sleeve，a lower joint，and a roller co m ponent.T he structure characteristics and the co m ponents of tool are analyzed.The toolis mainly used for large displacement wells，directional wells and horizontal wells，w hich can not only reduce the friction torque，but also reduce the casing wear，joint wear，and prevent differential pressure sticking，and can im prove the R O P.According to the carrying cuttings mechanism of drilling fluid，co m bined with the flow field analysis results，the specially designed guide groove of the tool can im prove hole cleaning efficiency.

horizontal well；antifriction；tool；structure

T E921.202

A

10.3969／j.issn.1001-3482.2014.08.006

1001-3482（2014）08-0027-04

2014-02-27

国家科技重大专项课题“低渗气藏复杂地层高效钻井关键技术”（2011Z X05022-005）部分研究成果

陈 勇（1979-），男，四川遂宁人，博士，2008年毕业于西南石油大学，中石化西南分公司博士后工作站在站博士后，主要从事钻完井技术研究，E-mail：chysw pu＠163.co m。