定向井摩阻控制与优化处理分析

汪曦（中国石油集团长城钻探钻井二公司，辽宁 盘锦124010）

0 引言

在定向井施工过程中，不可避免的会遇到由于摩阻问题导致的定向施工困难，钻井速度较低等。摩阻是由于钻具与井壁接触产生正压力，同时存在一定的摩阻系数，最终导致摩擦力的产生。如果摩阻力太大会导致钻压不能有效的传递到钻头，进而产生托压的现象，这种情况下只有少部分钻压施加到钻头上，导致钻井速度低，甚至无法钻进。在定向施工过程中，由于钻具是不发生旋转，钻具基本完全与下井壁接触，这样会引起更加严重的摩阻，为了克服摩阻一般会增大钻压，当摩阻被克服后钻头会受到突变的钻压，从而导致工具面的波动，轻者影响定向施工效果，严重者使钻头和动力钻具受到损坏。

1 摩阻产生机理分析

摩擦力的产生主要是由于钻具在井眼内变形与井壁接触，产生接触力，同时井壁并不是完全光滑，存在一定的摩擦系数，这样就导致了在定向施工过程中，钻具在井眼内滑动，与井壁间会产生摩擦力。由于实钻井眼轨迹并不是一条光滑的曲线，自然会存在井眼缩径或者狗腿度变化而形成的微小“键槽”，同时井眼内存在岩屑，钻柱的接箍通过这些井段时会产生一定的附加阻力。所以实际钻井过程中的摩阻力是由上述两部分组成，即摩擦力和附加阻力。因此钻具与井壁间的接触力的计算对于研究摩阻产生机理具有重要意义。在忽略接头、扶正器等组件的影响，以及井眼尺寸的不规则等因素，在弯曲井眼内，取钻柱微单元由力矩平衡方程，经过推导可得到钻柱摩阻力计算的基本方程为：

式中：μa摩阻系数；T为轴向力；qm为钻柱单元长度浮重；N为钻柱单元长度所承受的横向正接触力；Fd为钻柱单元长度钻井液引起的粘滞力；kb为钻柱弹性变形线上一点的曲率；α为井斜角；s为钻柱长度；E为钻柱材料的弹性模量；I为钻柱截面的轴惯性矩。

2 影响摩阻的主要因素

2.1 井眼轨迹

（1）井斜角影响。井斜角越大，钻具自重在垂直方向的分解力就会越大，进而与井壁的接触力越大，钻具所受到的摩擦力就越大。

（2）狗腿度影响。狗腿度会导致钻具在弯曲井眼中产生额外附加刚性正压力。狗腿度越大，钻具在井眼内的变形越严重，而由此产生的刚性正压力越大，所以钻具与井壁间产生更大的摩阻力。

（3）斜井段长度影响。斜井段越长意味着钻具长度的增加，钻具自重在垂直方向产生的重力分量也越大，同时产生的附加刚性正压力也会增大，钻具与井壁间摩阻力增大。

2.2 井眼清洁度

井眼清洁度主要是指井眼环空内岩屑浓度的高低。井眼清洁度较低说明井眼环空内岩屑浓度高，岩屑较多，使得钻具与井壁间的钻井液起到的液体润滑作用降低，从而使钻具与井壁间的摩擦力增大。同时，岩屑在大斜度井段会产生岩屑床，对钻具的滑动形成阻力，引起钻具上下活动困难。

2.3 钻具结构

钻具自重越大对井壁产生的正压力也会越大，进而引起的摩阻力也会越大；刚性越大的钻具在其发生变形时产生的附加刚性接触力就会越大，进而会增大摩阻力；当钻具发生屈曲时会产生附加正压力，钻具发生屈曲越严重越会导致附加正压力的大幅度增大，最终会导致钻具发生自锁；当钻具中含有扶正器时，由于扶正器与井壁间的间隙过小，当井径较小时，会额外产生一定的摩阻力。

2.4 泥浆润滑性能

泥浆润滑性能主要是对摩阻系数产生影响。当泥浆润滑性能较差时，摩阻系数增大，相同正压力的情况下，也会产生较大摩阻力。其中泥浆的润滑性能与泥浆类型、含砂量、润滑剂类型及加入量等参数有关，在一般情况下，油基泥浆的润滑性能要比水基泥浆润滑性能好，更利于减小摩阻。

3 优化处理分析

3.1 优化井眼轨道

对井眼轨道进行设计时应考虑摩阻、井眼长度、各种工况下钻具的受力状态、施工过程中的难易程度等因素，同时要与钻柱设计、钻井过程中各参数设计、泥浆性能设计等各方面相结合。同时，井眼轨道应尽可能平滑，设计的井眼曲率不能过大，减小刚性钻具变形产生的附加刚性接触力。斜井段的长度与井眼曲率是两个相互制约的因素，井眼长度短就意味着井眼曲率大，井眼长度长就意味着井眼曲率小，所以在设计时充分进行计算分析，得到合适的井眼曲率和井眼长度以达到最小摩阻为目的。

3.2 优化钻具结构

（1）减少钻铤的使用。钻铤不仅自身重量较大，而且其刚性也较大，因此在其使用时会增大钻铤与井壁间的接触力，同时在弯曲井眼内，钻铤的使用会严重增大附加刚性接触力，所以在实际钻井过程中，可以使用加重钻杆等来代替，来减小摩阻力产生。

（2）减少扶正器的使用。扶正器相对于钻具来说尺寸较大，导致其与井壁间的间隙较小，容易与井壁接触而增大钻具的摩阻力，同时在井径较小的井段中，扶正器会额外产生一定的阻力，所以在非必要时期应尽量减少扶正器的使用。

（3）采用倒装钻具结构。倒装钻具结构就是把加重钻杆等自重较大的钻具移至直井段或井斜角较小的井段，而在井斜角较大的井段采用普通钻杆，这样不仅可以增加钻具的重量，增大施加钻压的能力。同时，在下部钻具中使用普通钻杆，减少了钻具的重量和刚性，这样就会减小下部钻具组合与井壁间的接触力，进而减小了摩阻力。

3.3 提高井眼清洁度

适当改变钻井液环空返速。当井斜角较小时，钻井液为层流时其井眼清洁效果较好，而在井斜角较大时，钻井液为紊流时其井眼清洁效果较好。所以在实际施工时可以根据当前井情况来改变钻井液返速。提高钻井液的动切力和动塑比，可以提高钻井液的挟砂能力。同时，在钻进过程中，可以适当提高钻具的转速来破坏岩屑床，充分扰动岩屑，使其更好的上返，来提高井眼清洁度。在定向钻井过程中，利用短起下来破坏岩屑床提高井眼清洁效果，是降低摩阻力的常用手段。

3.4 提高泥浆润滑性能

提高泥浆润滑性能可以降低摩阻系数，对于减少摩阻力来说是最为重要的因素。在普通水基钻井液中加入润滑剂等可以大大提高其润滑性能。对于大位移井来说，使用油基钻井液更能降低摩阻力，有利于位移延伸。

3.5 其他减阻工具的使用

目前，常用的减阻工具主要包括液压式和机械式，其中液压式包括水力振荡器、水力加压器、旋冲钻井工具等，机械式包括可变稳定器等。水力振荡器是通过轴向振动减少井下钻具与井壁间的静摩擦力，旋冲钻井工具可以使得井下钻具产生良性振动，克服摩阻，同时产生冲击力并向钻头传递。

4 结语

定向井摩阻是由钻具与井壁间的接触力和摩擦系数造成的，其影响因素主要包括井眼轨迹平滑、井眼清洁、钻具组合、泥浆润滑性能等参数。在现场实际施工过程中，应充分考虑上述各种因素来降低摩阻，提高钻井机械钻速，缩短钻井周期。