機械比能在中國西南某深層頁巖氣區塊鉆井中的應用

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塊作為國內油氣增產的重點開發的區域，亟需提高鉆井效率。而如何準確判斷鉆井過程中機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效率上有很積極的推廣意義。在四川某深層頁巖氣區塊的鉆井實踐中的有效推廣，明顯提高了深井鉆井的作業效率。

機械比能（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，為實時并合理的調整鉆井參數提供理論依據，甚至可以提前預警某些鉆井復雜情況與事故。在實鉆過程中，司鉆通過改變鉆壓、轉速等鉆井參數，改變MSE 的大小，從而提高機械鉆速。通常在較好的參數配合下，計算出的MSE 數值，應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 的常規應用方法。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致的無效趟鉆；減少因為井下鉆具失效判斷不明而導致的無效趟鉆；準備判斷是否是地層的原因導致的機械鉆速變化或者鉆頭磨損加劇；準確分析鉆具震動情況；有效增加鉆頭進尺；有效增加鉆頭機械鉆速。

以下通過MSE 在兩口四川某深層頁巖氣區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速等進行了大量的試驗，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，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——地面轉速；

T——鉆頭扭矩；

ROP——機械鉆速；

DB——鉆頭直徑。

從MSE的模型可以看出：

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

（2）Dupriest 模型的參數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 模型計算結果在Teale 模型得基礎上，乘以一個機械效率，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，系數并非只是35%，這影響了計算結果的精準度。

（3）樊洪海模型給出了鉆頭扭矩的簡便計算方法，進而對Teale 模型進行了優化，優化后的各個模型參數都更易于從地面測量得到，因而得到了廣泛應用。但是鉆頭扭矩回歸數據和摩擦系數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用實例

2.1 通過實時MSE計算，準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、飛仙關組、長興組、龍潭組、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較為復雜。在鉆進至井深3029m，下入PDC 鉆頭，入井層位茅口組。茅口組上部以灰黑色灰巖為主，中部深灰色灰巖并含燧石，下部灰黑色灰巖泥質含量增高、及灰褐色生物灰巖。整體可鉆性較差。按照鉆井設計，鉆穿茅口組、棲霞組、梁山組及石牛欄組之后，鉆進至龍馬溪組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）。鉆進至3217m 之前，平均機械3.47m/ h。鉆進至3219m 之后，機械鉆速明顯變慢，下降至0.8～0.9m/ h，且慢鉆時持續9m 后（至井深3227m），并無明顯改善。此時距離設計中完井深還有75m左右。在這種情況下，需要判斷機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）從隨鉆鉆壓與機械鉆速分析可以看出，同樣的鉆壓范圍（80～150kN），在3220m 后機械鉆速明顯變慢，從平均機械鉆速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）。可以初步判斷，巖性發生了變化。

（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巖，轉變為深灰色泥質灰巖（泥質較重，泥晶結構致密，性硬）；3228m 進入梁山組（3228～3231m），巖性灰黑色頁巖（質較純，頁理較發育，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 計算值呈現相應的減小，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 計算值和鉆壓呈現明顯的正相關性。由此可以判斷鉆頭仍具攻擊性。所以決定繼續鉆進，最終鉆進至龍馬溪組6m 中完（中完井深3296m）。

2.2 通過MSE實時計算，準確判斷鉆頭磨損嚴重，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、飛仙關組、長興組、龍潭組、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較為復雜。在311.2mm 井段，使用PDC 鉆頭，鉆進至3443m 時機械鉆速變慢。地層位于龍潭組，主要巖性是灰黑色頁巖，灰色泥巖夾深灰色凝灰質砂巖、并有煤層。通過實時的MSE 計算及分析，判斷此次機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生明顯變化導致的機械鉆速明顯下降。

（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械鉆速變慢。從循環鉆井液撈取砂樣，錄井巖屑描述也顯示，巖性自井深2422m 開始由龍潭組黑色頁巖（質純，頁理較發育，性脆），轉變為灰色鋁土質泥巖（富含黃鐵礦，致密，性軟，吸水性好，易膨脹）；繼續鉆進至2426m 后進入茅口組，巖性轉變成淺灰色石灰巖（粉晶結構，含少量泥質；致密，性硬）。

綜上分析，正是在異常鉆遇黃鐵礦之后，造成了鉆頭的嚴重磨損。本只鉆頭最終因為機械鉆速明顯變慢，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過大而引起的碎裂或者斷裂等現象，說明鉆進過程中鉆壓比較合理，并沒有持續施加異常大的鉆壓[4]。另外PDC 齒并沒有熱龜裂等磨損特征，說明鉆進及劃眼期間的排量也比較合理，能對鉆頭表面進行有效的水力降溫。肩部以及外錐部分的異常較嚴重磨損，正是由于鉆機期間突遇黃鐵礦造成。

以上兩口井的MSE 運用的實例，分別是判斷機械鉆速下降是由于地層轉變引起的，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，結合地層巖性，具有一定的代表性，可以作為根據實時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塊的鉆井施工中推廣應用。

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，不光能夠為提高機械鉆速提供合理的鉆井參數的依據，同時也可以作為判斷鉆頭磨損的重要依據。如果結合各項鉆井參數的變化、地質撈砂等，就能更準確的判斷鉆頭破巖效率、磨損情況等。從而科學準確的決定是否應該起鉆更換鉆頭。這套方法對于趟鉆時間長的深井、超深井，更能節約鉆井周期、提高鉆井效率、降低作業成本等方面，更具重要意義。