水平井摩阻分析及降低摩阻的主要措施

张志鹏 辛伟 莫荣刚（川庆钻探工程公司长庆钻井总公司，陕西 西安 710018）

水平井摩阻分析及降低摩阻的主要措施

张志鹏 辛伟 莫荣刚（川庆钻探工程公司长庆钻井总公司，陕西 西安 710018）

在钻井过程中，钻井摩擦阻力是不可避免的，主要是指钻井过程中钻井管柱与井壁之间的摩擦力，即轴向摩擦阻力和周向摩擦扭矩。随着水平井不断开发，水平井摩阻受到越来越多的重视，因为随着水平段的延伸，摩阻越来越大，严重影响有效钻压，降低机械钻速，从而增加开发周期和开发成本。本文分析水平摩阻的主要影响因素，并且结合现场实际，提出了降低水平井摩阻的主要措施方法。

水平井;摩阻;措施

水平井摩阻严重影响水平段的有效钻压和井眼轨迹控制，摩阻对水平井施工具有重要的影响，准确计算摩阻和降低摩阻是成功地钻成水平井的关键和难点所在。分析水平井摩阻的主要影响因素，找出降低摩阻的主要措施对水平井施工具有重要意义。

1 影响水平井摩阻的主要因素

1.1 井身曲率的影响

井身曲率对摩阻的影响比较明显，井身曲率越大，钻柱是刚性的，与井壁间接触反力越大，刚性钻具紧贴着井壁，摩阻明显增加。

1.2 地基弹性系数的影响

地层具有一定的弹性，随着地基弹性系数的增大，摩阻最初增大的趋势比较明显，最终趋于恒定。因为随着地基硬度的加大，钻柱与井壁间接触点的数目减少，但每个接触点的反力迅速增加，导致摩阻变大；由于地基弹性系数达到上限时，地基变形量基本保持不变，处于刚性地基状态，摩阻变化趋于恒定。

1.3 钻压的影响

钻压与摩阻是正相关关系，即随着钻压的增加摩阻呈增大趋势，钻压加剧了钻柱的变形，使得钻柱与井壁间的反接触力增加，导致摩阻的上升。这种增大的趋势不是线性的，在局部可能会存在摩阻值上下跳动的现象，由接触点数目和位置变化而引起的。

1.4 钻柱刚度和长度的影响

钻柱是刚性的，刚性越强，钻柱抵抗变形的能力就越强，在弯曲井段受到的反力就更大，摩阻就会增加，尤其是曲率较大时，增加的幅度更加明显。钻柱水平段越长，其与井壁间摩阻也就越大，这一规律是易于理解的，但是摩阻与钻柱长度并不是完全呈线性关系，是因为摩阻和轴力间相互作用引起的。

2 水平井降低摩阻的主要措施

2.1 优化井眼轨道和加强轨迹控制

设计的井眼轨道类型不同，其对扭矩和摩阻的影响不同的，尤其是造斜点深度和井眼曲率，这两个因素对摩阻的影响最大。所以在优选井眼轨道时，尽可能优化造斜点，降低井眼曲率，同时设计的井眼轨道能够有利于清理井眼。

实钻井眼轨迹对扭矩和摩阻都有重要的影响，实钻井眼轨迹若偏离了最优化轨道，严重影响钻具与井壁的接触状态，造成摩阻系数增大，进而导致钻进扭矩和摩阻增加。

2.2 清洁井眼

井眼净化效果不好，井眼内岩屑较多，严重影响井眼摩阻，可以根据不同井段和设备能力确定钻井液环空返速和流型，合理选择钻井液性能，控制环空流速，使其满足流型和井眼净化需要。在水平井眼内不可能达到最大排量，可以采用钻具转动来确保井眼干净，也可以采用倒划眼的方式。加强固控设备的使用率，降低钻井液中的固相含量。

2.3 改进钻井液性能

降低钻具摩阻另外一个关键技术改善钻具与井壁接触面的润滑性，需要井内的钻井液润滑性能达到要求，生成的滤饼薄而韧。对于绝大多数水基钻井液，在钻井液中加入润滑剂和聚合醇等添加剂，尽可能的提高钻井液润滑性能，降低水平井钻井摩阻。同时也可以使用固体润滑剂如石墨等，因为石墨附在套管壁，使钻杆与套管壁的摩擦变成了石墨中不同层鳞片间的摩擦，即将滑动摩擦变成滚动摩擦，可以有效降低套管摩擦因数。

要求钻井液生成高质量的滤饼，滤失量大小是一个重要指标。一般情况，滤失量影响滤饼的含水量，虑失量越大滤饼含水量越大，导致滤饼疏松，摩擦力越大。在水平井为了得到高质量的滤饼，应该将滤失量控制在5mL以内。钻井液的静切力也应该控制在合理的范围内，静切力过小导致细颗粒砂子在压差作用下很快粘附到井壁上，井壁上的颗粒会增大钻具与井壁之间的摩擦，要求钻井液静切力在3Pa以上。也可以在钻井液中加入聚合醇，因为聚合醇在滤饼表面可以形成一层油膜，可以降低粘附在钻具上的钻井液与井筒内钻井液的内在摩擦力，从而达到降低摩阻的作用。

2.4 优化井下钻具组合

入井的钻具组合尽量精简和优化，保证下部钻具具有良好的柔性，通过合理的利用扶正器，调整钻具与井壁的接触面积，通过减少钻具与井壁的接触面积来降低摩阻。钻铤的刚性太大，可以试验采用用无磁承压钻杆代替无磁钻铤，减小下部钻柱的刚度，钻杆的外径与钻铤小，这样钻具与井壁之间的间隙就会增大，钻具与井壁间的摩擦系数降低，也会大大降低摩阻。可以尝试使用降摩阻短节替代扶正器，也可以降低钻具与井壁间的摩擦系数，降低钻柱和井壁间的摩擦力，使用降摩阻短节的钻具结构如下：钻头+降摩阻短节+螺杆钻具+轻合金钻杆+钢钻杆+钻铤+钻铤+钢钻杆。

3 结语

(1)水平井施工过程中，摩阻是不可避免的，应该分析摩阻的影响因素，通过人为调控降低水平井摩擦阻力。

(2)在钻井施工前，优化设计水平井轨道，控制井眼曲率在合理的范围内，同时在施工过程中加强井眼轨迹控制，尽量保持轨迹平滑。

(3)优化钻井液性能是降低水平井摩阻的重要措施，钻井液应该具有良好的润滑性，产生的泥饼应该薄而光滑，可以有效降低钻柱与井壁的摩擦力。

(4)在设计钻具组合时，合理利用扶正器，减少钻具与井壁的接触面积，这样也可以有效降低水平井摩阻。

张志鹏(1981-)，男，陕西渭南人，本科，钻井工程师，主要从事钻井现场技术服务和各类无线随钻仪器管理工作。