滑动钻进全过程摩擦阻力预测方法、降低摩擦阻力方法与流程

本发明涉及油气钻井(钻探)工程技术领域，特别地，涉及一种滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法和降低滑动钻进摩擦阻力的方法。

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和摩阻会导致机械钻速低、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，水力振荡器的安装位置确定均凭钻进经验和静态计算，主要局限于固定井深下的分析和计算，缺乏钻进过程摩擦阻力全过程的动态分析和计算，导致水力振荡器安装无相应和固定参考依据，综合考量水平低，实用性不强，因而水力振荡器安装后无法最大限度地有降低钻柱与井壁之间的摩擦阻力。因此，当前水力振荡器应用在滑动钻进中是探索式设置，造成水力振荡器可能不会给滑动钻进的钻具减少摩擦阻力，反而，安装水力振荡器之后增加了钻进工程的经济负担。

技术实现要素：

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滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法和降低滑动钻进摩擦阻力的方法，以消除或减弱钻柱摩擦阻力。

为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法。

所述预测方法可包括步骤：设定钻井过程中钻头的初始位置；根据所述初始位置计算出钻柱的长度，并根据钻柱的长度划分各个关节点，所述关节点为钻杆接头处；基于所述初始位置计算地面扭摆作用长度和反扭矩作用长度，并基于所述计算结果将滑动钻进时钻柱摩擦力的分布状态初步划分为三个区：地面扭摆作用区、静摩擦区、反扭矩作用区；计算能够分别进入所述初步划后三个区内的各个关节点的摩擦阻力；从所述初始位置起模拟滑动钻进，每模拟滑动钻进单位距离就重新确定一次钻头位置，在每次确定钻头位置之后就重新划分各个关节点、重新划分所述三个区以及重新计算划分后三个区内各个关节点的摩擦阻力；在模拟滑动钻进结束后，得到与最后一次确定钻头位置后关节点数量相同、且对应各个关节点的摩擦阻力集合，每个集合都包含了一个关节点在模拟滑动钻进过程中的所有摩擦阻力。

在本发明的滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法的一个示例性实施例中，所述设定钻井过程中钻头的初始位置的步骤可包括：分析井斜角大小，确定时间，进而确定钻头在井眼中所处的位置，例如井斜角大于等于10°。

在本发明的滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法的一个示例性实施例中，在所述设定钻头初始位置之前，所述预测方法还可包括步骤：规划井眼轨迹。

在本发明的滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法的一个示例性实施例中，可采用管住力学模型计算地面扭矩沿钻柱向下作用零点和螺杆反扭矩沿钻柱向上作用零点，求得地面扭矩作用长度和螺杆反扭矩作用长度。

在本发明的滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法的一个示例性实施例中，所述基于计算结果将滑动钻进时钻柱摩擦力的分布状态初步划分为三个区的步骤可包括：根据所述地面扭矩作用长度、螺杆反扭矩作用长度和钻柱整体长度，确定所述静摩擦区的长度；进而可以确定三个摩擦区。

在本发明的滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法的一个示例性实施例中，所述计算摩擦阻力的步骤可包括：基于基础数据，采用管柱力学计算所述摩擦阻力。

在本发明的滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法的一个示例性实施例中，所述基础数据可包括：规划的井眼轨迹、预设的施工参数和预设的材料参数。

在本发明的滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法的一个示例性实施例中，所述井眼轨迹参数可包括井深、井斜角、井斜方位角。所述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。所述材料参数可包括摩擦系数、热传导系数、管柱半径、管柱重量。

在本发明的滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法的一个示例性实施例中，所述单位距离可为0.5～10m。

在本发明的滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法的一个示例性实施例中，所述预测方法还可包括步骤：将每个所述集合中的摩擦阻力按照第一、第二和第三类进行划分，其中，第一类摩擦阻力为关节点处于地面扭摆作用区时的摩擦阻力，第二类摩擦阻力为关节点处于静摩擦区时的摩擦阻力，第三类为关节点处于反扭矩作用区时的摩擦阻力；将每个集合中相同种类的摩擦阻力进行累加计算，并得到每个关节点对应的第一类累积摩擦阻力、第二类累积摩擦阻力和第三类累积摩擦阻力，其中，在所述集合中没有第一、第二或第三类摩擦阻力时，相应的累积摩擦阻力计为0。

本发明另一方面提供了一种降低滑动钻进摩擦阻力的方法。所述方法可包括以下步骤：在待作业井中，根据如上所述的滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法来得到每个关节点对应的第一类累积摩擦阻力、第二类累积摩擦阻力和第三类累积摩擦阻力；按照从大到小的顺序，将前m个第一类累积摩擦力所对应的关节点作为第一参考位置，m≥1；按照从大到小的顺序排序，将前n个第二类累积摩擦力所对应的关节点作为第二参考位置，n≥1；按照从大到小的顺序排序，将前s个第三类累积摩擦力所对应的关节点作为第三参考位置，s≥1；根据所述第一、第二和第三参考位置，在所述待作业所用钻杆上安装水力振荡器，通过水力振荡器来降低钻井过程中钻杆的摩擦阻力。

与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：可以实现水力振荡器最大限度消除或减弱钻柱摩擦阻力，避免滑动钻进时压严重问题，提高钻柱扭摆滑动钻井效率。

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示出了本发明的降低滑动钻进摩擦阻力的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滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法和降低滑动钻进摩擦阻力的方法。

本发明一方面提供了一种滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法。

在本发明的一个示例性实施例中，所述方法可包括以下步骤：

s01：分析井斜角大小，确定时间t，确定钻头在井眼中所处的初始位置。其中，假设钻头的初始位置为某一井斜角条件下的钻头位置，例如井斜角≥10°时钻头的位置。时间t是井斜角≥10°时的时间，可根据转速和时间来得到钻头位置。例如可分析井斜角为12°时钻头的初始位置。

s02：根据所述初始位置模拟钻柱的长度，并根据钻柱的长度划分各个关节点，所述关节点为钻杆接头处。

s03：基于所述初始位置计算地面扭摆作用长度和反扭矩作用长度，并基于所述计算结果将滑动钻进时钻柱摩擦力的分布状态初步划分为三个区：地面扭摆作用区、静摩擦区和反扭矩作用区。

s04：计算能够分别进入所述初步划后三个区内的各个关节点的摩擦阻力。

s05：从所述钻头的初始位置起，每模拟滑动钻进单位距离就重复上述步骤s01～s04，相应的步骤(1)中钻头的初始位置变为钻头位置。例如，每模拟滑动钻进单位距离，重新确定一次钻头位置，在每次确定钻头位置之后就重新划分各个关节点、重新划分所述三个区以及重新计算划分后三个区内各个关节点的摩擦阻力。

s06：在模拟滑动钻进结束后，得到与最后一次确定钻头位置后关节点数量相同、且对应各个关节点的多个摩擦阻力集合，每个摩擦阻力集合都包含了一个关节点在模拟钻进过程中的所有摩擦阻力。

在本实施例中，所述预测方法还可包括步骤：

s07：将每个所述集合中的摩擦阻力按照第一、第二和第三类进行划分，其中，第一类摩擦阻力为关节点处于地面扭摆作用区时的摩擦阻力，第二类摩擦阻力为关节点处于静摩擦区时的摩擦阻力，第三类为关节点处于反扭矩作用区时的摩擦阻力。

将每个集合中相同种类的摩擦阻力进行累加计算，并得到每个关节点对应的第一类累积摩擦阻力、第二类累积摩擦阻力和第三类累积摩擦阻力，其中，在所述集合中没有第一、第二或第三类摩擦阻力时，相应的累积摩擦阻力计为0。例如一个关节点对应集合中没有第一类摩擦阻力，则累加计算之后，该关节点的第一类累积摩擦阻力就为0。

本发明另一方面提供了一种降低滑动钻进摩擦阻力的方法。

在本发明的降低滑动钻进摩擦阻力方法的一个示例性实施例中，所述降低滑动钻进摩擦阻力方法可包括步骤：

在待作业井中，根据上述的滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法，得到预测的每个关节点对应的第一类累积摩擦阻力、第二类累积摩擦阻力和第三类累积摩擦阻力。

将所有关节点的第一类累积摩擦阻力按照从大到小的顺序，将前m个第一类累积摩擦力所对应的关节点作为第一参考位置，m为≥1的整数。

将所有关节点的第二类累积摩擦阻力按照从大到小的顺序，将前n个第二类累积摩擦力所对应的关节点作为第二参考位置，n为≥1的整数。

将所有关节点的第三类累积摩擦阻力按照从大到小的顺序，将前s个第三类累积摩擦力所对应的关节点作为第三参考位置，s为≥1的整数。

根据所述第一、第二和第三参考位置，在所述待作业所用钻杆上安装水力振荡器，通过水力振荡器来降低钻井过程中钻杆的摩擦阻力。其中，可按照第一参考位置在待作业井地面扭摆作用区安装水力振荡器，例如，可将待作业井钻柱上最接近第一参考位置的钻杆接头处作为水力振荡器的安装位置。可按照第二参考位置在待作业井静摩擦区安装水力振荡器，例如，可将待作业井钻柱上最接近第二参考位置的钻杆接头处作为水力振荡器的安装位置。可按照第三参考位置在待作业井反扭矩作用区安装水力振荡器，例如，可将待作业井钻柱上最接近第三参考位置的钻杆接头处作为水力振荡器的安装位置。

在本发明的降低滑动钻进摩擦阻力方法的另一个示例性实施例中，如图1所示，所述降低滑动钻进摩擦阻力方法可包括以下步骤：

(1)分析井斜角大小，确定时间t，确定钻头初始位置h；

(2)划分钻杆关节点，将钻杆接头标记为计算关节点；

(3)计算地面扭矩和螺杆反扭矩的作用长度，确定静摩擦区作用长度；

(4)钻杆摩擦阻力分布状态分析，划分摩擦力分布区域；

(5)计算各摩擦力分布区域内关节点的摩擦阻力；

(6)设定滑动钻进间距，如每滑动钻进1m重复上述步骤；

(7)关节点累积摩擦阻力分析，确定最大累积摩擦阻力关节点，确定最佳安装位置。

在本实施例中，在步骤(1)中，确定钻头的位置，能够确定钻柱长度，以便于后续划分钻杆的关节点。

在本实施例中，在步骤(2)中，自下而上对钻杆进行关节点划分，钻杆连接处才能安装水力振荡器，因此将钻杆接头标记为计算关节点；

在本实施例中，在步骤(3)中，采用管住力学模型计算地面扭矩沿钻杆向下作用零点和螺杆反扭矩沿钻杆向上作用零点，求得地面扭矩作用长度和螺杆反扭矩作用长度；

进一步，步骤(3)中，利用地面扭矩作用长度和螺杆反扭矩作用长度，结合钻杆整体长度，即可计算得到静摩擦区长度；

在本实施例中，在步骤(4)中，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。

在本实施例中，在步骤(5)中，计算地面扭矩作用区、螺杆反扭矩作用区、静摩擦区内关节点的摩擦阻力，由于各个区域内摩擦阻力的分布状态不同，需根据各区摩擦阻力分布特点，结合井眼轨迹、井身结构、地质、施工工艺等参数，采用管住力学分别计算各区关节点摩擦阻力。

步骤(6)中，设定滑动钻进间距增量，如每滑动钻进1m，记录时间t，重复步骤(1)～(5)，以此循环计算各个分析点的摩擦阻力至设计井深。

步骤(7)中，分析各个关节点累积摩擦阻力的大小，确定最大累积摩擦阻力关节点，关节点最大值处为水力振荡器的最佳安装位置。

综上所述，本发明的滑动钻进全过程摩擦阻力的预测方法和降低滑动钻进摩擦阻力的方法优点可包括：

能够对钻井全过程的摩擦阻力进行准确的分析；能够有效指导水力振荡器的安装并解决现有水力振荡器的安装位置确定均凭钻进经验和静态计算的技术问题，能够减小滑动钻进过程的钻具摩擦阻力，提高机械钻速，降低作业成本。

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。