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(shù)研究院,江蘇 揚(yáng)州 225009)

目前在現(xiàn)場(chǎng)，通常使用摩阻值或觀察大鉤載荷曲線是否有突變點(diǎn)，判斷井下是否正常，但是摩阻取值和突變量沒有定量評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。[1-2]摩阻值僅僅能表示整個(gè)井眼的情況，無(wú)法分析新鉆進(jìn)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(chǎn)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(rèn)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(guān)，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(wěn)等[3-5]。

假設(shè)：1)井眼軌跡沒有定向段，只有直井段和穩(wěn)斜段。

2)所有的阻礙鉆柱在井中運(yùn)動(dòng)的因素，都等效為摩擦系數(shù)。

1.1 密度不變，井斜不變

假設(shè)某一時(shí)刻，井深為2 000 m，直井段長(zhǎng)度為1 000 m，斜井段長(zhǎng)度為1 000 m，且以30°井斜穩(wěn)斜鉆進(jìn)(見圖1)。之后，繼續(xù)鉆進(jìn)200 m，至井深2 200 m。為計(jì)算簡(jiǎn)便，鉆具組合全部取Φ127 mm鉆桿進(jìn)行模擬計(jì)算，其段重Q取38.1 kg/m。摩擦系數(shù)μ分別取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。新鉆井段的摩擦系數(shù)與之前的井段一致。密度取1 200 kg/m3。

使用如下公式計(jì)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(dāng)新鉆進(jìn)井段的井眼工況保持不變，即新鉆進(jìn)井段和已鉆井井段摩擦系數(shù)取同一值。井斜取30°計(jì)算，由圖2可知，隨著繼續(xù)鉆進(jìn)，井深增加，摩阻也增大。已鉆井段和新鉆進(jìn)井段摩擦系數(shù)都取0.5時(shí)，新鉆進(jìn)井段摩阻要增加2 t，判斷井眼變差，實(shí)際上井眼的摩擦系數(shù)沒有變化，井眼情況正常。

圖3為新鉆進(jìn)井段的工況發(fā)生改變，即新鉆進(jìn)井段摩擦系數(shù)發(fā)生改變，已鉆井井段摩擦系數(shù)取0.3。即由于井眼工況的改變，新鉆進(jìn)井段的摩擦系數(shù)分別取為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5。由圖3可知，隨著繼續(xù)鉆進(jìn)，摩阻增加。當(dāng)原來(lái)井段的摩擦系數(shù)為0.3，而新鉆進(jìn)井段摩擦系數(shù)為0.3時(shí)，摩阻增加1.5 t，判斷井眼情況變差。實(shí)際新鉆井眼摩擦系數(shù)變?yōu)?.3，與已鉆井井段摩擦系數(shù)一致，井眼質(zhì)量正常。

1.2 密度改變，井斜不變

圖4為井斜取30°，新鉆進(jìn)井段的井眼工況保持不變，即新鉆進(jìn)井段摩擦系數(shù)不變，且摩擦系數(shù)取0.3。但是井眼密度從已鉆井眼的1 200 kg/m3變?yōu)樾裸@井眼的1 350 kg/m3。由圖4可知，隨著繼續(xù)鉆進(jìn)，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(duì)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(shí)，井斜為20°摩阻曲線；當(dāng)鉆進(jìn)至2 200 m，井斜變?yōu)?0°，摩阻曲線；摩擦系數(shù)都取0.3。圖5可知，隨著繼續(xù)鉆進(jìn)，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(shù)一直都在0.3，整個(gè)井眼的情況并未發(fā)生變化。由圖6所示，隨著繼續(xù)鉆進(jìn)，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(zhì)量要比井斜增大的時(shí)候好，但實(shí)際井眼摩擦系數(shù)都為0.3，整個(gè)井眼的情況并未發(fā)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(jìn)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(jìn)2 000 m的摩阻計(jì)算圖。由圖7可知，相同的井段，相同的摩擦系數(shù)，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(shù)沒變，整個(gè)井眼的情況并未發(fā)生變化。

總之，摩阻不能準(zhǔn)確反映井下的情況，而摩擦系數(shù)可以客觀的評(píng)價(jià)井眼質(zhì)量。

2 使用綜合摩擦系數(shù)來(lái)判斷

2.1 評(píng)價(jià)井眼整體情況

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

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

(4)

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

若μn>μn-1，即鉆進(jìn)后，整個(gè)井眼的摩擦系數(shù)比之前的大，表明井眼情況在變壞。

若μn<μn-1，即鉆進(jìn)后，整個(gè)井眼的摩擦系數(shù)比之前的小，表明井眼情況在變好。

2.2 評(píng)價(jià)新鉆進(jìn)井眼的情況

鉆進(jìn)以后的整個(gè)井眼的平均情況可用(4)式計(jì)算的摩擦系數(shù)來(lái)表示，新鉆進(jìn)井段的井眼情況，可用下式表示：

(5)

3 實(shí)例

花X41井設(shè)計(jì)垂深3 350 m，斜深4 560 m，造斜點(diǎn)1 500 m，最大井斜63.8°。實(shí)鉆斜深4 260 m，閉合位移1 900 m，實(shí)鉆最大井斜64.70°，最終井斜47.5°。該井使用摩阻來(lái)判斷井下工況，有很大的誤差。因此，提出使用綜合摩擦系數(shù)來(lái)判斷井下的情況是否正常。該井的鉆具組合(Φ215.9PDC+Φ127無(wú)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(dá)到3 500 m時(shí)，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(huì)認(rèn)為，井眼情況基本沒有變化。但實(shí)際上摩擦系數(shù)從0.3降至0.2，井眼情況大為變好。2)在3 500 m時(shí)摩擦系數(shù)為0.20，到3 700時(shí)摩擦系數(shù)變?yōu)?.40，由(5)式計(jì)算出，新鉆進(jìn)的200 m井段，其摩擦系數(shù)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(guò)，這種變化也在可以控制的范圍之內(nèi)；3)在井深達(dá)到3 700 m左右時(shí)，雖然摩阻已達(dá)40 t，但是其摩擦系數(shù)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(huì)認(rèn)為井眼情況基本正常或者偏壞的趨勢(shì)。但實(shí)際上其摩擦系數(shù)從0.35變至0.34，井眼的情況應(yīng)在在正?；蛘咂玫内厔?shì)。

4 結(jié)論與建議

1)目前通常應(yīng)用摩阻來(lái)判斷井下工況是否正常，有很大的局限性。在井眼摩擦系數(shù)取同一值時(shí)，即井眼狀況正常，當(dāng)井深增加，穩(wěn)斜鉆進(jìn)，下井鉆具增加，摩阻增加；當(dāng)井深增加，降斜鉆進(jìn)，摩阻也會(huì)增加，但是增加量?。幻芏茸兓?，摩阻變化很小，用摩阻的大小判斷井眼質(zhì)量，存在誤差。

2)使用摩擦系數(shù)，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(píng)價(jià)井下的工況。