基于机械比能理论的复合钻井参数优选方法.pdf

第 4 2卷 第 l期 2 O l 4年 1月 石 油 钻 探 技 术 PE TR I EUM DRl I I I NG TECHNI QUES Vo 1 ． 4 2 No ． 1 J a n ． ， 2 0 l 4 ●钻井完井 d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 0 8 9 0 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 1 3 基 于机械 比能理论 的复合钻 井参数优选方法 崔 猛 ，李佳军 ， 纪国栋 ，陈永恒 1 ． 中国石油集团钻井工程技术研究院， 北京 1 0 0 1 9 5 ； 2 ． 中国石油塔里木油田分公 司塔北勘探开发项 目经理部， 新疆库尔勒 8 4 1 0 0 0 摘要 为了进一步提高深部地层钻井速度， 利用机械比能理论对复合钻井参数进行优化。从岩石力学和能 量守恒角度 出发， 分 析了基于机械比能理论的钻井优化机理， 得 出了钻进参数与机械钻速之间的相互关系。在 Te a l e 机械 比能模型 的基础上 ， 引入 钻头滑动摩擦 系数和钻 头破 岩 效率 系数 ， 将扭 矩表 示为钻压 的函数 ， 解决 了常 规钻 井 中扭矩 难以直接 测量的问题 ， 建立 了基于 比能理论 的复合钻 井参数优化 模型 ， 并开发 了钻 井优 化 系统。该 系统在实钻过程中可以进行钻井参数的动态监测， 实时反馈钻井参数优劣， 提示井下复杂情况。现场试验应用后， 优化井段平均机械钻速提高 2 O --3 0 ， 钻头使用寿命延长。研究结果表明， 机械比能理论能够用于钻进参数优 化 ， 达到深层提速和 降低钻井成本 的 目的。 关键词 机械 比能 复合钻 井 优选方 法 钻进参数 优化 系统 中图分类号 T E 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 0 8 9 0 2 0 1 4 0 1 0 0 6 6 0 5 Opt i m i z e M e t ho d o f Dr i l l i n g Pa r a me t e r o f Co mpo u nd Dr i l l i n g Ba s e d o n M e c ha ni c a l S pe c i f i c Ene r g y Th e o r y C u i Me n g ， L i J i u n ， J i Gu o d o n g ， C h e n Y o n g h e n 1 ． C NPCDr i l l i n gRe s e a r c h I n s t i t u t e ， B e i j i n g， 1 0 0 1 9 5 ， C h i n a ； 2 ． T a b e i E x p l o r a t i o n a n d De v e l o p me n t Ma n a g e me n t De p a r t me n t o f T a r i m 0 f i e l d C o mp a n y， Ko r l a ， X n j i a n g， 8 4 1 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t W i t h t h e d r i l l i n g t a r g e t s g o i n g i n c r e a s i n g l y d e e p e r ， a n e w d r i l l i n g p a r a me t e r s o p t i mi z a t i o n me t h o d b a s e d o n me c h a n i c a l s p e c i f i c e n e r g y M S E t h e o r y wa s i n v e s t i g a t e d t o c o n t i n u a l l y i mp r o v e t h e r a t e o f p e n e t r a t i o n i n d e e p f o r ma t i o n s ． Fr o m t h e p e r s p e c t i v e s o f r o c k me c h a n i c s a n d c o n s e r v a t i o n o f e n e r g y ， t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n d r i l l i n g p a r a me t e r s a n d ROP h a s b e e n d e r i v e d f r o m c o mp r e h e n s i v e a n a l y s i s o f o p t i mi z e d d r i l l i n g me c h a n i s m b a s e d o n M S E． Ba s e d o n t h e R． Te a l e M S E mo d e l ， b v i n t r o d u c i n g t h e s l i d i n g f r i c t i o n c o e f f i c i e n t a n d r o c k b r o k e n e f f i c i e n c y o f t h e b i t ， t h e t o r q u e wa s e x p r e s s e d a s t h e f u n c t i o n o f d r i l l i n g we i g h t t o s o l v e t h e d i f f i c u l t y o f me a s u r i n g t o r q u e d i r e c t l y i n c o n v e n t i o n a l d r i l l i n g， t h e o p t i mi z e d mo d e l s we r e b u i l t o n t h e b a s i s o f s p e c i f i c e n e r g y t h e o r y f o r d i f f e r e n t d r i l l i n g mo d e s ， a n d a r e a l t i me d r i l l i n g o p t i mi z a t i o n s y s t e m wa s d e v e l o p e d ． Th e s y s t e m c a n mo n i t o r a l l d y n a mi c d r i l l i n g p a r a me t e r s d u r i n g d r i l l i n g o p e r a t i o n， a n d f e e d b a c k t h e p e r f o r ma n c e o f d r i l l i n g p a r a me t e r s a n d d o wn h o l e s i t u a t i o n i n r e a l t i me ． A p i l o t t e s t s h o ws t h e a v e r a g e R OP i n c r e a s e d b y 2 O 0A t o 3 0 c o mp a r e d wi t h o f f s e t we l l s ， a n d p r o l o n g e d t h e s e r v i c e l i f e o f b i t ． Th e r e s e a r c h r e s u l t s i n d i c a t e t h a t s p e c i f i c e n e r g y o p t i mi z e d d r i l l i n g t e c h n i q u e c a n o p t i mi z e d r i l l i n g p a r a me t e r s i n r e a l t i me ， wh i c h c a n b e u s e d t o d r i l l i n g d e s i g n， p a r a me t e r o p t i mi z a t i o n a n d a n a l y s i s ， S O a s t o r a i s e t h e ROP i n d e e p f o r ma t i o n s a n d r e d u c e d r i l l i n g c o s t ． Ke y wo r d s me c h a n i c a l s p e c i f i c e n e r g y； c o mp o u n d d r i l l i n g； o p t i mi z a t i o n me t h o d ； d r i l l i n g p a r a me t e r ； o p t i mi z a t i o n s y s t e m 目前 ， 常用机械钻速与同 区块邻井 的机械钻速 进行偏差分析来评价钻井效率 ， 虽然能体现 出钻井 的相对效率 ， 但无法在钻井设备和地质条件一定情 况下 ， 给出钻井参数的优化方法 ， 且具有地域限制 。 近年来 ， 随着各类钻头在导 向系统和旋转导 向系统 的应用 ， 以及钻井深度、 难度 的不断增大 ， 如何提高 收稿 日期 2 0 1 3 - 0 5 0 2 ； 改回日期 2 O 1 4 0 卜0 9 。 作者简介 崔猛 1 9 8 0 ～ ， 男， 黑龙江哈 尔滨人 ， 2 0 0 6年毕 业于悉 尼大学信息与软件工程 专业， 2 0 1 1 年 获中国石油大学 北京 油气井工 程专业博士 ， 工程师 ， 主要从事钻 井信息处理 、 过程优化研究工作。 联系方式 c u i r n e n g d r i c n p c ． c o rn． c n 。 基金项 目 中国石油天然气股份公 司科 学研 究与技术 开发项 目 “ 逆掩推覆带优快钻完井技 术研 究” 编号 2 0 1 2 E 一 3 3 0 8 资助 。 第 4 2卷第 1 期 崔 猛等． 基于机械比能理论的复合钻井参数优选方法 钻井效率变得日益重要。T e a l e 比能模型将破碎单 位体积岩石所需能量与钻头的破岩效率关联起来 ， 将钻头输出的功整合成一个综合参数 ， 称为机械 比 能 ， 利用这一参数来描述钻头破岩效率 ， 从而实现钻 井效率的量化评价。笔者在 T e a l e比能模型的基础 上 ， 建立 了复合钻进条件下的破岩 比能模型， 并开发 了配套的实时优化软件 ， 现场应用表 明， 机械 比能理 论能够用于钻井参数优化 ， 从而提高钻井速度， 并及 时识别井下复杂情况 。 1 机械比能概念及基础模型 钻头破碎岩石所需能量与岩石强度有关 ， 是通 过钻头做功实现的。R ． Te a l e E l _ 提 出了在钻进岩石 过程 中机械比能的概念 ， 即钻头在钻压和扭矩 作用 下破碎单位体积岩石做 的功 所需要 的机械能量 。 这一概念将破碎单位体积岩石所需能量与钻头的破 岩效率关联起来 ， 提供了一种评价钻井效率的方法 ， 比能越大 ， 说明钻头破岩效率越低 ， 钻头与地层适应 性越差 ， 钻井参数有待优化 。该机械 比能模型为口 ] E 一 丁4 8 0 n T 1 兀 ‘ 式中 E为机械 比能 ， MP a W 为 钻压 ， k N； T 为扭 矩 ， k N m； 为转速， r ／ mi n ； 为机械钻速 ， m／ h ； d B 为钻头直径 ， mm。 T e a l e 通 过试验证实 了理想条 件下， 机械 比能 与岩石的抗压强度相等 。然而 ， 在实际钻井过程中， 受井筒摩阻 、 井下振动等不利因素的影响， 能量利用 率很低 ， 通常 为 3 0 ～4 O 。钻头破岩效率低 ， 导 致实际比能是岩石强度的 3 倍左右， 因此为了满足 现场实际需要， 使比能更接近岩石的真实强度， 将钻 头有效能量利用率定义为 Ef ， 则修正后 的机械 比能 模型为[ E m ㈤ 式中， E m为修正机械比能 ， MP a 。 为了便于现场应用 ， Ef 通常取 0 ． 3 5 。 2 优化机理分析 钻进过程中， 钻压作用于钻头的切削齿使其切 人岩石 ， 利用钻头旋转产生的横向运动粉碎岩石 ， 实 现破岩。典型的机械比能和机械钻速的关系曲线 如图 1 所示 。段 1表示钻压过低 ， 钻头切屑齿切入 地层 的深度浅 ， 能量不足导致钻头破岩效 率低 ， 机 械钻速较低 。进入段 2 ， 随着钻压 的提高 ， 钻头切 屑齿切人足够深 ， 钻头输 出能量稳定 ， 比能和机械 钻速呈正 比线性关 系 ， 破岩 能量充 分应 用 。随后 进入段 3 ， 受井下各种因素 的影响钻井过程 中的不 稳定点 出现 ， 钻速不再 同机械 比能呈线性关 系 ， 不 稳定点处已经接近 当前钻井 系统 可能获得的最高 钻 速 。 机 械 钻 速 机 械 比 能 图 1 机械比能与机械钻速的关 系 Fi g ．1 Re l a t i o ns hi p of me c ha ni c a l s pe c i f i c e ne r g y a n d p e ne t r a t i o n r a t e 段 3中导致不稳定点出现的因素主要包括钻头 泥包 、 井底泥包及钻具振动 。钻头泥包和井底泥包 阻碍 了机械能量的有效传输 ， 尽管消耗的破碎 比能 很大， 但破岩效率降低 ， 机械钻速低。钻进过程中若 出现不稳定点 ， 在设备允许的情况下 ， 为进一步提高 钻速， 需要重新设计 和优化钻井参数 ， 提高不稳定点 位置。钻井过程 中无 法彻底消除不稳定点 的出现 ， 只能尽可能延迟稳定点的出现 。 3 复合钻进条件下的比能模型 3 ． 1 机械 比能修正模型 Te a l e比能模 型 中， 扭 矩是一 个 主要 的变量 。 在实验室或者通过 MWD可 以很容易地 获得 。然 而 ， 在实际钻进过程 中， 地表记 录的主要 数据有钻 压、 转速和机械钻速等， 往往缺乏井下钻头上真实扭 矩的测量值 ， 需要用测量数据来计算扭矩 ， 即利用钻 头滑动摩擦系数和钻压计算钻头扭矩 。 依据二重积分相关定理 ， 钻井过程 中扭矩 可以 表示为嘲 丁 一 。 d l d 8-- 3 式中 Z 为钻头半径微元长度 ， mm。 6 8 石 油 钻 探 技 术 将式 3 带人式 2 可得 E w B ㈤ ＼ 兀 以 ／ 式中 为钻 头 滑 动摩 擦 系数 ， 一般 牙 轮 钻 头 取 0 ． 2 5 ， P D C钻头取 0 ． 5 0 。 3 ． 2 复合钻进条件下的机械 比能模型 复合钻井是指在井下钻具组合中加入井下动力 钻具 ， 将钻井液循环时的水力能量转换为钻头 的机 械能 ， 从而破岩钻进 ， 其转速可以通过钻井液流量的 变化在一定范围内进行调整。在复合钻进过程 中， 钻头的驱动 由地 面驱动 转盘或顶驱 和地下驱动 一般为螺杆钻具 组成， 其 中地下驱动作为钻头的 主要动力 。 螺杆钻具 动力钻具 的主要性能参数是扭矩和 转速 ， 螺杆的理论转速只与流经钻具 的流量和钻具 每转排量有关 ， 而与工况 钻压、 扭矩等 无关 ， 即l_ 4 ] 尺L一 一 K Q 5 q 式中 R 是螺杆钻具输 出的理论 自转转速 ， r ／ rai n ； Q为总流量， L ／ s ； q为钻具每转排量 ， 是一个结构参 数 ， 仅与定子和转子 的线 型和几何尺寸有关 ， L ／ r ； K 为动力钻具的转速流量 比， r ／ I 。 如果地面转速为 Rs ， 则钻头的理论总转速为 RT R 4 - RI 一 R。 4 - KN Q 6 假定螺杆 的理论扭矩为 T【 。在不计能量损失 时 ， 根据容积式马达工作过程 中的能量守恒 ， 在单 位时间 内钻头输 出的机械 能量 T ∽ 应该等 于螺 杆钻具输入的水力能 量 A p QP ， 进行单位换算后 ， 则有 TI 叫 T A pp QPI P P t ．g p 7 叫 T f ／ 其中 g O T一 8 式中 为钻头理论 角速度 ， r a d ／ s ； A p 为钻具 进 出 口的压力降 ， MP a 。 由式 5 8 可得 TI 一 q A pp 9 式中 为螺杆钻具的理论扭矩 ， k N m。 因此， 钻头理论总扭矩可表示为 一 q △ P Ts 1 0 式中 T 为地面测量扭矩 ， k N m。 如果已知螺杆钻具的最大额定扭矩 r m 又称制 动扭矩 以及最 大额定 压差 A p ， 根据 螺杆钻具 的 扭矩 与压 力 降成正 比 ， 则 螺 杆 钻具 的理 论 输 出扭 矩 还可 以表示为 一 A p P 1 1 将式 6 和式 9 分别代入机 械 比能原始模型 2 和修正模型 4 ， 可得 E 一 西 『 丝 垦 垒 ] 1 2 L 7 r ag 丁 r q A - J E m w [ ] 将式 6 和式 1 1 分别代人机械 比能原始模 型 2 和修正模 型 4 ， 可得 E E l 4 w I 4 8 0 尺 上 K N Q ． 丁 s 【 L 丌 。 J 1 4 _ E fW [ 兀 4 ] 3 ． 3比能基 线 的确定 比能基线是优化钻井过程中所能达到的最高破 岩效率的对照线， 是观测 比能曲线的基准线， 将其与 实际钻井过程中的比能曲线进行对比， 就可以知道钻 井参数优化的效果 ， 实际比能曲线与比能基线偏离越 大， 说明破岩效率越低 ， 需对钻井参数进行调整。根 据 T e a l e的实验结果 ， 理想情况下 的比能应该与岩石 强度相等 ， 因而可利用围压下岩石强度作为参照 ， 对 比分析实际比能， 确定破岩效率的高低。 目前 ， 钻井 工程主要利用现场测井资料 ， 并结合室内单轴抗压试 验得到的经验公式， 来连续评价地层无 围压条件的岩 石强度分布情况， 该方法只适用于清水钻进的渗透性 地层 无滤饼形成 ， 仅代表 了钻井施工 的一部分情 况。当渗透性地层用钻井液钻进和地层为非渗透性 岩石时， 必须选择合理的岩石强度模型。 目前， 被广泛采用和认可的岩石强度计算模型 为 引 s s 1 6 Ll s i n 式中 S 为无围压岩石强度 ， MP a ； 声 为井底 围压， MP a ； 为岩石内摩擦角 ，o 。 对于渗透I 生 很高的地层， 通常取 一 P E 1 7 式中 为原始孔隙压力， MP a ； 为井底压力 ， MP a 。 对 于低渗透率地层 ， 通常取 一 E 1 8