基于MSE的鉆井優化方法在瑪湖油田的應用

郭志奇，王志勇，蘭祖權

（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）

新疆瑪湖油田作為世界上面積最大的礫巖油區，油層分布受巖性、物性、構造等多重因素影響，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、地層壓力系統復雜、漏失現象嚴重、鉆井周期長等難點[3]。經過近幾年的持續探索與實踐，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的戰略背景下，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，結合井眼清潔狀況評價，監測MSE實時曲線，優化鉆井參數，實現不增加鉆井成本，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——頂驅轉速，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，優化后的鉆進參數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，在鉆臺能調整的鉆進參數有鉆壓及轉速。通過調整鉆壓及轉速參數，找出儀器設備允許情況下MSE值最低的鉆井參數組合，此時鉆頭在井底破巖效率較優化前提高，機械鉆速隨之較優化前提高。優化流程如圖1所示。

需要注意的是，必須先進行轉速分步測試，以排除鉆具組合共振頻率轉速，再進行鉆壓分步測試，找出MSE值穩定且最低的轉速鉆壓參數組合，即為優化后需執行的工程參數。

2 MSE優化實踐及效果

2.1 目標井概況

瑪湖油田主力區塊水平井普遍為小三開井身結構（風南4井區為二開井身結構），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鉆井優化。

2.2 目標井優化實例

如圖2 所示，在AHHW2XXX 井自井深3435.33～3439.49m進行鉆壓分步測試，保持頂驅轉速為60r/min不變，鉆壓依次由50kN 調整為70kN、90kN。MSE基準 值 由 原 來 的120kpsi（827.59MPa）降 至60kpsi(413.79MPa) 并保持穩定，瞬時鉆時由原來的15.49min/m 降至9.36min/m。表明60r/min/90kN 鉆進參數組合下MSE基準值低且穩定，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為優化后的鉆進參數。

2.3 優化實踐效果

2020～2021年在瑪湖油田累計現場應用11 口井，共進行分步測試優化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 鉆井優化應用情況統計

3 結論

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

（2）基于MSE鉆井優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。