孟英峰，楊 謀，李 皋，李永杰，唐思洪，張 軍，林四元

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500;2.西南油氣田公司采氣工程研究院，四川廣漢 618300;3.西南油氣田公司 勘探開發(fā)事業(yè)部，四川成都 610500;4.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督技術分公司，廣東湛江 524057)

基于機械比能理論的鉆井效率隨鉆評價及優(yōu)化新方法

孟英峰1，楊 謀1，李 皋1，李永杰1，唐思洪2，張 軍3，林四元4

(1.西南石油大學油氣藏地質及開發(fā)工程國家重點實驗室，四川成都 610500;2.西南油氣田公司采氣工程研究院，四川廣漢 618300;3.西南油氣田公司 勘探開發(fā)事業(yè)部，四川成都 610500;4.中海油能源發(fā)展股份有限公司監(jiān)督技術分公司，廣東湛江 524057)

在原有破巖機械比能理論基礎上，分析水力能量對破巖與井底凈化起到的積極作用，建立水力參數條件下破巖比能模型，并完善相關理論?；谄茙r比能模型與鉆井參數和機械鉆速的相互關系，通過分析鉆進中井底工況，判斷施加鉆井參數的合理性，提出相應優(yōu)化措施，并利用該模型預測機械鉆速。結果表明：建立的破巖比能效率評價體系能夠在鉆前準確預測機械鉆速、鉆進中隨鉆診斷井底工況及優(yōu)化參數、鉆后優(yōu)選鉆頭;該理論評價方法診斷準確率高、優(yōu)化效果好且流程識別簡單，具有良好的應用與推廣價值。

鉆井;機械比能;鉆井效率;鉆井參數;優(yōu)化方法;井底圍壓;機械鉆速

影響機械鉆速的因素有40多種［1］。因此，在眾多因素相互干擾下，難以客觀評價鉆井效率并采取相應技術措施提高機械鉆速。目前大多數鉆井優(yōu)化措施是根據鄰井已鉆資料來優(yōu)化未鉆井的施工參數，由于不同井地質和工程因素存在差異，使得鉆前優(yōu)化計算工作量大，且有時應用效果不很顯著。機械比能定義為破碎單位體積巖石所消耗的機械能量。因此，機械比能越大表明鉆井效率越低、鉆頭與地層的適應性越差、鉆井參數越有待優(yōu)化。Teale等［2-3］建立的機械比能模型僅考慮了鉆壓與轉速對破巖效率的影響，而忽視了水力參數對破巖效果起到的積極作用。目前眾多學者應用Teale比能模型從鉆井效率評價和鉆頭優(yōu)選方面進行研究［4-8］;閻鐵等［9］應用破碎比功分析了過平衡鉆井和欠平衡鉆井條件下同種地層鉆速差異較大的原因。筆者在前人研究的基礎上，建立水力參數條件下破巖比能模型及理論評價體系，指導鉆前機械鉆速預測、隨鉆過程中診斷井底工況并優(yōu)化鉆井參數、鉆后優(yōu)選與評價鉆頭。

1 水力參數條件下的破巖比能模型

機械比能EM簡要地表述為消耗機械能量ESI與獲得的機械鉆速vpc之比，即

Teale建立的鉆頭壓入和旋轉作用對破巖效率影響的機械比能模型［2］為

式中，W為鉆壓，kN;db為鉆頭直徑，cm;T為扭矩，kN·m;N為轉速，r/min。

模型(2)沒有分析水力參數對破巖效果的影響，而在鉆進過程中鉆頭水力參數不僅影響清潔井底巖屑的效果，而且在鉆進巖石強度較低的地層時，射流沖擊壓力能直接破碎巖石，起到輔助破巖的作用［10］。因此，需要將機械能量與水力能量兩者結合起來，形成井底真實鉆進條件下的破巖比能理論。

鉆進時噴嘴出口處的流體對井底施加射流沖擊力，根據牛頓第三定律，同樣對鉆頭作用一個相同的反作用力，使得有效鉆壓降低。射流沖擊力［10］Fj為

鉆頭水功率Nb為

式中，Q為鉆井液排量，L/s;ρd為鉆井液密度，g/cm3;A0為噴嘴出口截面積，cm2;Δpb為鉆頭壓力降，MPa。

影響鉆頭水功率的主要因素η包括噴嘴流速vn與鉆井液上返速度vf的比值Av、噴嘴直徑以及噴嘴與地層的距離。通常情況下環(huán)空區(qū)域是鉆頭面積的15%。因此，Av表達式［11］可寫為

噴嘴直徑與噴嘴位置對鉆頭水功率的影響因子C為

因此，η可由下式表達：

式中，dn為噴嘴直徑，cm;n為噴嘴個數;L為射流等速核潛在長度，cm;D為噴嘴距井底的距離，cm;α為射流擴散角，(°)。

綜上分析，考慮鉆頭水力功率下的破巖比能表達式為

式中，EMH為破巖比能，MPa;MA、MB和MC分別表示鉆壓、扭矩及鉆頭水功率對破巖效果的影響。

結合式(1)～(8)建立鉆頭水力參數條件下的破巖比能模型為

其中

式中，We為有效鉆壓，kN。

2 破巖比能模型中的參數求取方法

2.1 扭矩模型的推導

方程(2)和(9)中鉆頭扭矩T通過試驗或MWD較容易獲得。然而，鉆井現場主要記錄的數據為W、N、vpc及db，對此通過鉆頭的滑動摩擦系數μ和鉆壓We來判斷扭矩，該計算模型示意圖如圖1所示。

圖1 計算模型示意圖Fig.1 Sketch map of calculation model

依據二重積分相關定理，鉆進時扭矩T表示為

Hector［12］通過大型試驗建立了鉆頭的滑動摩擦系數與圍壓下巖石強度、鉆井液密度及鉆頭直徑之間的關系模型，表達式為

式中，S為圍壓下巖石強度，MPa。

通常情況下牙輪鉆頭、PDC鉆頭滑動摩擦系數分別為0.21與0.8左右，因此把式(10)、(11)代入式(9)可獲得實鉆過程中的破巖比能。

2.2 圍壓下巖石強度的求取

圍壓下巖石強度對鉆頭設計、性能評價及機械鉆速產生重要影響。目前鉆井工程上主要應用現場測井資料，結合室內單軸抗壓試驗得到的經驗公式來連續(xù)評價地層無圍壓條件下巖石強度分布情況，從而評價鉆頭性能及預測機械鉆速，這僅適用于清水鉆進的滲透性地層(無濾餅形成)，該鉆井方式代表了鉆井施工中極少數的一部分［13］。當滲透性地層用鉆井液鉆進和地層為非滲透性巖石時，這種預測方法就不適用了。因此，需要建立圍壓下巖石強度評價模型。

2.2.1 過平衡鉆井巖石強度評價模型

圍壓下巖石強度評價模型的建立需要分析不同滲透性地層對巖石強度的影響因素，將地層分為低滲、中滲和高滲分別建模獲得圍壓下巖石強度，該模型綜合表示為

式中，Sucs為無圍壓下巖石強度，MPa;Sdp為井底圍壓，MPa;φ 為巖石內摩擦角，(°)。

2.2.2 欠平衡鉆井巖石強度評價模型

欠平衡鉆井井底當量循環(huán)密度小于地層孔隙壓力，形成的負壓差有利于孔隙壓力釋放，使得巖石破碎裂紋擴展和井底凈化。因此，在負壓條件下井底巖石強度比正壓差下要低，且小于無圍壓下的巖石強度［14］，表示為

式中，Sccs為欠平衡鉆井條件下的巖石強度，MPa。

3 機械鉆速模型的推導

鉆進時鉆頭傳遞機械能量的效率φ為

破巖比能的最小值通常等于圍壓下的巖石強度，

Hector通過大型試驗建立的鉆頭破巖效率與井底巖石圍壓、鉆井液密度的關系模型［12］為

牙輪鉆頭、PDC鉆頭破巖效率分別為35% ～40% 和 30% ～35%［11，14］。

綜合式(9)、(13)、(15)及(16)，機械鉆速模型表達式為

4 破巖比能井底工況識別

從式(8)和(9)分析可得，水力參數條件下破巖比能為消耗機械能與獲得的機械鉆速之比。因此，在鉆進過程中破巖比能可以代表鉆井效率，在獲得理想機械鉆速條件下消耗的破巖比能越小，則表示施加的鉆井參數越合理，鉆頭與地層越適應［15-17］。但是，在施工過程中鉆井參數不能任意改變，需要結合井底一定工況條件而變化。鉆壓與機械鉆速關系示意圖如圖2所示。由圖2可以看出：

圖2 鉆壓與機械鉆速關系示意圖Fig.2 Sketch map of relation of bit weight and penetration rate

(1)若在區(qū)域A鉆進，在井底凈化完善的條件下，消耗一定的破巖比能反而獲得低的機械鉆速，因此需要提高鉆壓，一般在該區(qū)域鉆進幾率小。

(2)若在區(qū)域B鉆進，機械鉆速隨鉆壓的增大而增大，消耗的有效破巖比能約等于巖石強度，為有效破巖區(qū)域?？赏ㄟ^提高鉆壓并改變其相關鉆井參數來獲得較高的鉆速。

(3)經區(qū)域B獲得較高的機械鉆速后，井底形成的巖屑逐漸增多，有些巖屑附著于鉆頭刀翼或在巖石與鉆頭間形成一道屏障阻礙了鉆頭機械能量的有效傳遞，此時若繼續(xù)增加鉆壓可能導致鉆具震動(渦動或黏滑)。因此，機械鉆速不但不會提高反而降低，消耗的破巖比能大，破巖效率低，如圖3所示。

對于區(qū)域C的優(yōu)化，在設備配套的條件下可以提高水力參數，延伸泥包段范圍，獲得更高鉆速。若已達到設備的額定功率，應降低鉆壓，使施工參數處于區(qū)域B與C的相交處，從而確保為有效鉆進。

圖3 待優(yōu)化區(qū)域鉆井工況示意圖Fig.3 Schematic diagram of drilling condition to optimize region

應用水力參數條件下的破巖比能模型，結合實鉆過程中施加的鉆井參數與機械鉆速，能對鉆井效率實時診斷并提出優(yōu)化措施，從而達到提高機械鉆速、降低鉆井成本與減小作業(yè)風險的效果，優(yōu)化流程如圖4所示。

圖4 隨鉆井下工況診斷和鉆井參數優(yōu)化流程圖Fig.4 Flow diagram of diagnosis bottom-hole conditions and optimizing drilling parameters

5 實例應用分析

某井地層由砂巖、泥巖組成，孔隙發(fā)育低，巖石膠結致密。常規(guī)鉆進平均機械鉆速僅約為1.1 m/h。選取該層位應用破巖比能對鉆井參數實施效果進行分析。各項施工參數及計算結果如圖5所示。

圖5 典型井井下工況診斷與鉆井優(yōu)化分析結果Fig.5 Analysis result of typical well of optimizing drilling and diagnosis bottom-hole conditions

(1)鉆具震動：4.00～4.01 km處，鉆壓從80 kN降至60 kN時，破巖比能增加，機械鉆速降低。在4.01 km后重新增加鉆壓至80 kN后破巖比能立刻降低。在轉速和排量未改變條件下，不可能出現鉆頭泥包和井底凈化不充分。表明鉆具渦動使得能量不能有效傳遞到鉆頭處導致鉆速降低。

(2)鉆頭磨損：在4.065 km，巖石強度較低，破巖比能異常高，在鉆井參數未改變的條件下，機械鉆速降低較快。起鉆后發(fā)現鉆頭損壞嚴重，重新下一個鉆頭實施同樣的鉆井參數，破巖比能迅速降低。

(3)優(yōu)化參數：4.068～4.076 km，破巖比能隨著巖石強度的增加反而降低，破巖效率高，可以通過改變鉆壓來提高鉆速。因此，在4.077～4.096 km將鉆壓從80 kN增至100 kN后機械鉆速迅速增加。

(4)鉆頭泥包：4.106～4.119 km，該段巖石強度無變化，但是破巖比能反而上升，僅將排量從12 L/s增加至13 L/s后，比能降低。該層段以泥巖為主，易導致鉆頭泥包。若是砂巖則主要是井底未凈化充分。

(5)鉆頭選型：在該層段鉆井過程中A、B、C和D系列鉆頭分別應用2只、1只、3只和2只。應用圖5中的數據，可得到圖6。破巖比能最小者，表明該鉆頭與地層更適應。因此，鉆頭優(yōu)選的順序為A＞C＞D＞B，與現場施工結果吻合。

(6)機械鉆速預測：通過4類鉆頭預測機械鉆速的精確度為：86%(A)、85%(B)、96.4%(C)、95%(D)。全井段預測機械鉆速的準確度為94%，預測精度較高。

圖6 不同類型鉆頭的破巖比能與機械鉆速對比Fig.6 Comparison of different bits type of rock breaking energy and penetration rate

6 結論

(1)修正了原有僅考慮鉆壓與轉速的機械比能模型，新模型更加符合實際鉆進過程中消耗的機械能量與水力能量對破巖效果的影響。

(2)利用建立的水力參數破巖比能模型和相應的評價方法，可以實時隨鉆判斷不同鉆井參數條件下破巖效率，為鉆前機械鉆速預測、鉆進中井底工況診斷和參數優(yōu)化、鉆后鉆頭優(yōu)選提供了一套有效的研究方法。

(3)隨鉆井底工況診斷和鉆井參數優(yōu)化評價體系不僅識別簡單，而且評價精度高，具有良好的現場應用及推廣價值。

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New method of evaluation and optimization of drilling efficiency while drilling based on mechanical specific energy theory

MENG Ying-feng1，YANG Mou1，LI Gao1，LI Yong-jie1，TANG Si-hong2，ZHANG Jun3，LIN Si-yuan4
(1.State Key Laboratory of Oil and Gas Geology and Exploration in Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China;2.Engineering Technology Research Institute of Gas PetroChina，Southwest Oil＆ Gas Field Company，Guanghan 618300，China;3.Exploration and Development Department of Gas PetroChina，Southwest Oil＆ Gas Field Company，Chengdu 610500，China;4.Energy Technology＆ Services，Supervision＆ Technology Company Limited，Zhanjiang 524057，China)

Based on the original rock breaking machine specific energy theory，by analyzing the positive role of hydraulic energy on the rock breaking and bottom-hole clean，a rock breaking specific energy model was established under the conditions of the hydraulic parameters，and the relevant theory was perfected.Based on the relations between rock breaking specific energy model and drilling parameters and rate of penetration(ROP)，appropriate optimizing measures were proposed by analyzing bottom-hole conditions of drilling and determining the reasonability of drilling parameters.Meanwhile，ROP can be predicted by further deducing the model.The results show that the established evaluation system of mechanical specific energy efficiency can accurately predict ROP before drilling，diagnose bottom-hole conditions and optimize parameter during drilling，and select bit after drilling.The theory assessment with highly diagnostic accuracy，effective optimizing and simple operation was demonstrated by field examples of rock breaking specific energy.Therefore，it is worthy to be applied and promoted.

drilling;mechanical specific energy;drilling efficiency;drilling parameter;optimization method;bottom-hole confining pressure;rate of penetration

TE 21

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.02.018

1673-5005(2012)02-0110-05

2011－06－03

國家“973”高技術研究發(fā)展計劃項目(2010CB226704);國家重大專項課題(2011ZX05022－005)

孟英峰(1954－)，男(漢族)，河北保定人，教授，博士，博士生導師，從事石油與天然氣工程學科的教學和科研工作。

(編輯 李志芬)