摩阻判斷井眼情況的誤差探討

謝 鑫，丁少華，付成林，竇正道，金 晶

(中石化江蘇油田分公司 石油工程技術研究院,江蘇 揚州 225009)

目前在現場，通常使用摩阻值或觀察大鉤載荷曲線是否有突變點，判斷井下是否正常，但是摩阻取值和突變量沒有定量評價標準。[1-2]摩阻值僅僅能表示整個井眼的情況，無法分析新鉆進井眼和已鉆井的情況，也沒有考慮鉆具組合、泥漿密度、井斜變化等的影響，從而判斷井眼情況產生誤差。

1 影響摩阻判斷的因素

摩阻可以反映井眼的情況，通常認為摩阻大，則井眼異常，小則正常。摩阻的取值和很多因素有關，比如鉆具組合變化、隨著井深增加和下井鉆具增加而增加、井眼軌跡、井壁失穩等[3-5]。

假設：1)井眼軌跡沒有定向段，只有直井段和穩斜段。

2)所有的阻礙鉆柱在井中運動的因素，都等效為摩擦系數。

1.1 密度不變，井斜不變

假設某一時刻，井深為2 000 m，直井段長度為1 000 m，斜井段長度為1 000 m，且以30°井斜穩斜鉆進(見圖1)。之后，繼續鉆進200 m，至井深2 200 m。為計算簡便，鉆具組合全部取Φ127 mm鉆桿進行模擬計算，其段重Q取38.1 kg/m。摩擦系數μ分別取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。新鉆井段的摩擦系數與之前的井段一致。密度取1 200 kg/m3。

使用如下公式計算：

G=Q×L

(1)

Fn=G×sinα

(2)

T=Ft=Fn×μ

(3)

式中：Q=38.1 kg/m，L=1 000 m,α=30°。

當新鉆進井段的井眼工況保持不變，即新鉆進井段和已鉆井井段摩擦系數取同一值。井斜取30°計算，由圖2可知，隨著繼續鉆進，井深增加，摩阻也增大。已鉆井段和新鉆進井段摩擦系數都取0.5時，新鉆進井段摩阻要增加2 t，判斷井眼變差，實際上井眼的摩擦系數沒有變化，井眼情況正常。

圖3為新鉆進井段的工況發生改變，即新鉆進井段摩擦系數發生改變，已鉆井井段摩擦系數取0.3。即由于井眼工況的改變，新鉆進井段的摩擦系數分別取為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。由圖3可知，隨著繼續鉆進，摩阻增加。當原來井段的摩擦系數為0.3，而新鉆進井段摩擦系數為0.3時，摩阻增加1.5 t，判斷井眼情況變差。實際新鉆井眼摩擦系數變為0.3，與已鉆井井段摩擦系數一致，井眼質量正常。

1.2 密度改變，井斜不變

圖4為井斜取30°，新鉆進井段的井眼工況保持不變，即新鉆進井段摩擦系數不變，且摩擦系數取0.3。但是井眼密度從已鉆井眼的1 200 kg/m3變為新鉆井眼的1 350 kg/m3。由圖4可知，隨著繼續鉆進，井深增加，摩阻增加，但是其值在密度改變后，其變化基本一致。因此，密度對摩阻變化的影響可以忽略。

1.3 密度不變，井斜變化

圖5為井深為2 000 m時，井斜為20°摩阻曲線；當鉆進至2 200 m，井斜變為30°，摩阻曲線；摩擦系數都取0.3。圖5可知，隨著繼續鉆進，新鉆井眼井斜角的增加，摩阻加大，井斜變大的摩阻值要大于井斜不變的摩阻值，判斷井眼變差，但摩擦系數一直都在0.3，整個井眼的情況并未發生變化。由圖6所示，隨著繼續鉆進，新鉆井眼井斜角的減小，摩阻增加，井斜變小的摩阻值要小于井斜不變的摩阻值，判斷井眼在井斜減小的情況下，井眼質量要比井斜增大的時候好，但實際井眼摩擦系數都為0.3，整個井眼的情況并未發生變化。

1.4 井斜不變，鉆具組合變化

圖7為使用鉆具組合Φ127 mm×2 000 m鉆桿鉆進至2 000 m，和使用鉆具組合為Φ159 mm×200 m鉆鋌+Φ127 mm×800 m鉆桿鉆進2 000 m的摩阻計算圖。由圖7可知，相同的井段，相同的摩擦系數，相同的井眼情況，鉆具變重，摩阻增加，判斷井眼變差，但摩擦系數沒變，整個井眼的情況并未發生變化。

總之，摩阻不能準確反映井下的情況，而摩擦系數可以客觀的評價井眼質量。

2 使用綜合摩擦系數來判斷

2.1 評價井眼整體情況

鑒于使用摩阻來判斷井下工況，有很大的誤差。因此，提出使用綜合摩擦系數來判斷井下的情況是否正常。

如圖8所示，假設每一個小段的段重為Qi，在某深度的摩阻為Tn，則綜合摩擦系數μn，可表示為：

(4)

式中：Qi—段重，kg/m；Li—段長，m；g—重力加速度，m/s2;αi—該段的井斜角，(°)。

若μn>μn-1，即鉆進后，整個井眼的摩擦系數比之前的大，表明井眼情況在變壞。

若μn<μn-1，即鉆進后，整個井眼的摩擦系數比之前的小，表明井眼情況在變好。

2.2 評價新鉆進井眼的情況

鉆進以后的整個井眼的平均情況可用(4)式計算的摩擦系數來表示，新鉆進井段的井眼情況，可用下式表示：

(5)

3 實例

花X41井設計垂深3 350 m，斜深4 560 m，造斜點1 500 m，最大井斜63.8°。實鉆斜深4 260 m，閉合位移1 900 m，實鉆最大井斜64.70°，最終井斜47.5°。該井使用摩阻來判斷井下工況，有很大的誤差。因此，提出使用綜合摩擦系數來判斷井下的情況是否正常。該井的鉆具組合(Φ215.9PDC+Φ127無磁鉆桿×18.4 m+Φ127HWDP×195 m+DP)從井深2 460 m以后變化很小。

由圖9、圖10、圖11可知，1)在井深達到3 500 m時，上提摩阻比3 300 m處摩阻小4 t，下放摩阻與3 300 m摩阻接近，通常會認為，井眼情況基本沒有變化。但實際上摩擦系數從0.3降至0.2，井眼情況大為變好。2)在3 500 m時摩擦系數為0.20，到3 700時摩擦系數變為0.40，由(5)式計算出，新鉆進的200 m井段，其摩擦系數為：

[(3 700-1 500)×0.4-
(3 500-1 500)×0.20]/200=2.4

可見井眼情況在這一段急劇地變壞，不過，這種變化也在可以控制的范圍之內；3)在井深達到3 700 m左右時，雖然摩阻已達40 t，但是其摩擦系數卻只有0.3，井眼情況還很正常。4)井深3 943 m到井底4 260 m，上提摩阻減小3 t，下放摩阻增加6 t，通常會認為井眼情況基本正常或者偏壞的趨勢。但實際上其摩擦系數從0.35變至0.34，井眼的情況應在在正常或者偏好的趨勢。

4 結論與建議

1)目前通常應用摩阻來判斷井下工況是否正常，有很大的局限性。在井眼摩擦系數取同一值時，即井眼狀況正常，當井深增加，穩斜鉆進，下井鉆具增加，摩阻增加；當井深增加，降斜鉆進，摩阻也會增加，但是增加量小；密度變化，摩阻變化很小，用摩阻的大小判斷井眼質量，存在誤差。

2)使用摩擦系數，可以消除鉆具組合變化、井斜方位變化、井深增加等增加的摩阻值，客觀地評價井下的工況。