基于MSE的鉆井優(yōu)化方法在瑪湖油田的應用

郭志奇，王志勇，蘭祖權(quán)

（1.中國石油集團西部鉆探工程有限公司工程技術(shù)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(shù)處，新疆 烏魯木齊 830000）

新疆瑪湖油田作為世界上面積最大的礫巖油區(qū)，油層分布受巖性、物性、構(gòu)造等多重因素影響，油層展布預測難度大，鉆井條件復雜[1-2]。在實際鉆進過程中，存在地層巖性變化大、地層壓力系統(tǒng)復雜、漏失現(xiàn)象嚴重、鉆井周期長等難點[3]。經(jīng)過近幾年的持續(xù)探索與實踐，瑪湖油田鉆井指標較以往有了很大的提升。在中石油低成本開發(fā)的戰(zhàn)略背景下，需要進一步挖掘提速潛力，尋求一種不增加新的鉆井工藝投入的前提下實現(xiàn)進一步提速目的的方法。機械比能理論（MSE，Mechical Specific Energy）是一種可用于隨鉆評價鉆井效率和識別井底工況的有效方法[4]，為此，在瑪湖油田引入此評價理論，以機械比能為基礎(chǔ)，結(jié)合井眼清潔狀況評價，監(jiān)測MSE實時曲線，優(yōu)化鉆井參數(shù)，實現(xiàn)不增加鉆井成本，提高機械鉆速，降低鉆井周期的目的。

1 MSE理論及優(yōu)化流程

1.1 MSE理論簡介

MSE理論由R.Teale于1964年提出，他認為，當所有的輸入機械比能都用于破碎巖石時，此時鉆井效率最大，可認為最小機械比能等于巖石側(cè)限抗壓強度。但由于實際鉆井過程中，由于鉆柱振動、井眼摩阻等因素影響，機械能在傳遞過程中必然經(jīng)過大量的損耗，實際能量利用率一般只有30%左右，導致實際機械比能值是巖石強度的3倍左右[5]。傳統(tǒng)Teale機械比能模型為[6]：

式中：MSE——機械比能值，MPa；

W——鉆壓，kN；

n——頂驅(qū)轉(zhuǎn)速，r/min；

T——扭矩，kN·m；

Ab——鉆頭面積，mm2；

v——機械鉆速，m/h。

在鉆井過程中，機械比能值越低說明鉆頭破巖效率越高，機械鉆速相應越快，優(yōu)化后的鉆進參數(shù)與正鉆地層匹配程度高。

1.2 分步測試流程介紹

當鉆具組合下入井底正常鉆進時，由公式（1）可知，在鉆臺能調(diào)整的鉆進參數(shù)有鉆壓及轉(zhuǎn)速。通過調(diào)整鉆壓及轉(zhuǎn)速參數(shù)，找出儀器設(shè)備允許情況下MSE值最低的鉆井參數(shù)組合，此時鉆頭在井底破巖效率較優(yōu)化前提高，機械鉆速隨之較優(yōu)化前提高。優(yōu)化流程如圖1所示。

需要注意的是，必須先進行轉(zhuǎn)速分步測試，以排除鉆具組合共振頻率轉(zhuǎn)速，再進行鉆壓分步測試，找出MSE值穩(wěn)定且最低的轉(zhuǎn)速鉆壓參數(shù)組合，即為優(yōu)化后需執(zhí)行的工程參數(shù)。

2 MSE優(yōu)化實踐及效果

2.1 目標井概況

瑪湖油田主力區(qū)塊水平井普遍為小三開井身結(jié)構(gòu)（風南4井區(qū)為二開井身結(jié)構(gòu)），斜深約4700～5500m，目的層為三疊系百口泉組，垂深約3300～3600m，在三開/二開斜井段（造斜段及水平段）進行MSE鉆井優(yōu)化。

2.2 目標井優(yōu)化實例

如圖2 所示，在AHHW2XXX 井自井深3435.33～3439.49m進行鉆壓分步測試，保持頂驅(qū)轉(zhuǎn)速為60r/min不變，鉆壓依次由50kN 調(diào)整為70kN、90kN。MSE基準 值 由 原 來 的120kpsi（827.59MPa）降 至60kpsi(413.79MPa) 并保持穩(wěn)定，瞬時鉆時由原來的15.49min/m 降至9.36min/m。表明60r/min/90kN 鉆進參數(shù)組合下MSE基準值低且穩(wěn)定，鉆頭破巖效率高，鉆時降低，機械鉆速升高，因此推薦使用60r/min/90kN為優(yōu)化后的鉆進參數(shù)。

2.3 優(yōu)化實踐效果

2020～2021年在瑪湖油田累計現(xiàn)場應用11 口井，共進行分步測試優(yōu)化186次，平均每口井進行分步測試16.91 次，如表1 所示，11 口井斜井段鉆井周期提速15.39%～30.32%，平均提速21.29%，提速效果明顯。

表1 鉆井優(yōu)化應用情況統(tǒng)計

3 結(jié)論

（1）基于MSE的鉆井優(yōu)化方法能夠在不改變現(xiàn)有鉆井工藝，不增加成本的情況下實現(xiàn)提高機械鉆速，降低鉆井周期的目的。

（2）基于MSE鉆井優(yōu)化方法在瑪湖油田累計應用11 口井，斜井段平均鉆井周期平均提速21.29%，提速效果明顯。