钻井摩阻实时监测

摩阻和扭阻监测1．为什么要监测摩阻?帮助追踪井下环境和井眼不稳定性问题；帮助在接立柱前的循环、循环一周或多周、用高粘/高密度/低粘等泥浆密度清洗井眼、短起下等作业时，判断井眼清洁效果；帮助确认岩屑床（和ECD，震动筛上的岩屑返出量一起进行）；帮助确定扭矩问题，钻井设备的负荷能力以及最大可钻达深度和最大套管可下入深度；帮助判断泥浆的润滑性，泥浆比重的效果，泥浆性能的变化；帮助确定每口井的裸眼和套管摩擦系数，为丛式井施工建立摩擦系数数据库；判断井眼轨迹增/降斜、增/降方位井段对摩阻的影响；帮助解决下套管/尾管时遇到的问题；帮助优化BHA和套管串，以及是否需要使用降扭矩工具。2．理论摩阻曲线由D&M根据实际井眼尺寸，实际BHA结构，设计轨迹，正确的泥浆性能等参数建立理论上的摩阻曲线。如果能获得实际井眼测斜数据和实际BHA工具，最好根据这些参数重新绘制；理论摩阻曲线应显示起钻，下钻和提离井底时的旋转扭矩；确保考虑了套管和裸眼在根据泥浆性能和实际经验确定的摩擦系数；非常重要的是，理论曲线中应有一条摩擦系数为0的悬重曲线，这条曲线将用于标定理论曲线。如果理论曲线是正确的，旋转时的悬重将和理论曲线完全吻合。在理论摩阻表中加入最大悬重曲线，该曲线将用于表明钻具使用或钻井设备极限负荷。注意：理论摩阻曲线是根据动态摩擦系数来确定的。监测摩阻时，悬重是在钻具开始运动且旋重稳定后的读数。3．需要监测的参数总共需要四个参数：上提旋重：保持同样的速度，上提钻具至少5-6米。下放旋重：保持同样的速度，下放钻具至少5-6米。旋转悬重：离开井底至少1-2米后，旋转钻具时的悬重。扭矩：离开井底以旋转钻进时的转速旋转钻具时的扭矩。注意：在进行摩阻测试时，也需要记录开始上提钻具时最大的静态悬重，这一数据将用于确定从静态到动态的悬重是否会超过钻井设备或钻具的极限。确保任何时候悬重都不要超过钻具或钻井设备的极限负荷。何时需要监测摩阻?每次接单根的时候(每柱或每两柱，根据钻井设备的类型确定)；钻头在套管内，即将钻出套管鞋进入新地层；起钻或下钻其间，在套管内，特别是在裸眼内；井斜或/和方位有较大幅度的变化；短起下前，短起下过程中及短起下后；循环后，或泵入清洁井眼的泥浆药品后；泥浆比重增加或降低，泥浆性能发生变化，泥浆流体特性发生变化后；增加减扭矩工具，如泵入润滑剂或使用减扭器前、后；完钻后，清洗井眼前、后；在下套管过程中，每3-5根套管监测一次。在下尾管的过程中，每1-2柱观察一次摩阻的情况。根据钻井设备的能力，确定是否需要旋转尾管以获取转动悬重。DrillingLoadsFFCalibration4,0005,0006,0007,0008,0009,00010,00011,00012,00013,000100125150175200225250275300325Hookloads(klbs)MeasuredDepth(ft)Slack-OffWt.RotatingWt.Pick/UpWt.135/8CasingString12.25摩阻监测方法每柱钻进完毕，保持足够的排量和旋转速度活动钻具，确保井眼清洗到位、BHA所在部位的岩屑基本被清除，井眼畅通（具体的判决标准要根据不同的钻井设备、施工步骤、划眼情况、井眼尺寸、井眼角度、地层特性等来确定）。将钻具提离井底2-3米，以正常钻进时的泥浆排量和旋转速度转动钻具，获取旋转时的悬重。如果摩阻模拟曲线正确，该悬重应在FF=0的曲线上。将钻具提离井底2-3米，以正常钻进时的泥浆排量和旋转速度转动钻具，获取离开井底旋转时的扭矩。停止旋转钻具，上提钻具体5-6米。记录最大上提悬重（刚开始上提钻具时的悬重，代表静态上提悬重）和上提拉力稳定后的悬重（动态上提悬重）。下放钻具体5-6米。记录最小下放重量（刚开始下放钻具时的钻具重量，代表静态下放悬重）和下放拉力稳定后的悬重（动态下放悬重）。补充事项每次以同样的速度活动钻具会使数据更加可信。在收集数据的时候，注意记录指重表/扭矩表在所有环境下的读数，例如上提最大值、稳定值，下放最小值、稳定值等。如果开泵进行上提下放测试，则同一井眼保持同一排量，以防不同的水力对测试结果造成干扰。摩阻测试可以在开泵或关泵的情况下进行：开泵测量：可以用于评估可以钻达的最大井深，有助于确认是否需要起钻、循环或划眼等作业。停泵测量：用于评估扩眼、短起等作业的效果，帮助确定井眼是否适合起下钻、下套管/尾管等作业。也有助于评估套管、尾管可下入的最大深度。计量罐泥浆高度计量罐泥浆高度也是表明井眼清洗好不好的一个参考，如果从井底的岩屑能有效的返出，那么泥浆计量罐里面的泥浆就会按比例减少。理论上来说，计量罐反应岩屑量的泥浆体积等于井眼体积减去钻杆体积。如果计量罐内的反应岩屑量的泥浆体积少于所期望的，那么证明环空有沉砂堆积，如果不采取措施清洗井眼则有可能发生事故。上提/下放测试上提下放最基本的测试井下摩阻的方法，由上提下放悬重可以确认井眼的清洗情况，由此决定是继续钻进还是需要循环或短起。如果上提下放的重量变化很大，则需要查找原因，错误的解释往往会导致错误的结论。上提下放在每个井眼开始钻进之前就要进行，以获取这个井眼的参考数据。摩阻分析表可以分为三个区间：好，可以接受，坏。如果实际摩阻在“坏”的区间，证明井眼清洁不好，需要采取措施提高井眼清洗质量。震动筛上的钻屑钻井产生的钻屑量应等于震动筛上返出的钻屑加上留在泥浆（砂或固相）或井眼中的钻屑。如果环空中的钻屑含量达到最少，则证明井眼清洗效果好。钻速越高，产生的钻屑越多，在震动筛上返出的钻屑也就越多。如果返出的钻屑数量不足，剩下的钻屑就留在井内，达到一定的地步就有可能导致岩屑“雪崩”或卡钻。降低摩阻的方法井身轨迹的优化设计、最优化的润滑泥浆、低摩阻钻杆保护器。确保井眼干净。高排量，高转速，定期用高粘或轻重组合泥浆洗井等。如果摩阻与钻具的扭曲有关，则要考虑优化钻具组合以降低钻具的扭曲程度。必要时采用锥型钻具组合。在接近直井的井段采用钻铤、加重钻杆等钻具加压，避免使用钻杆加压时钻具的扭曲，同时帮助推动下部钻具前进以实现马达定向钻进。在某些马达定向的场合可以使用推进器或缓冲接头来传递钻压。清洁井眼，活动钻具，清除岩屑，可以暂时提高马达定向钻进效果。使用超长马达或双级马达可以增加马达的憋泵压降，提高定向钻进效率。定向钻进时也可以利用游车和顶驱的重量来协助加压。采用这种方法必须特别小心，不要让钻杆过度扭曲。精确控制井身轨迹，避免出现高狗腿。降低扭阻的方法井身轨迹：优化的井身结构是降低扭阻的重要措施。降低套管内的扭阻：使用非旋转钻杆保护器。这些保护器最好放在钻杆/套管承受负荷最大的位置。降低裸眼段的扭阻：使用在轴承外安装非旋转保护套的接头。增加泥浆的润滑性，提高油/水比。在泥浆中混入玻璃小球。但是需要连续加入，因为这种小球在地面回收很难。另外可以参考的方法就是加入堵漏材料。实践表明LCM有降低摩阻的效果。提高钻杆的抗扭能力。使用高抗扭的螺纹脂；据说可提高抗扭27%；扭矩图采用高扭矩的螺纹联接：多级螺纹或多级台肩，可增大扭矩；采用高强度钻杆：铝合金、钛合金钻杆等，重量小，强度高；实现钻杆接头的应力平衡：高强度钻杆的接头抗扭强度，低于管体；采取增大上扣扭矩，牺牲抗拉强度，增大抗扭强度，使钻杆适应高扭矩的需要。地面扭矩在钻进/划眼的时候，地面扭矩也可用来判断井眼清洗的情况、钻具振动情况、泥浆润滑剂对扭矩和井下工具工作状态的影响等。如果地面扭矩异常高，可能会导致钻速慢，井眼清洁不好，超过钻杆扭矩，在钻杆上产生周期性应力等后果。如果扭矩异常，应采取措施予以解决，防患于未然。除井眼清洁等井下环境外，钻具转速和钻头产生的扭矩对地面扭矩有很大的影响。扭矩图和摩阻图是一样的。图中的理论扭矩曲线是利用计算机模型计算出来的，实际扭矩曲线用于比较实际扭矩和理论值之间的差异以便观察统过扭矩的变化趋势发现问题。和摩阻图一样，钻具的侧向力也用于理论扭矩的计算，但是和摩阻不一样的是，扭矩模拟要比摩阻图复杂一些，因为扭矩受钻具的转速的影响比较大，当钻具的转速发生变化时，钻具因离心力产生的钻具侧向力难以精确预测。理论扭矩曲线是检测浪费大量能量的井下钻具震动的最好方法，在地面表现为扭矩增加或不规则的变化。由于钻头扭矩受地层、钻压、钻头转速、钻头类型的影响很大，实际理论模拟比较困难，因此实际测试扭矩时最准确的方法就是采用钻头离开井底、保持正常钻进时的转速时的扭矩。扭矩图可以直观显示泥浆的润滑性对地面扭矩和井下工具运动状态的影响。由图可以看到，在造斜段和进入稳斜段之初的8000ft处，发生了很高的钻具粘滑现象。在该深度加入泥浆润滑剂以降低扭矩值，由图可知加入泥浆润滑剂以后，扭矩和钻具粘滑现象得到了较好的改善。由图可以看出：在整个12.25”井段，钻具的粘滑震动一直保持很低，但是在接下来的1000ft中，扭矩有所增加。根据地面扭矩来看，泥浆的润滑性对扭矩的控制不算成功，但是它有效的降低了钻具的粘滑震动，有效的保护了钻具免受损坏。为了进一步降低地面扭矩，需要继续增加泥浆润滑药品并进一步加强井眼清洁。异常的地面扭矩表明不仅仅只是需要提高泥浆润滑来降低扭矩，同时也要采取其它的措施。在56度稳斜段，井眼清洁不好致使扭矩升高。具有代表性的是在40-60度井斜处，当泥浆排量降低导致大量岩屑堆积在井眼低边，井眼清洁困难大。井下环空压力数据可以用来解释和评估井眼清洗情况。利用扭矩图评估泥浆的润滑性利用摩阻曲线判断井眼清洁情况在某大位移井中，在使用油基泥浆的情况下，井眼清洁存在问题。LWD咖玛射线也加到了图中以协助解释井眼的清洁情况和井眼的稳定性。上提钩载负荷表明井眼清洁问题发生在14500ft处。咖玛射线放在图中是为了观察钻遇砂岩的井段和砂岩对井眼清洁的影响。MWD环空压力数据也显示井眼存在清洁问题，但是是从15000ft开始的。因为ECD是在垂深的基础上计算出来的，在大井斜井段，ECD测量数据不能迅速反映出堆积在井眼底边的岩屑对井眼清洁带来的影响，相反钩载负荷就要快一些。这种现象在很多大井斜井段发生过，这也为什么要利用摩阻图作为判断井眼清洁情况的主要原因。在这口井，如果继续按当前的趋势钻进，井眼清洁问题得不到解决。问题发生后，控制钻速也不能降低钩载和降低ECD。需要采取的补救措施就是停止钻进，高速旋转钻具清细井眼，直到岩屑床被完全清除。岩屑清楚干净后恢复钻进，但需要控制钻速，接立柱前保持一定的循环时间以预防井眼清洁问题的再次发生。利用摩阻曲线判断井眼清洁问题（例一）下图中，井眼清洁问题发生在11000ft。井斜叫为67度。井眼清洁问题进一步恶化，到12500ft决定通过短起钻来机械清洗井眼。接单根时的循环时间也画到了图中以协助实现优化钻井。多摩擦系数摩阻图也一起画到了图中以协助分析井眼清洁恶化程度。在这口井中，井眼清洁与钻速有关，因为由于地面循环管汇额定压力的限制需要降低泥浆排量。ROP超过100ft/hrs就会形成岩屑床，倒划眼也不能提高井眼清洗效果或清除岩屑床。井眼摩擦系数由0.17增加到0.22，井眼清洗效果降低了30%。在该井中，向客户建议停止钻进，通过高速旋转钻具、循环洗井来清洁井眼，不被客户接受。最终的结果是，钻达完钻井深后，井队用了2.5天才将钻具起出，中间还卡了好几次钻，井眼也被岩屑阻塞过几次。利用摩阻曲线判断井眼清洁问题（例二）利用钩载负荷图监视下套管作业和钻井作业一样，也可利用钩载模拟图来监视下套管的情况。下图就是在38度井斜的井眼中下13-3/8”套管时的钩载图。由图可知，实际钩载表明下套管时套管承受的摩擦系数是一个常数，和模拟数据吻合得很好，证明井眼清洁很好。利用钩载曲线判断下套管作业情况（例一）下图为下95/8”套管串时不同摩擦系数的多系数钩载负荷图和实际钩载负荷。当摩阻增加、摩擦系数增加时，曲线降向左边移动。当95/8”套管串下入到裸眼段7600ft时，钩载显示负的摩擦系数，表明套管开始向上漂浮