機(jī)械比能在中國西南某深層頁巖氣區(qū)塊鉆井中的應(yīng)用

李 偉

洲際海峽能源科技有限公司 四川成都 610000

我國四川某深層頁巖氣區(qū)塊作為國內(nèi)油氣增產(chǎn)的重點開發(fā)的區(qū)域，亟需提高鉆井效率。而如何準(zhǔn)確判斷鉆井過程中機(jī)械鉆速下降的具體原因，是由于地層巖性的變化引起的，還是由于鉆頭的嚴(yán)重磨損造成的，從而提前介入是否需要起鉆更換鉆頭。這就可以減少機(jī)械鉆速下降主要原因是地層巖性改變、地層可鉆性而造成的無效趟鉆。這種方法在提高鉆井作業(yè)效率上有很積極的推廣意義。在四川某深層頁巖氣區(qū)塊的鉆井實踐中的有效推廣，明顯提高了深井鉆井的作業(yè)效率。

機(jī)械比能（MSE）概念的引入，主要用于研究鉆頭的破巖效率及各項性能。通過對于MSE 的精確計算，可以分析判斷井下的工作狀態(tài)，為實時并合理的調(diào)整鉆井參數(shù)提供理論依據(jù)，甚至可以提前預(yù)警某些鉆井復(fù)雜情況與事故。在實鉆過程中，司鉆通過改變鉆壓、轉(zhuǎn)速等鉆井參數(shù)，改變MSE 的大小，從而提高機(jī)械鉆速。通常在較好的參數(shù)配合下，計算出的MSE 數(shù)值，應(yīng)該與所鉆地層的單軸抗壓強度值基本接近。以上這些是目前對于MSE 的常規(guī)應(yīng)用方法。綜上所述，MSE 的研究能從以下幾個主要方面提高鉆井效率：減少因為鉆頭磨損情況不明而導(dǎo)致的無效趟鉆；減少因為井下鉆具失效判斷不明而導(dǎo)致的無效趟鉆；準(zhǔn)備判斷是否是地層的原因?qū)е碌臋C(jī)械鉆速變化或者鉆頭磨損加??；準(zhǔn)確分析鉆具震動情況；有效增加鉆頭進(jìn)尺；有效增加鉆頭機(jī)械鉆速。

以下通過MSE 在兩口四川某深層頁巖氣區(qū)塊鉆井過程中對鉆頭磨損的判斷實例為例，闡述此方法的實鉆運用和分析過程，并由此展望MSE 研究的推廣意義。

1 MSE概念的建議及幾種常用模型

1965 年R.Teale 通過對不同類型的鉆頭在破碎各種類型的巖石所有的不同鉆壓轉(zhuǎn)速等進(jìn)行了大量的試驗，初步建立了MSE 的基本模型［1］。相對完備的MSE 模型需要同時滿足三個條件：在不同的地層中鉆進(jìn)，最小的MSE值基本接近巖石的單軸抗壓強度；模型中的計算參數(shù)必須易于測得并計算便捷；較為寬廣得適用范圍，能很好地匹配不同類型的鉆頭、地層、井型及井眼軌跡。

Teale 模型［1］、Dupriest 模型［2］和樊洪海模型［3］的公式分別見式（1）、式（2）和式（3）。

式中：WOB——鉆壓；

AB——鉆頭面積；

RPM——地面轉(zhuǎn)速；

T——鉆頭扭矩；

ROP——機(jī)械鉆速；

DB——鉆頭直徑。

從MSE的模型可以看出：

（1）Teale 模型參數(shù)較少、易于計算。在MSE 計算中，鉆壓可以通過地面錄井參數(shù)儀等測量得到，但是鉆頭扭矩值較難從地面的儀器儀表測得。所以Teale 模型得計算結(jié)果，并非鉆頭在井底的MSE 數(shù)值，所以這個模型的應(yīng)用更多是在理論計算以及定性分析層面。

（2）Dupriest 模型的參數(shù)基本都可以在地面測得。一般情況下，由于鉆具的摩阻消耗能量及其他的能量耗散，作用在鉆頭上的只有30%～40%。Dupriest 模型計算結(jié)果在Teale 模型得基礎(chǔ)上，乘以一個機(jī)械效率，用以描述鉆頭的實際工作性能，精度相對明顯提高。但是由于井型、井眼軌跡、井深、鉆具組合、鉆頭類型等都存在差異，系數(shù)并非只是35%，這影響了計算結(jié)果的精準(zhǔn)度。

（3）樊洪海模型給出了鉆頭扭矩的簡便計算方法，進(jìn)而對Teale 模型進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的各個模型參數(shù)都更易于從地面測量得到，因而得到了廣泛應(yīng)用。但是鉆頭扭矩回歸數(shù)據(jù)和摩擦系數(shù)等因鉆頭類型和地層巖性的不同，也有一定的差異。因此在計算時也存在一定的誤差。

2 MSE計算在兩口深層頁巖氣鉆井中的應(yīng)用實例

2.1 通過實時MSE計算，準(zhǔn)確判斷鉆頭仍具攻擊性，避免了無效趟鉆

A 井是一口位于四川省東南部的深層頁巖氣水平井。本井311.2mm 井段鉆遇多套地層。分別是須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組、龍?zhí)督M、茅口組、棲霞組、梁山組、石牛欄組及龍馬溪組，鉆遇地層及壓力系數(shù)較為復(fù)雜。在鉆進(jìn)至井深3029m，下入PDC 鉆頭，入井層位茅口組。茅口組上部以灰黑色灰?guī)r為主，中部深灰色灰?guī)r并含燧石，下部灰黑色灰?guī)r泥質(zhì)含量增高、及灰褐色生物灰?guī)r。整體可鉆性較差。按照鉆井設(shè)計，鉆穿茅口組、棲霞組、梁山組及石牛欄組之后，鉆進(jìn)至龍馬溪組5m 中完。為了防止在茅口組井漏及掉塊卡鉆，本趟鉆采用簡化鉆具組合（未帶螺桿及扶正器）。鉆進(jìn)至3217m 之前，平均機(jī)械3.47m/ h。鉆進(jìn)至3219m 之后，機(jī)械鉆速明顯變慢，下降至0.8～0.9m/ h，且慢鉆時持續(xù)9m 后（至井深3227m），并無明顯改善。此時距離設(shè)計中完井深還有75m左右。在這種情況下，需要判斷機(jī)械鉆速明顯變慢是什么原因，是否需要起鉆更換鉆頭。具體分析過程如下：

（1）從隨鉆鉆壓與機(jī)械鉆速分析可以看出，同樣的鉆壓范圍（80～150kN），在3220m 后機(jī)械鉆速明顯變慢，從平均機(jī)械鉆速4.56m/ h 下降至0.8～0.9m/ h。

（2）從隨鉆實時計算MSE 可以看出，在井深3219m附近，實時MSE 計算值曲線呈現(xiàn)了一個突變。從之前較平緩的曲線（地面MSE 計算值波動范圍393.4M ～540.4MPa，井底計算MSE 值波動范圍107.4M ～227.8MPa），呈現(xiàn)明顯增大的趨勢，并且有較大范圍的波動（地面MSE 計算值波動范圍728.6M～5876.3MPa，井底計算MSE 值波動范圍207.6M～2591.2MPa）?？梢猿醪脚袛?，巖性發(fā)生了變化。

（3）從隨后的巖屑錄井也證明了此判斷的正確性。巖屑錄井顯示，巖性自3222m 開始由棲霞組灰色石灰?guī)r，轉(zhuǎn)變?yōu)樯罨疑噘|(zhì)灰?guī)r（泥質(zhì)較重，泥晶結(jié)構(gòu)致密，性硬）；3228m 進(jìn)入梁山組（3228～3231m），巖性灰黑色頁巖（質(zhì)較純，頁理較發(fā)育，致密，性較硬）。

（4）從MSE 曲線波動較大的井段分析：隨著鉆壓從80kN 增加至120kN，MSE 計算值呈現(xiàn)相應(yīng)的減小，地面MSE 計算值從762.2MPa 下降至382.0MPa，井底計算MSE 值從248.5MPa 下降至148.4MPa。同樣，隨著鉆壓從110kN 減小至90kN，MSE 計算值相應(yīng)增加，地面MSE 計算值從377.3MPa 升高至407.2MPa，井底計算MSE 值從147.4MPa 升高至161.0MPa。地面和井底MSE 計算值和鉆壓呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)性。由此可以判斷鉆頭仍具攻擊性。所以決定繼續(xù)鉆進(jìn)，最終鉆進(jìn)至龍馬溪組6m 中完（中完井深3296m）。

2.2 通過MSE實時計算，準(zhǔn)確判斷鉆頭磨損嚴(yán)重，及時起鉆更換鉆頭

B 井是一口位于位于四川東部的的深層頁巖氣水平井。其311.2mm 井段鉆遇多套地層，分別是須家河組、雷口坡組、嘉陵江組、飛仙關(guān)組、長興組、龍?zhí)督M、茅口組、梁山組、棲霞組、梁山組、韓家店組，鉆遇地層及壓力系數(shù)較為復(fù)雜。在311.2mm 井段，使用PDC 鉆頭，鉆進(jìn)至3443m 時機(jī)械鉆速變慢。地層位于龍?zhí)督M，主要巖性是灰黑色頁巖，灰色泥巖夾深灰色凝灰質(zhì)砂巖、并有煤層。通過實時的MSE 計算及分析，判斷此次機(jī)械鉆速變慢是由于鉆頭磨損造成的。決定起鉆更換鉆頭。分析過程如下：

（1）從隨鉆鉆壓與機(jī)械鉆速分析，從井深2420m 之后，在鉆壓從60kN 大幅度增加至175kN 的同時，機(jī)械鉆速從12.2m/ h 反而下降至5.6m/ h。初步分析可能是鉆頭明顯磨損加劇，或者地層巖性及可鉆性發(fā)生明顯變化導(dǎo)致的機(jī)械鉆速明顯下降。

（2）從實時計算MSE 可以看出，從2420m 之后鉆壓60kN 增加至175kN，MSE 計算值曲線明顯上升，地面MSE 計算值波動范圍從242.4M～269.1MPa 明顯上升至587.5M～974.4MPa，井底計算MSE 值波動范圍從120.3M～159.5MPa 明顯上升至500.3M～783.1MPa。并且在嘗試不同鉆壓（120k～180kN）之后，MSE 計算值曲線整體仍然明顯偏高（地面MSE 計算值波動范圍723.1M ～1026.4MPa，井底計算MSE 值波動范圍585.5M～806.9MPa），明顯偏離并高于前面井段的MSE基礎(chǔ)計算值（地面MSE 計算值范圍240.9M ～329.4MPa， 井 底 計 算 MSE 值 范 圍 118.6M ～135.9MPa）。

這樣就可以基本判斷是鉆頭磨損造成了機(jī)械鉆速變慢。從循環(huán)鉆井液撈取砂樣，錄井巖屑描述也顯示，巖性自井深2422m 開始由龍?zhí)督M黑色頁巖（質(zhì)純，頁理較發(fā)育，性脆），轉(zhuǎn)變?yōu)榛疑X土質(zhì)泥巖（富含黃鐵礦，致密，性軟，吸水性好，易膨脹）；繼續(xù)鉆進(jìn)至2426m 后進(jìn)入茅口組，巖性轉(zhuǎn)變成淺灰色石灰?guī)r（粉晶結(jié)構(gòu)，含少量泥質(zhì)；致密，性硬）。

綜上分析，正是在異常鉆遇黃鐵礦之后，造成了鉆頭的嚴(yán)重磨損。本只鉆頭最終因為機(jī)械鉆速明顯變慢，起鉆更 換 鉆 頭 。 起 出 鉆 頭 綜 合 評 級 ：2- 5- CT- S- X- 1/ 16- WT- PR。從鉆頭磨損看，主要磨損部位在肩部位置，其它部位及頂部均是正常磨損。從鉆頭磨損特征分析，PDC 頂部齒并沒有由于鉆壓持續(xù)過大而引起的碎裂或者斷裂等現(xiàn)象，說明鉆進(jìn)過程中鉆壓比較合理，并沒有持續(xù)施加異常大的鉆壓[4]。另外PDC 齒并沒有熱龜裂等磨損特征，說明鉆進(jìn)及劃眼期間的排量也比較合理，能對鉆頭表面進(jìn)行有效的水力降溫。肩部以及外錐部分的異常較嚴(yán)重磨損，正是由于鉆機(jī)期間突遇黃鐵礦造成。

以上兩口井的MSE 運用的實例，分別是判斷機(jī)械鉆速下降是由于地層轉(zhuǎn)變引起的，鉆頭磨損并不大，仍然具有攻擊性，避免無效趟鉆；另一個是地層的異常變化，造成鉆頭的嚴(yán)重磨損，及時起鉆更換鉆頭。這兩個實例及其具體分析過程，結(jié)合地層巖性，具有一定的代表性，可以作為根據(jù)實時MSE 計算判斷井下鉆頭磨損情況的典型案例，在西南某深層頁巖氣區(qū)塊的鉆井施工中推廣應(yīng)用。

3 MSE推廣的意義

通過對以上兩口井的實例，可以看出實時MSE 的計算跟蹤，不光能夠為提高機(jī)械鉆速提供合理的鉆井參數(shù)的依據(jù)，同時也可以作為判斷鉆頭磨損的重要依據(jù)。如果結(jié)合各項鉆井參數(shù)的變化、地質(zhì)撈砂等，就能更準(zhǔn)確的判斷鉆頭破巖效率、磨損情況等。從而科學(xué)準(zhǔn)確的決定是否應(yīng)該起鉆更換鉆頭。這套方法對于趟鉆時間長的深井、超深井，更能節(jié)約鉆井周期、提高鉆井效率、降低作業(yè)成本等方面，更具重要意義。