基于機械比能的快速鉆井理論研究與應用

李振川，蘭祖權，姚昌順，陳 偉，黃益疆

（1.中國石油集團西部鉆探工程有限公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國石油集團西部鉆探工程有限公司工程技術處，新疆 烏魯木齊 830000；3.中國石油集團西部鉆探工程有限公司準東鉆井公司，新疆 克拉瑪依 834000；4.中國石油集團西部鉆探工程有限公司新疆油田協(xié)調(diào)部，新疆 克拉瑪依 834000）

目前國內(nèi)非常規(guī)油氣資源已經(jīng)進入規(guī)模開發(fā)階段，但鉆井周期、建井成本與北美相比還存在較大差距，國內(nèi)一部鉆機每年平均可以完成5～6口水平井，北美則能完成20 余口，這嚴重影響國內(nèi)非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)進程。2020～2021年西部鉆探公司開展基于機械比能的快速鉆井理論先導性試驗，在瑪湖油田、吉木薩爾頁巖油等區(qū)域現(xiàn)場試驗10 余井次，提速增效效果顯著。

快速鉆井理論以機械比能為基礎，以科學理論為依據(jù)，通過軟件建模、機械比能監(jiān)測、限制因素分析等手段，實現(xiàn)井筒參數(shù)精確模擬、鉆井參數(shù)優(yōu)選、鉆井效率提升等，對鉆完井全過程進行系統(tǒng)優(yōu)化，有效協(xié)助現(xiàn)場提高機械鉆速及鉆井效率，縮短鉆完井周期，目前該理論技術廣泛應用于北美頁巖氣。

機械比能最早是由R.Teale 在1965年提出的，他針對不同巖性的巖石采用不同類型的鉆頭，進行大量的實驗，建立了機械比能的模型。目前機械比能已被廣泛應用于國外的石油勘探中，它不僅可以提供實時鉆井性能的評價，還可以隨鉆監(jiān)測井下工況，對提高鉆探效率、降低鉆探成本具有重要的理論指導意義。

1 機械比能公式及意義

機械比能，Mechanical Specific Energy（簡寫MSE），是指破碎單位體積的巖石所消耗的能量。Teale通過將旋轉(zhuǎn)做功與軸向做功相加，然后除以所鉆巖石的體積推導出具體公式。

式中：MSE——機械比能，Psi（MPa）；

Energy——能量；

Rock Vol——巖石體積；

TOR——扭矩，ft·lbs(kN·m)；

RPM——轉(zhuǎn)速，r/min；

Dia——鉆頭直徑，in(mm)；

ROP——機械鉆速，ft/h(m/h)；

WOB——鉆壓，lbs(kN)。

機械比能可以直接衡量鉆井是否有效率，通過大量實驗室數(shù)據(jù)證明，如果鉆進效率是100%，則MSE值等于巖石的抗壓強度。MSE值越低，證明鉆井越有效率，地表輸入的能量大部分均用于鉆頭破巖，轉(zhuǎn)化為機械鉆速；反之，MSE 值越高，則證明鉆井效率越低，地表輸入的能量大部分浪費在振動或者其它井下低效事件上，機械鉆速低的同時，也會對井下工具及鉆頭造成較大的傷害。

對大量實鉆數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，PDC 鉆頭鉆進效率較高時，MSE值約為巖石抗壓強度的3～4倍。

2 井下低效事件及分步測試

2.1 井下低效事件

正常鉆井過程中，地表輸入的鉆壓、轉(zhuǎn)速、扭矩等能量并不能全部用于井底鉆頭破巖，一部分能量被浪費在井筒內(nèi)，這些浪費能量的事件稱之為低效事件。低效事件不僅會導致能量浪費，同時還會造成井下工具及鉆頭的快速損壞，降低鉆井效率，增加鉆井成本。

一般井下低效事件主要包括振動、泥包、硬夾層、井底泥包（井底巖屑因壓差粘附在井底形成巖屑層）等，其中最普遍的就是井下振動。振動包括三種方式：橫向振動—渦動、扭轉(zhuǎn)振動—粘滑、軸向振動—憋跳。

2.2 分步測試

快速鉆井理論提出一種結合MSE變化避免低效事件、優(yōu)選鉆井參數(shù)的方法，稱為分步測試。分步測試分為轉(zhuǎn)速及鉆壓分步測試，現(xiàn)場操作時先進行轉(zhuǎn)速分步測試，而后進行鉆壓分步測試，最終確定最優(yōu)鉆井參數(shù)。

2.2.1 轉(zhuǎn)速分步測試

每趟入井的鉆具組合都有它的共振轉(zhuǎn)速，當處于共振轉(zhuǎn)速時，鉆具的振動幅度會變大，轉(zhuǎn)速分步測試的目的是為了找出鉆具組合的共振轉(zhuǎn)速，并且在之后的鉆井過程中避免使用該轉(zhuǎn)速。

轉(zhuǎn)速分步測試具體步驟如下：

（1）首先固定一個區(qū)域鉆井常用的鉆壓值（避免過小或過大）；

（2）結合井下工具及現(xiàn)場實際情況確定轉(zhuǎn)速測試區(qū)間；

（3）從區(qū)間最低轉(zhuǎn)速開始測試，每次測試直至得到穩(wěn)定的MSE值即可；

（4）以相同的步長（如10r/min）逐漸增加轉(zhuǎn)速，每次測試直至得到穩(wěn)定的MSE值；

（5）測試至區(qū)間最大轉(zhuǎn)速，測試過程中MSE 值較高的轉(zhuǎn)速即趨近共振轉(zhuǎn)速，記錄此轉(zhuǎn)速，本趟鉆避免使用該轉(zhuǎn)速；MSE 值較低的轉(zhuǎn)速即為最優(yōu)轉(zhuǎn)速，如果區(qū)間內(nèi)幾個轉(zhuǎn)速MSE值相近，則選擇其中的最高轉(zhuǎn)速為最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

2.2.2 鉆壓分步測試

轉(zhuǎn)速分步測試后，進行鉆壓分步測試，具體步驟如下：

（1）首先根據(jù)轉(zhuǎn)速分步測試結果固定最優(yōu)轉(zhuǎn)速；

（2）結合鉆頭及現(xiàn)場實際情況確定鉆壓測試區(qū)間；

（3）從區(qū)間最低轉(zhuǎn)速開始測試，每次測試直至得到穩(wěn)定的MSE值即可；

（4）以相同的步長（如20kN）逐漸增加鉆壓，每次測試直至得到穩(wěn)定的MSE值；

（5）測試過程中，如發(fā)現(xiàn)MSE 值增加即可停止測試，選擇MSE 值增加前的鉆壓為最優(yōu)鉆壓；如果直至測試至區(qū)間最大鉆壓MSE值仍下降或保持不變，則選擇區(qū)間最大鉆壓為最優(yōu)鉆壓。

測試完畢后即可優(yōu)選最優(yōu)轉(zhuǎn)速及鉆壓，一般轉(zhuǎn)速分步測試只在該趟鉆具入井后測試一次即可，鉆壓測試可以根據(jù)現(xiàn)場實際情況進行多次測試，如每班測試一次，如果有地層及巖性變化也可加密測試。

3 現(xiàn)場優(yōu)化實踐應用

3.1 編制鉆前優(yōu)化方案

現(xiàn)場實踐前，將MSE等曲線的算法及模型導入錄井系統(tǒng)，確保現(xiàn)場可以實時監(jiān)測；收集目標區(qū)域鄰井鉆、測、錄井資料及目標井設計等，進行鉆前優(yōu)化方案編制工作。

3.1.1 鉆前地質(zhì)、工程建模

根據(jù)鄰井測井資料進行區(qū)域地質(zhì)力學建模，詳細刻畫目標井區(qū)三壓力剖面，對安全鉆井鉆井液密度窗口進行分析評價，結合工程設計確定合理的鉆井液密度范圍。另外，根據(jù)巖石抗壓強度變化預估合理的鉆進MSE值，為實鉆調(diào)整MSE提供一定的理論支撐。

利用目標井設計數(shù)據(jù)進行工程建模，模擬鉆進過程各項參數(shù)，如泵壓、ECD、摩阻及扭矩等，指導現(xiàn)場設備優(yōu)選及工程施工。

3.1.2 歷史數(shù)據(jù)回放分析

收集區(qū)域已鉆鄰井錄井時間庫數(shù)據(jù)，計算對應的MSE值并導入軟件成圖，通過MSE曲線的回放結合快速鉆井理論，分析區(qū)域普遍存在的提速限制因素，如低效事件及井隊的可優(yōu)化操作等。

以瑪湖油田為例，經(jīng)分析，瑪湖區(qū)域普遍存在的低效事件包括：

（1）造斜段及水平段鉆遇褐色泥巖導致的鉆頭泥包；

（2）使用鉆壓普遍偏小導致的渦動；

（3）水平段鉆遇砂礫巖導致的軸向振動。

井隊的可優(yōu)化操作包括：

（1）新鉆頭入井時采用小鉆壓進行井底造型操作；

（2）部分井隊存在緩慢撤銷、施加鉆壓的操作；

（3）定期進行短起下鉆及循環(huán)洗井操作；

（4）水平段螺桿鉆進使用單扶或無扶鉆具組合，為控制井斜使用小鉆壓鉆進。

3.1.3 鉆前優(yōu)化方案制定

根據(jù)鉆前建模及數(shù)據(jù)分析，采取針對性措施，通過優(yōu)選鉆頭類型及水眼，制定合理的鉆具組合，合理評估要求泥漿性能，優(yōu)化井隊操作等，編制鉆前鉆井優(yōu)化方案，以瑪湖油田為例，方案主要優(yōu)化方向如下：

（1）造斜段優(yōu)選史密斯MDi513 鉆頭，水平段優(yōu)選史密斯MSi613鉆頭；

（2）結合泵壓建模優(yōu)選合理的鉆頭水眼，如艾湖2井區(qū)造斜段水眼優(yōu)選3×10+2×9，緩解鉆頭泥包；

（3）造斜段優(yōu)選旋導，水平段使用雙扶（152+158mm）螺桿鉆具組合；

（4）有害固相含量控制在10%以下，適當加入潤滑劑及抑制劑，6轉(zhuǎn)讀數(shù)6.5～7.8；

（5）水平段使用水力振蕩器降低摩阻，推薦使用頂驅(qū)扭擺工具；

（6）鉆井參數(shù)根據(jù)實際分步測試結合MSE曲線變化確定；

（7）取消磨合鉆頭操作，執(zhí)行快速施加、撤銷鉆壓的接立柱操作；

（8）取消短起下鉆及循環(huán)洗井，定期進行摩阻測試，根據(jù)摩阻建模分析井下情況。

3.2 現(xiàn)場優(yōu)化實踐

2020～2021年在現(xiàn)場優(yōu)化實踐15 井次，將快速鉆井理論與現(xiàn)場實際情況相結合，總結形成多項關鍵技術，有效助力現(xiàn)場水平井提速增效。

3.2.1 基于MSE的實時監(jiān)測及優(yōu)化技術

實鉆過程中通過實時監(jiān)測MSE 曲線及其它工程參數(shù)變化，結合快速鉆井理論，形成基于MSE 的實時監(jiān)測及優(yōu)化技術，可以實現(xiàn)對井下鉆頭工具及作業(yè)風險的分析判斷，以及對井下低效事件的識別及調(diào)整。

實鉆數(shù)據(jù)顯示，如MSE 曲線迅速升高，偏離基準值，改變參數(shù)無法回歸，則代表鉆頭損壞嚴重，應及時起鉆，避免進一步損壞鉆頭；如MSE曲線升高但可以回歸基準值，則代表地層巖性變化或參數(shù)不適，無需起鉆更換鉆頭。現(xiàn)場實踐過程中通過MSE監(jiān)測及時發(fā)現(xiàn)鉆頭損壞，提示井隊起鉆共計10余次，判斷準確率100%。

另外，現(xiàn)場MSE曲線升高代表可能存在井下低效事件，結合工程參數(shù)可以有效識別低效事件類型，采取措施調(diào)整?，F(xiàn)場實踐普遍存在的低效事件為渦動，此時鉆壓較小、轉(zhuǎn)速較高，MSE升高偏離基準值，可以及時增加鉆壓或減小轉(zhuǎn)速，減輕渦動。

3.2.2 分步測試技術

根據(jù)快速鉆井理論，實鉆過程中采取分步測試確定鉆井參數(shù)，每班1～2 次，實踐結果表明，采用分步測試后的參數(shù)可以明顯提高機械鉆速，降低MSE 值，有助于提高趟鉆進尺。

圖1為現(xiàn)場轉(zhuǎn)速分步測試實例，固定鉆壓50kN，測試轉(zhuǎn)速區(qū)間80～120r/min，自80r/min 開始測試，每次測試直至得到穩(wěn)定的MSE 值，按固定步長10r/min 逐漸測試至120r/min，根據(jù)MSE 曲線變化可以明顯看到：轉(zhuǎn)速80r/min 時，MSE 值最高，約400Ksi；轉(zhuǎn)速100r/min及120r/min時MSE值最低，約200Ksi。表明此趟鉆鉆具組合當轉(zhuǎn)速處于80r/min及110r/min時，振動幅度較大；區(qū)間內(nèi)轉(zhuǎn)速100r/min及120r/min時MSE值較低，按照理論應選擇120r/min為最優(yōu)轉(zhuǎn)速，實際鉆井過程中，考慮到井下旋導工具的使用限制，選擇100r/min為最優(yōu)轉(zhuǎn)速。

圖1 轉(zhuǎn)速分步測試實例

轉(zhuǎn)速分步測試后，固定轉(zhuǎn)速100r/min 進行鉆壓分步測試（圖2），測試鉆壓區(qū)間50～90kN，自50kN 開始測試，按固定步長20kN測試至90kN，明顯可以看到隨著鉆壓增加，MSE值逐漸降低，機械鉆速逐漸變快，說明鉆壓50kN時井下低效事件主要為渦動，通過增加鉆壓減小渦動，增加機械鉆速的同時也能保護井下工具及鉆頭。

圖2 鉆壓分步測試實例

3.2.3 可視化馬達壓差技術

馬達壓差可以直接反映螺桿的輸出功率，水平井摩阻較高，無法準確判斷鉆頭實際鉆壓及螺桿工作效率，馬達壓差可有效協(xié)助定向井工程師實時量化評價螺桿輸出功率，提高鉆進效率。

以往的現(xiàn)場鉆井中，工程師只能憑借經(jīng)驗判斷馬達壓差，制定相關措施，快速鉆井實踐中，通過將馬達壓差算法模型導入錄井系統(tǒng)，形成可視化馬達壓差曲線，可以很直觀地觀察馬達壓差數(shù)值及變化，協(xié)助工程師判斷螺桿工作效率。

3.2.4 科學的水平井井眼清潔技術

目前國內(nèi)部分現(xiàn)場操作中，對于水平井巖屑床的形成與清除沒有科學、系統(tǒng)的認識，常采用短起下鉆、循環(huán)洗井及打稠塞的方法清潔井眼，但這些措施無法從根本上清除巖屑床，隨著水平段延伸，巖屑床又會恢復到原有高度。

快速鉆井理論從原理上分析水平井巖屑床的成因及巖屑運移機制：鉆具旋轉(zhuǎn)攪起井眼低邊的巖屑，并被帶到上方的高速流動區(qū)域，從而被攜帶運移一段距離直到懸浮的巖屑下沉到低邊，然后再重復這一過程，稱之為傳送帶效應。根據(jù)巖屑運移機制，總結水平井井眼清潔關鍵因素：規(guī)則井眼、排量、轉(zhuǎn)速及6轉(zhuǎn)讀數(shù)。

現(xiàn)場實踐過程中，瑪湖油田三開6.5″井眼采用17L/s排量，鉆進轉(zhuǎn)速控制70r/min以上，6轉(zhuǎn)讀數(shù)6.5～7.8，滿足小井眼清潔需要，鉆進過程中取消短起下鉆及定期循環(huán)洗井，節(jié)約大量低效生產(chǎn)時間。

為監(jiān)測井眼清潔程度，現(xiàn)場采用摩阻測試建模的方式輔助判斷井下情況，每鉆進100m在鉆臺測試空轉(zhuǎn)及停頂驅(qū)上提、下放懸重值，記錄數(shù)據(jù)并進行摩阻建模（圖3），根據(jù)實測曲線變化制定合理的井眼清潔措施，如摩阻系數(shù)維持穩(wěn)定，表明該段井眼無異常，如某一井段摩阻系數(shù)突增，表明該井段可能存在井壁不規(guī)則或井眼清潔問題，可以針對性地進行劃眼、倒劃眼作業(yè)。

3.2.5 科學的鉆井操作實踐技術

圖3 摩阻測試建模實例

現(xiàn)場實踐操作時，根據(jù)快速鉆井理論，取消以往的經(jīng)驗性操作，如新鉆頭入井時的井底造型及接立柱前后的緩慢撤銷、施加鉆壓，因為這些操作本質(zhì)上以小鉆壓在井底鉆進，會造成劇烈的渦動，加快鉆頭及工具的損壞，同時產(chǎn)生螺旋井眼，為起下鉆及完井作業(yè)增加困難。

現(xiàn)場通過取消井底造型、執(zhí)行接立柱前后1min 內(nèi)快速撤銷、施加鉆壓等操作，配合MSE 監(jiān)測優(yōu)化與分步測試，可以有效提高趟鉆進尺。

3.3 鉆后總結與推廣應用

2020年通過瑪湖油田5 口井的現(xiàn)場優(yōu)化實踐，取得了優(yōu)異的指標及成果：

（1）造斜段平均趟鉆進尺較2019年提高42.6%，水平段提高25.6%；

（2）打破13 項區(qū)域記錄，如旋導一趟鉆1040m、螺桿單日進尺290m等；

（3）艾湖2井區(qū)4口井三開鉆井周期較2019年區(qū)塊平均周期分別縮短26.9%、46.7%、38.4%與30.8%；

（4）風南4井區(qū)1口井較2019年區(qū)塊平均周期縮短61.6%。

2021年經(jīng)推廣應用，瑪湖油田瑪133 井區(qū)及吉木薩爾頁巖油等區(qū)域現(xiàn)場應用后，也取得了良好的提速效果，其中吉木薩爾頁巖油JHW16-14 井一趟鉆進尺達2495m，全井鉆井周期共21.67d，兩項指標刷新頁巖油區(qū)域歷史記錄。

實踐證明，在現(xiàn)有技術裝備條件下，基于MSE 的快速鉆井理論是切實可行的，能夠利用實時數(shù)據(jù)指導現(xiàn)場鉆井提速增效，推動經(jīng)驗鉆井向科學鉆井轉(zhuǎn)變，具備大范圍推廣應用條件。

4 結論

（1）機械比能參數(shù)可以很直觀地判斷鉆井效率，還可以用于輔助判斷井下情況，對于石油鉆探具有重要的理論指導意義。

（2）MSE 值越低，證明鉆井效率越高；反之，MSE值越高，則證明鉆井效率越低。

（3）正常鉆進過程中，能量不可能100%用于鉆頭破巖，一般會伴隨井下低效事件，低效事件不僅浪費能量，還會加速工具及鉆頭損壞。

（4）利用MSE 結合工程鉆井參數(shù)，可以很好地識別井下低效事件；采用分步測試的技術優(yōu)選鉆井參數(shù)，可以大幅度提高機械鉆速，提高鉆進效率。

（5）短起下鉆、循環(huán)洗井及打稠塞等措施無法從根本上解決水平井井眼清潔問題；水平井井眼清潔關鍵因素包括：規(guī)則井眼、排量、轉(zhuǎn)速及6轉(zhuǎn)讀數(shù)。

（6）快速鉆井理論新方法可以有效提升鉆井作業(yè)效率，經(jīng)過現(xiàn)場實踐驗證，提速增效效果較好，適合大范圍推廣應用。