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铝合金钻杆在长水平井段延伸钻进的可行性

发布时间：2020年02月25日
来源：天然气工业公众号（2020-02-25） 作者：祝效华

摘　要：目前国内页岩气钻井的重点研究攻关目标是垂深4000 m 以深的长水平段水平井，长水平段钻柱需要钻杆传递更大的轴向力来抵抗沿程的摩擦阻力，采用轻质铝合金钻杆是一种具有较大实施可行性的延伸钻进变革性新技术，而对于其摩阻扭矩特性、钻压传递规律、屈曲特性以及安全可靠性等问题则尚未开展系统研究。为此，基于Hamilton 原理建立多尺寸铝合金钻柱动力学模型，通过HHT-α 法对模型进行求解，进而对比了水平井段铝合金钻具和钢钻具的接触摩阻、钻压传递规律及其影响因素。研究结果表明：①铝合金钻杆在水平段的压力损耗明显小于钢制钻杆；②因其材质较软，小尺寸的铝合金钻杆在钻井过程中极易发生屈曲，导致钻压传递效率下降，甚至发生“钻杆自锁”现象；③较大尺寸的铝合金钻杆屈曲变形较小，其减摩减阻效果优于小尺寸铝合金钻杆，外径147mm 的铝合金钻杆的摩擦阻力仅为外径129mm 铝合金钻杆的71.9%。结论认为，小尺寸铝合金钻杆的刚度无法满足苛刻的长水平段页岩气钻井条件，而大尺寸铝合金钻杆则是解决其延伸钻进难题的重要前提条件之一。

关键词：水平井；深层页岩气井；铝合金钻杆；摩擦阻力；屈曲；动力学；钻压传递；压力损耗

1　钻柱动力学控制方程

根据能量法——哈密顿原理（Hamillton Principle）建立整个钻柱系统的动力学方程，哈密顿原理中：质点在运动过程中的动能和势能以及其他非势力对其所作的功之间应该满足如下公式：

钻柱单元的弹性势能可以通过应力分量和应变分量表示。应力应变是对称的二次张量，因此他们只有6 个分量独立。并且钻柱单元具有极细超长的特点，也就是长度远大于直径，假设钻柱的应力应变主要集中在钻柱的轴线方向，整理后便得到钻柱单元体的弹性势能表达式：

钻柱系统动力学模型的外载Fi 主要包括：钻柱重力、旋转惯性力、钻井液阻尼钻柱接触力。其中，钻柱重力、旋转惯性力分别为式（7）、（8）。

钻柱的运动状态具有不可预见性，钻井中，井眼尺寸、井斜角微变化、钻井液黏滞阻力等都会影响钻柱的运动状态。因此，在计算时，将钻柱在井眼中的运动状态归为两类，一类为自由运动（图1-a），另一类为接触运动（图1-b）。当钻柱处于自由运动状态时，钻柱未与井壁接触，从而不存在接触摩阻，该种状态的钻柱通常位于直井受拉井段。当钻柱靠近井壁时，钻柱向井径外运动的趋势会受到井壁约束，从而钻柱与井壁发生碰撞并产生接触、摩擦。当钻柱与井壁接触时，接触位置产生接触反力（Fn）、切向摩擦力（ft）、轴向摩擦力（f）等。

图1　钻柱在井筒内的运动状态图

构建厚度为0.001m 的接触单元来描述钻柱与井壁间的接触力 ：

2　全井钻柱动力学计算结果分析

除了钻柱与井壁的接触边界，模型采用悬挂钻柱为上部边界，下部边界采用PDC 钻头实况破岩（图2）。

图2　计算水平井的井身结构和网格模型

井底产生的岩屑直接移除（模拟钻井液携岩）防止二次切削。模型井眼轨迹如图3 所示，其计算井深为3000m、水平位移为3500 m、最大井斜角为90°、曲率半径为750m，属于典型的深层页岩气水平井。

图3　井眼轨迹图钻具

组合：Ø127mm 钢制钻杆＋“水平段钻杆（表1）×2 730.97m”＋ Ø165mm钻铤×9.47m ＋Ø205 mm 稳定器×1.53m ＋ Ø172mm 螺杆×7.69m ＋ Ø215.9 mm 钻头×0.34m。

表1　水平段4 种钻杆组合表

图4　全井段钻柱接触力分布情况图

从图4-a ～ d 分别提供了了钢制钻杆和3 种规格的铝合金钻杆在水平段与井壁的接触力分布。1 号钢制钻杆单个节点在水平段的平均接触力为0.465kN ；2号铝合金钻杆的平均接触力为0.315kN，只有1 号钢制钻杆的66.7%，而截面尺寸与钢制钻杆几乎相同。从中可以看出，铝合金钻杆能有效降低水平段的接触力大小。但是，单位体积铝合金钻杆在钻井液中的悬重仅为钢制钻杆的23.8%（计算材料参数如表2所示），而接触力仅仅比钢制钻杆少了33.3%。在计算中发现，2号铝合金钻杆在水平段发生了严重的螺旋屈曲，从而导致水平段接触力明显上升。

表2　计算材料参数表

为了控制铝合金钻杆的屈曲程度，3号和4号铝合金钻杆采用了较大的尺寸。3号铝合金钻杆单个节点在水平段的平均接触力为0.395kN，是1号钢制钻杆的84.9%，截面尺寸为钢制钻杆的2.18 倍。3号铝合金钻杆截面尺寸比2号大了一倍，而单个节点的平均接触力大小仅仅上升了0.08 kN，从中可以看出，控制铝合金钻杆的屈曲程度能有效降低接触力大小。4号铝合金钻杆单个节点在水平段的平均接触力为0.223 kN，仅为1 号钢制钻杆的48.0%，截面尺寸为钢制钻杆的1.38 倍。4号铝合金钻杆的尺寸大于2号铝合金钻杆，而单个节点的接触力却仅为2 号铝合金钻杆的70.8%。这一规律揭示钻柱屈曲变形对水平段钻柱接触力的影响，并在铝合金钻杆材质较软这一先天材料属性的前提下，证明了较大尺寸的铝合金钻杆更能满足钻井工程对减摩减扭的需求。

2.2　钻柱屈曲变形规律

2.3　钻压传递规律

水平段的钻压传递效率能间接反应钻柱在水平段的摩阻情况。4种钻具组合在B 点（图3）处的轴向力均为压力，大小为480kN。水平段沿程摩阻的不同，导致4 种钻具组合的钻压大小存在较大的差异（图6）。

图6　水平段钻柱的轴向力分布图

1 号钢制钻杆的钻压为24kN，水平段摩擦阻力为126kN。2 号铝合金钻杆的钻压为63kN，是1号钢制钻杆的2.6 倍。2 号铝合金钻杆在水平段的摩擦阻力为87kN，比1 号钢制钻杆少了31%。从钻压传递情况可以看出，即使铝合金钻杆发生了严重螺旋屈曲变形，其在水平段的减摩减阻效果仍比较明显。

3　结论

[责任编辑：dc]