摩阻判断井眼情况的误差探讨

谢 鑫，丁少华，付成林，窦正道，金 晶

(中石化江苏油田分公司 石油工程技术研究院,江苏 扬州 225009)

目前在现场，通常使用摩阻值或观察大钩载荷曲线是否有突变点，判断井下是否正常，但是摩阻取值和突变量没有定量评价标准。[1-2]摩阻值仅仅能表示整个井眼的情况，无法分析新钻进井眼和已钻井的情况，也没有考虑钻具组合、泥浆密度、井斜变化等的影响，从而判断井眼情况产生误差。

1 影响摩阻判断的因素

摩阻可以反映井眼的情况，通常认为摩阻大，则井眼异常，小则正常。摩阻的取值和很多因素有关，比如钻具组合变化、随着井深增加和下井钻具增加而增加、井眼轨迹、井壁失稳等[3-5]。

假设：1)井眼轨迹没有定向段，只有直井段和稳斜段。

2)所有的阻碍钻柱在井中运动的因素，都等效为摩擦系数。

1.1 密度不变，井斜不变

假设某一时刻，井深为2 000 m，直井段长度为1 000 m，斜井段长度为1 000 m，且以30°井斜稳斜钻进(见图1)。之后，继续钻进200 m，至井深2 200 m。为计算简便，钻具组合全部取Φ127 mm钻杆进行模拟计算，其段重Q取38.1 kg/m。摩擦系数μ分别取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。新钻井段的摩擦系数与之前的井段一致。密度取1 200 kg/m3。

使用如下公式计算：

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°。

当新钻进井段的井眼工况保持不变，即新钻进井段和已钻井井段摩擦系数取同一值。井斜取30°计算，由图2可知，随着继续钻进，井深增加，摩阻也增大。已钻井段和新钻进井段摩擦系数都取0.5时，新钻进井段摩阻要增加2 t，判断井眼变差，实际上井眼的摩擦系数没有变化，井眼情况正常。

图3为新钻进井段的工况发生改变，即新钻进井段摩擦系数发生改变，已钻井井段摩擦系数取0.3。即由于井眼工况的改变，新钻进井段的摩擦系数分别取为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。由图3可知，随着继续钻进，摩阻增加。当原来井段的摩擦系数为0.3，而新钻进井段摩擦系数为0.3时，摩阻增加1.5 t，判断井眼情况变差。实际新钻井眼摩擦系数变为0.3，与已钻井井段摩擦系数一致，井眼质量正常。

1.2 密度改变，井斜不变

图4为井斜取30°，新钻进井段的井眼工况保持不变，即新钻进井段摩擦系数不变，且摩擦系数取0.3。但是井眼密度从已钻井眼的1 200 kg/m3变为新钻井眼的1 350 kg/m3。由图4可知，随着继续钻进，井深增加，摩阻增加，但是其值在密度改变后，其变化基本一致。因此，密度对摩阻变化的影响可以忽略。

1.3 密度不变，井斜变化

图5为井深为2 000 m时，井斜为20°摩阻曲线；当钻进至2 200 m，井斜变为30°，摩阻曲线；摩擦系数都取0.3。图5可知，随着继续钻进，新钻井眼井斜角的增加，摩阻加大，井斜变大的摩阻值要大于井斜不变的摩阻值，判断井眼变差，但摩擦系数一直都在0.3，整个井眼的情况并未发生变化。由图6所示，随着继续钻进，新钻井眼井斜角的减小，摩阻增加，井斜变小的摩阻值要小于井斜不变的摩阻值，判断井眼在井斜减小的情况下，井眼质量要比井斜增大的时候好，但实际井眼摩擦系数都为0.3，整个井眼的情况并未发生变化。

1.4 井斜不变，钻具组合变化

图7为使用钻具组合Φ127 mm×2 000 m钻杆钻进至2 000 m，和使用钻具组合为Φ159 mm×200 m钻铤+Φ127 mm×800 m钻杆钻进2 000 m的摩阻计算图。由图7可知，相同的井段，相同的摩擦系数，相同的井眼情况，钻具变重，摩阻增加，判断井眼变差，但摩擦系数没变，整个井眼的情况并未发生变化。

总之，摩阻不能准确反映井下的情况，而摩擦系数可以客观的评价井眼质量。

2 使用综合摩擦系数来判断

2.1 评价井眼整体情况

鉴于使用摩阻来判断井下工况，有很大的误差。因此，提出使用综合摩擦系数来判断井下的情况是否正常。

如图8所示，假设每一个小段的段重为Qi，在某深度的摩阻为Tn，则综合摩擦系数μn，可表示为：

(4)

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

若μn>μn-1，即钻进后，整个井眼的摩擦系数比之前的大，表明井眼情况在变坏。

若μn<μn-1，即钻进后，整个井眼的摩擦系数比之前的小，表明井眼情况在变好。

2.2 评价新钻进井眼的情况

钻进以后的整个井眼的平均情况可用(4)式计算的摩擦系数来表示，新钻进井段的井眼情况，可用下式表示：

(5)

3 实例

花X41井设计垂深3 350 m，斜深4 560 m，造斜点1 500 m，最大井斜63.8°。实钻斜深4 260 m，闭合位移1 900 m，实钻最大井斜64.70°，最终井斜47.5°。该井使用摩阻来判断井下工况，有很大的误差。因此，提出使用综合摩擦系数来判断井下的情况是否正常。该井的钻具组合(Φ215.9PDC+Φ127无磁钻杆×18.4 m+Φ127HWDP×195 m+DP)从井深2 460 m以后变化很小。

由图9、图10、图11可知，1)在井深达到3 500 m时，上提摩阻比3 300 m处摩阻小4 t，下放摩阻与3 300 m摩阻接近，通常会认为，井眼情况基本没有变化。但实际上摩擦系数从0.3降至0.2，井眼情况大为变好。2)在3 500 m时摩擦系数为0.20，到3 700时摩擦系数变为0.40，由(5)式计算出，新钻进的200 m井段，其摩擦系数为：

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

可见井眼情况在这一段急剧地变坏，不过，这种变化也在可以控制的范围之内；3)在井深达到3 700 m左右时，虽然摩阻已达40 t，但是其摩擦系数却只有0.3，井眼情况还很正常。4)井深3 943 m到井底4 260 m，上提摩阻减小3 t，下放摩阻增加6 t，通常会认为井眼情况基本正常或者偏坏的趋势。但实际上其摩擦系数从0.35变至0.34，井眼的情况应在在正常或者偏好的趋势。

4 结论与建议

1)目前通常应用摩阻来判断井下工况是否正常，有很大的局限性。在井眼摩擦系数取同一值时，即井眼状况正常，当井深增加，稳斜钻进，下井钻具增加，摩阻增加；当井深增加，降斜钻进，摩阻也会增加，但是增加量小；密度变化，摩阻变化很小，用摩阻的大小判断井眼质量，存在误差。

2)使用摩擦系数，可以消除钻具组合变化、井斜方位变化、井深增加等增加的摩阻值，客观地评价井下的工况。