一种提高滑动钻进效率的顶驱扭摆减阻方法及装置

摘要

本发明涉及一种提高滑动钻进效率的顶驱扭摆减阻方法及装置，其中，方法包括：确定周向摩阻系数f

说明书

技术领域

本发明涉及石油钻井领域，特别涉及一种提高定向井、水平井、大位移井滑动钻进效率的顶驱扭摆减阻方法及装置。

背景技术

近年来，随着我国油气资源品位的不断下降，油气勘探开发逐渐向非常规、低渗透领域转移，水平井、大位移井可以最大限度地增大储层泄油面积，提高非常规、低渗透油气藏单井产量和采收率，因此水平井、大位移井钻井技术成为高效开发低品位油气层的重要技术支撑。但水平井、大位移井钻井过程中仍有很多技术难点严重影响作业效率，现场实践和实验研究均表明水平井、大位移井钻井过程中，特别是定向段滑动钻进过程中，摩阻扭矩大，钻压难以有效施加到钻头上，造成钻井速度慢、效率低。因此，如何提高滑动钻进效率，是水平井、大位移井钻井亟待解决的核心技术问题。顶驱扭摆减阻技术的发展为解决这一问题带来了希望，但目前顶驱扭摆减阻技术尚处于试验阶段，尚不完全成熟，扭摆减阻作业过程中设置的扭矩极限仍然依靠经验获取，并不能通过理论计算分析获得，因此与井下实际情况会有一定的误差，导致顶驱扭摆作业不能在安全的前提下发挥最佳效果。

国内中石油钻井院研制出顶驱扭摆减阻控制系统样机，可与中石油钻井院北石顶驱实现对接，控制顶驱主轴按照预先设定的扭矩极限往复扭转钻柱，实现水平井、大位移井滑动钻进中的扭摆减阻作业，在四川页岩气水平井钻井现场进行了多井次现场试验，取得良好的减阻降扭和提速效果。目前扭矩极限的设置仍然依靠人工经验获得，并不能通过科学合理的算法和软件进行计算，更加精确地指导扭摆减阻作业。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提出一种提高滑动钻进中顶驱扭摆减阻应用效果的方法及装置，本技术方案录入操作井的井身结构、井眼轨迹、钻具组合、钻井参数等数据，按照特定的算法和流程迭代计算，最终获得所需的扭矩极限和扭转角度，安全高效地指导扭摆减阻作业，大幅提高滑动钻进效率和速度。

为实现上述目的，本发明提供了一种提高滑动钻进效率的顶驱扭摆减阻方法，包括：

确定周向摩阻系数f_旋、轴向摩阻系数f_滑；

确定承受螺杆反扭矩所需要的下部钻柱长度L2；

设置安全余量S，根据所述安全余量S和所述下部钻柱长度L2确定上部可扭摆钻柱长度L1；

随着井深的增加，利用摩阻系数f_旋、上部可摇摆钻柱长度L1、下部钻柱长度L2从井口往下迭代累加至相应井深获得所对应的摇摆所需的扭矩T；

从扭矩T、0.85T_max、0.6T_上卸扣中选出最小值作为相应井深所对应的扭矩极限；并根据扭矩极限获得相应井深所对应的反转扭矩；其中，T_max在现场通过作业人员通过空转钻柱测得，T_上卸扣通过钻具手册查到，对特定的钻柱，T_上卸扣为定值；

利用扭矩极限和反转扭矩确定相应井深所对应的扭摆减阻的扭矩范围；

利用所述扭矩范围进行扭摆减阻作业。

优选地，还包括：

利用轴向摩阻系数f_滑、上部可摇摆钻柱长度L1、下部钻柱长度L2从井口往下迭代累加至相应井深获得所对应的摩阻F。

优选地，还包括：

利用扭矩T确定相应井深所对应的扭转角度；并根据扭转角度获得相应井深所对应的圈数。

优选地，所述确定承受螺杆反扭矩所需要的下部钻柱长度L2的步骤包括：

从井底往上按照每米计算所对应的钻柱扭矩，将每米所对应的钻柱扭矩进行累加，直到扭矩累加值等于螺杆输出扭矩时，累加计算所对应长度为下部钻柱长度L2。

优选地，所述确定上部可摇摆钻柱长度L1的步骤包括：

井深减去下部钻柱长度L2，再减去安全余量S，获得上部可摇摆钻柱长度L1。

优选地，所述扭矩T的表达式为：

T＝Rf_旋∫ρg>xdx

其中，R为钻柱外径，f_旋为周向摩阻系数，ρ为考虑钻井液浮力的钻柱密度，g为重力加速度，α为井斜角，S_x为钻柱横截面积，x为钻柱长度，在L1和L2之间取值。

优选地，所述摩阻F的表达式为：

F＝f_滑∫ρg>xdx

其中，f_滑为轴向摩阻系数，ρ为考虑钻井液浮力的钻柱密度，g为重力加速度，α为井斜角，S_x为钻柱横截面积，x为钻柱长度，在L1和L2之间取值。

优选地，所述反转扭矩等于所述扭矩极限乘以0.7。

优选地，所述圈数等于所述扭转角度除以360度。

为实现上述目的，本发明还提供了一种提高滑动钻进效率的顶驱扭摆减阻装置，包括：

摩阻系数确定单元，用于确定周向摩阻系数f_旋、轴向摩阻系数f_滑；

下部钻柱长度确定单元，用于确定承受螺杆反扭矩所需要的下部钻柱长度L2；

上部钻柱长度确定单元，用于设置安全余量S，根据所述安全余量S和所述下部钻柱长度L2确定上部可摇摆钻柱长度L1；

扭矩确定单元，用于随着井深的增加，利用摩阻系数f_旋、上部可摇摆钻柱长度L1、下部钻柱长度L2从井口往下迭代累加至相应井深获得所对应的摇摆所需的扭矩T；

扭矩极限单元，用于从扭矩T、0.85T_max、0.6T_上卸扣中选出最小值作为相应井深所对应的扭矩极限；并根据扭矩极限获得相应井深所对应的反转扭矩；其中，T_max在现场通过作业人员通过上提钻柱测得，T_上卸扣通过钻具手册查到，对特定的钻柱，T_上卸扣为定值；

扭矩范围确定单元，用于利用扭矩极限和反转扭矩确定相应井深所对应的扭矩减阻的扭矩范围；

扭摆减阻单元，用于利用所述扭矩范围进行扭摆减阻作业。

上述技术方案具有如下有益效果：

本技术方案帮助扭摆减阻滑动钻进操作人员及时获取最佳的扭矩极限和扭摆角度，了解钻柱扭摆过程中井眼内的摩阻、扭矩分布情况，评价扭摆减阻作业的实施效果，在不影响工具面的情况下，尽可能降低钻柱摩阻、扭矩，释放钻压，提高滑动钻进效率。现场试验表明，滑动钻进中摩阻、扭矩平均降低30％以上，平均机械钻速提高20％以上。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种提高扭摆减阻的方法流程图；

图2为本发明提供的一种提高扭摆减阻的装置框图；

图3为本实施例的软件整体逻辑图；

图4为本实施例软件开发流程图；

图5为本实施例软件主界面示意图；

图6为本实施例软件登录界面示意图；

图7为本实施例结果显示屏示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术方案的工作原理为：本技术方案该技术适用于水平井、大位移井顶驱扭摆滑动钻进作业，通过为顶驱扭摆减阻控制系统提供理论计算支持，更加安全高效地实现减阻降扭和释放钻压，提高机械钻速。本技术方案能够在顶驱扭摆滑动钻进过程中计算钻柱所受摩阻、扭矩分布情况，给出扭摆减阻工艺需要的扭矩极限、前沿井深、扭转角度和旋转圈数，同时输出扭矩、摩阻、释放钻压、扭转角度随井深的变化曲线，在计算机终端荧屏上显示出这些曲线，便于钻井操作人员掌握扭摆减阻实施情况，确保在不影响工具面角的情况下，安全实施扭摆减阻作业，有效降低水平井、大位移井滑动钻进过程中的摩阻扭矩，解决钻具托压问题。

根据上述工作原理，本发明提供了一种提高扭摆减阻的方法，如图1所示。包括：

步骤101)：确定周向摩阻系数f_旋、轴向摩阻系数f_滑；

步骤102)：确定承受螺杆反扭矩所需要的下部钻柱长度L2；

在本步骤中，步骤102具体为：从井底往上按照每米计算所对应的钻柱扭矩，将每米所对应的钻柱扭矩进行累加，直到扭矩累加值等于螺杆反扭矩时，累加计算所对应长度为下部钻柱长度L2。

步骤103)：设置安全余量S，根据所述安全余量S和所述下部钻柱长度L2确定上部可摇摆钻柱长度L1；

在本步骤中，井深减去下部钻柱长度L2，再减去安全余量S，获得上部可摇摆钻柱长度L1。对于本技术方案来说，安全余量S的取值范围为50m～100m。

步骤104)：随着井深的增加，利用摩阻系数f_旋、上部可摇摆钻柱长度L1、下部钻柱长度L2从井口往下迭代累加至相应井深获得所对应的摇摆所需的扭矩T；

所述扭矩T的表达式为：

T＝Rf_旋∫ρgsinαS_xdx

其中，R为钻柱外径，f_旋为周向摩阻系数，ρ为考虑钻井液浮力的钻柱密度，g为重力加速度，α为井斜角，S_x为钻柱横截面积，x为钻柱长度，在L1和L2之间取值。由于钻柱外径R、钻柱横截面积S_x、密度ρ、井斜角α均随井深的变化而变化，故采用有限单元法将计算模型离散化，以每1米钻柱为1个计算单元，迭代累加的方法计算扭矩。

步骤105)：从扭矩T、0.85T_max、0.6T_上卸扣中选出最小值作为相应井深所对应的扭矩极限；并根据扭矩极限获得相应井深所对应的反转扭矩；其中，T_max在现场通过作业人员通过空转钻柱测得，T_上卸扣通过钻具手册查到，对特定的钻柱，T_上卸扣为定值；

对于步骤105来说，所述反转扭矩等于所述扭矩极限乘以0.7。

步骤106)：利用扭矩极限和反转扭矩确定相应井深所对应的扭矩减阻的扭矩范围；

步骤107)：利用所述扭矩范围进行扭摆减阻作业。

优选地，本技术方案还包括：利用轴向摩阻系数f_滑、上部可摇摆钻柱长度L1、下部钻柱长度L2从井口往下迭代累加至相应井深获得所对应的摩阻F。所述摩阻F的表达式为：

F＝f_滑∫ρg>xdx

其中，f_滑为轴向摩阻系数，ρ为考虑钻井液浮力的钻柱密度，g为重力加速度，α为井斜角，S_x为钻柱横截面积，x为钻柱长度，在L1和L2之间取值。由于钻柱横截面积S_x、密度ρ、井斜角α均随井深的变化而变化，故采用有限单元法将计算模型离散化，以每1米钻柱为1个计算单元，迭代累加的方法计算扭矩。

优选地，本技术方案还包括：利用扭矩T确定相应井深所对应的扭转角度；并根据扭转角度获得相应井深所对应的圈数。其中，所述圈数等于所述扭转角度除以360度。

如图2所示，为本发明提供的一种提高扭摆减阻的装置框图。包括：

摩阻系数确定单元201，用于确定周向摩阻系数f_旋、轴向摩阻系数f_滑；

下部钻柱长度确定单元202，用于确定承受螺杆反扭矩所需要的下部钻柱长度L2；

上部钻柱长度确定单元203，用于设置安全余量S，根据所述安全余量S和所述下部钻柱长度L2确定上部可扭摆钻柱长度L1；

扭矩确定单元204，用于随着井深的增加，利用摩阻系数f_旋、上部可扭摆钻柱长度L1、下部钻柱长度L2从井口往下迭代累加至相应井深获得所对应的扭摆所需的扭矩T；

扭矩极限单元205，用于从扭矩T、0.85T_max、0.6T_上卸扣中选出最小值作为相应井深所对应的扭矩极限；并根据扭矩极限获得相应井深所对应的反转扭矩；其中，T_max在现场通过作业人员通过空转钻柱测得，T_上卸扣通过钻具手册查到，对特定的钻柱，T_上卸扣为定值；

扭矩范围确定单元206，用于利用扭矩极限和反转扭矩确定相应井深所对应的扭摆减阻的扭矩范围；

扭摆减阻单元207，用于利用所述扭矩范围进行滑动钻进扭摆减阻作业。

实施例：

如图3所示，为本实施例的软件整体逻辑图。该软件包含数据录入、算法实现、信息逻辑、数据存储、数据导出、曲线绘制、图像保存等功能模块。

数据录入模块，用于负责获取井身结构、井眼轨迹、钻具组合、钻井参数等数据，并存储到数据存储模块；

算法实现模块，负责根据存储数据对每米井深的摩阻、扭矩T进行计算和累加，返回值被存储到全局数据缓存区；利用扭矩计算出扭转角度，根据扭转角度确定圈数；

信息编辑模块，用于负责将算法实现模块输出的扭矩T进行逻辑判断，从T、0.85T_max、0.6T_上卸扣中选出最小值作为扭矩极限；并利用扭矩极限确定反转扭矩；

数据存储模块，将录入数据、计算出的摩阻、扭矩、扭转角度、圈数等重要数据保存到数据库；

数据导出模块，能够将输入的井眼轨迹数据、计算出的每米摩阻、扭矩等数据导出成Excel文件，并能够在结果显示屏幕上给出扭矩极限、摩阻、扭转角度、反转扭矩等参数；

曲线绘制模块，负责绘制出摩阻、扭矩、钻压、扭摆角度随井深的变化曲线；

图像保存模块，能够将曲线绘制模块给出的曲线导出成JPEG文件。

水平井、大位移井扭摆减阻滑动钻进过程中，钻柱摩阻、扭矩随井深的变化关系表达式：

扭矩T＝Rf_旋∫ρg>xdx

摩阻F＝f_滑∫ρg>xdx

式中：R为钻柱外径，mm；f_旋为周向摩阻系数；f_滑为轴向摩阻系数；ρ为考虑钻井液浮力的钻柱密度，g/cm³；g为重力加速度，kg·m/s²；α为井斜角，°；S_x为钻柱横截面积，mm²。

由于钻柱外径、横截面积、密度、井斜角均随井深的变化而变化，故采用有限单元法将计算模型离散化，以每1米钻柱为1个计算单元，迭代累加的方法计算摩阻和扭矩。

如图4所示，为本实施例软件开发流程图。首先要了解摩阻系数的影响因素，通过经验系数法或公式迭代反算法获得操作井的摩阻系数，将井眼轨迹、井身结构、钻具组合、钻井参数等数据录入软件，然后从螺杆处由下往上迭代计算钻柱扭矩，直到扭矩累加值能够平衡螺杆反扭矩为止，确定承受螺杆反扭矩所需要的下部钻柱长度L2,设置一定的安全距离S，通过“井深-L2-S”就能确定上部扭摆钻柱长度L1,再从井口往下迭代计算扭摆所需扭矩和对应释放的摩阻，累加计算到井深为L1为止。并且，随着井深的增加，利用摩阻系数f_旋、上部可摇摆钻柱长度L1、下部钻柱长度L2从井口往下迭代累加至相应井深获得所对应的摇摆所需的扭矩T，将计算出的扭矩T与0.85T_max和0.6T_上卸扣进行对比，取最小的数值作为扭矩极限，计算并输出相对应的摩阻、扭转角度和圈数，指导扭摆减阻作业。

如图5所示，为本实施例软件主界面示意图。软件主界面包括井信息、井眼轨迹、井身结构、钻具组合(由上到下)、反算摩阻系数、参数录入、结果显示7部分，反算摩阻系数界面能够根据操作井的实测摩阻、扭矩来反算裸眼段轴向摩阻系数和周向摩阻系数，结果显示界面能够显示计算的数值、表格和曲线，并能够支持数据和图像的导出。

如图6所示，为本实施例软件登录界面示意图。在图6中，鼠标左键单击登录界面即可进入软件主界面。

如图7所示，为本实施例结果显示屏示意图。给出一口操作井的计算实例，包括扭矩极限、摩阻、扭摆角度等参数显示，每米的计算数据表和4种参数随井深的变化曲线，推荐扭矩极限2.6kNm，释放摩阻4.1t，施加钻压3.42t，扭摆角度353.8°，转动0.98圈，推荐反转扭矩1.82kNm。

在实施水平井、大位移井扭摆减阻作业之前，了解当地钻井中的经验摩阻系数或利用现场实测数据反算摩阻系数，搜集操作井的井眼轨迹、井身结构、钻具组合、泥浆密度、井深、机械钻速等数据，并录入到摩阻扭矩计算软件中。根据螺杆厂家提供的螺杆钻具工作特性，建立螺杆钻具输出扭矩和钻井液压差之间关系，计算出螺杆输出扭矩，并录入到摩阻扭矩计算软件。观察井眼轨迹数据，若不是整米数据，需通过软件自带的插分算法计算每米的井斜数据，并存储在数据库中。点击计算按钮，迭代计算每米摩阻、扭矩等参数，计算完毕后，打开结果显示界面，能够看到软件输出的扭矩极限、摩阻、扭摆角度、反转扭矩等数据，将扭矩极限输入到顶驱扭摆减阻系统的控制界面中，将顶驱扭摆减阻控制系统与顶驱控制台对接，顶驱自动按照控制程序进行扭摆减阻作业，井深每增加100m重新搜集现场数据计算，获得最新的扭矩极限，更新给顶驱扭摆减阻控制系统，指导系统更加高效地开展扭摆减阻滑动钻进作业。扭摆作业过程中，可通过软件导出的图表向现场人员介绍扭摆效果、摩阻扭矩分布、扭摆前沿井深等情况，提高现场作业人员对扭摆减阻钻井工艺的认知程度和接受认可度。

以上具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。