机械比能理论及其在钻井工程中的应用

论述了机械比能理论的进展概况,对现有的机械比能模型进行了系统的分类与评价,分别指出了机械比能、钻进比能及水力机械比能不同模型的适应性及其各自的优缺点。从钻前预测机械钻速、随钻评价钻井效率、随钻诊断井底工况并优化钻井参数、随钻监测钻头磨损、钻后优选与评价钻头与提高机械钻速六个方面分析了机械比能理论在钻井工程中应用的发展状况。其应用效果良好,具有良好的推广价值与应用前景,但还有很多问题没有解决。结合现代钻井技术,对机械比能研究的未来发展趋势作了初步探讨。基础模型研究、钻头力学动态特性测试、应用范围的控潜及拓展将成为机械比能研究的主要发展方向。     

空气锤钻井机械比能计算方法

空气锤钻井是目前硬质岩层钻井提速提效的重要工艺,为了实时评价空气锤钻头的工作效率,提高钻井施工可控性,对空气锤钻井机械比能计算方法进行了研究。基于前人提出的机械比能相关理论,分析了空气锤钻头机械结构和钻进机理,引入冲击效率和冲击速度等参数修正完善机械比能计算模型,并提出能量传递效率η_tr,辅助分析空气锤钻井效率。根据以上理论模型,研制了空气锤钻井机械比能计算软件,可综合利用钻井参数、岩石力学参数、机械比能、能量传递效率等多种连续曲线剖面科学评估空气锤钻头的钻井效率,并采用元坝区域的钻井数据进行验证。结果表明,该计算方法得到的空气锤机械比能和能量传递效率对钻井效率的评价基本与现场实际情况相符,本文所研究的方法对评价空气锤钻井效率、优化钻井参数和钻后分析具有重要意义。     

一种基于破碎比功的岩石破碎效率评价新方法

在石油钻井工程中,评价钻进效率差别的方法是利用钻速方程来计算各单因素对钻速的影响,计算工作量大,缺乏综合性。根据岩石破碎的基本理论,对牙轮钻头破碎岩石所消耗的能量进行分析,建立了岩石破碎比功的计算模型,并提出一种基于破碎比功的岩石破碎效率评价方法。应用所建立的模型和方法,可以有效地分析和确定不同条件下的岩石破碎效率,分析评价不同钻头、不同钻进措施条件下所产生的钻井效果,为钻井工程设计中优选钻头类型、优化钻进参数以及钻井事后效果分析提供了依据。应用该方法所得的计算结果,很好地解释了过平衡钻井和欠平衡钻井条件下同种地层而钻速差异较大的根本原因。     

随钻录井物性评价技术应用研究

钻井工程中不断应用各种先进的钻井工具,使得钻井速度加快,钻探周期大幅缩减,因而录井对快速、实时、准确的随钻解释评价方法的研究已显得尤为重要。为此,立足于随钻录井物性评价的实际需求,引入R Teale等人提出的机械比能模型,通过对功指数模型和机械比能模型在随钻录井物性评价应用的对比研究,提出基于综合录井工程参数的机械比能比值模型,并对机械比能的比值模型数据利用梳理统计的方法进行处理和分级,使其在随钻录井物性评价应用中的精确度和准确性大幅度提高;同时从破岩的机理上将机械比能模型进行修正和拓展,建立了功交汇模型和基于垂向功与切向功交汇的随钻评价储集层物性的方法。通过在大庆塔东区块碳酸盐岩储集层物性评价的应用表明,该方法具有较好的实用性和实效性,能够较为准确地在随钻录井过程中提供储集层物性评价数据,具有良好的应用前景。     

地层岩性与钻头工况的评估方法研究及其应用

地层岩性与钻头工况的评估对钻井工程技术人员和地质人员十分重要。根据能量守衡原理和钻头破岩机理,建立了地层岩性与钻头工况评估模型。该模型在钻井过程中,利用钻压、扭矩、钻速、转速等井下或地面的各种信息,预测所钻遇的地层岩性、岩石视抗钻强度、岩石视抗剪强度及当前的钻头工况,并且开发研制出地层岩性与钻头工况实时评估软件系统。该软件在现场得到初步应用,取得了较好的效果。     

基于机械比能理论的复合钻井参数优选方法

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Teale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20%~30%,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。      

钻头工作效率实时评估新方法

为了实时评估钻头的工作效率,增加钻井施工的可控性,对钻头工作效率实时评估方法进行了研究。基于前人提出的机械比能理论,对钻头扭矩进行简化处理并提出了岩石有侧限抗压强度理论,给出了相关计算公式,利用各参数间的相关性,反推出钻速方程,达到了通过邻井钻井数据预测钻速的目的。根据以上理论模型,开发研制了相关软件,实现综合利用测井数据、岩石力学参数、机械比能和机械效率等多类连续剖面科学评估钻头性能,并采用现场数据进行了验证。结果表明:该模型计算出的钻头扭矩、岩石有侧限抗压强度和机械效率等参数很好地反映了现场钻头运行情况和磨损程度,基本满足了钻井施工的要求。所研究的评估方法对钻头优选、钻井实时模拟决策和钻后分析具有指导性意义。     

基于机械比能理论的钻头磨损监测新方法

现有基于机械比能理论的钻头磨损监测方法,都是通过机械比能趋势线对钻头钝化趋势作定性分析,没有一种定量计算钻头磨损等级的有效方法。在前人研究成果的基础上,选取合理机械比能模型,通过优化钻头扭矩回归数据对其进行了优化;综合考虑钻头设计参数、切削结构、钻井参数及钻头磨损等的影响,选取了合适的牙轮钻头和PDC钻头钻速方程,提出了一种定量计算与定性分析相结合的钻头磨损监测新方法。该方法充分考虑了钻速、钻压、转速、扭矩以及钻头设计参数等因素,采用钻速方程和测录井数据计算机械比能、岩石抗压强度和钻头磨损等级分级系数。该方法在南海油田宝岛区块A井、准噶尔盆地风城区块B井、吐哈油田某区块C井等的多个井段进行了PDC钻头和牙轮钻头的磨损监测,结果表明,较之钻头磨损实测数据,PDC钻头的平均相对误差为9.87%,牙轮钻头为21.15%,即新方法能有效监测钻头磨损情况且更适用于PDC钻头。      

滑动钻进造斜率预测与分析

滑动钻进工况下造斜率的准确预测是钻井工程面临的难点问题。首先利用加权余量法,建立了导向钻具组合的三维力学模型,得到了滑动钻进过程下钻头机械载荷及导向钻具组合的摩阻分布;其次考虑滑动钻进过程中工具的造斜特性,建立了零侧向钻速准则下的滑动钻进造斜率预测模型及折算系数反演方法;最后利用一口页岩气水平井钻井数据,反演计算了该井造斜率折算系数,验证了滑动钻进造斜率预测模型的精度,并分析了钻井参数、轨迹参数、钻头切削特性、工具结构等对工具造斜率和摩阻的影响规律。研究结果表明:滑动导向模式下,通过适当增加工具结构弯角、降低钻压、提高钻头侧向切削能力等,有利于发挥工具的造斜性能,提高滑动钻进效率,为导向钻井参数优化、工具结构优化设计及井眼轨迹控制等提供重要依据。     

基于K-Means聚类算法的沉砂卡钻预测方法研究

井眼不清洁造成卡钻是常见的钻井复杂工况之一,在卡钻发生前,部分井下工程参数特征会表现出异常。为了掌握卡钻前的工程参数特征变化规律,及时调整钻井参数,可避免卡钻发生。提出了一种基于主成分分析(PCA)算法和K-Means聚类算法的卡钻工况预测模型。该模型利用PCA算法对冀东油田某井卡钻工况前的井下近钻头实测工程参数进行降维处理,再利用K-Means聚类模型对降维后的数据进行训练测试,最后利用Calinski-Harabaz指数对聚类质量进行评估。结果表明,正常工况数据和卡钻前工况数据的聚类中心相距较远,两类数据得到有效分类,且Calinski-Harabaz指数值高,表明聚类质量高,K-Means聚类算法能够有效地分析近钻头工程参数测量数据,根据聚类分析结果可及时对卡钻工况进行预警,减少卡钻工况的发生。     

乐东区块低钻速影响因素随钻分析与识别

乐东区块位于南海西部莺歌海盆地中心区域,其莺歌海组、黄流组地层处于压力过渡带,地质情况较为复杂,在钻井过程中,受钻头异常磨损、钻井参数搭配不合理、井筒压差大、地层复杂等因素的影响,钻井效率低、事故频发。为提高该区油气勘探开发的效率,充分发挥录井作为钻井过程中"眼睛"的作用,在随钻过程中,通过对钻头机械比能(MSE)、岩性、井筒压差以及气测等数据进行分析,结合实例从钻头、地层及压差3方面分析随钻过程中导致乐东区块钻速过低的原因,进而快速准确地识别钻井效率低的影响因素,最终为下步钻井提速提效提供科学依据。     

利用数理统计原理对钻头进行优选与评价

用实例介绍了应用数理统计原理进行钻头优选与评价的基本原理与步骤，该方法是通过川东北地区大量钻井施工实践，及详实的钻头实钻资料统计数据，利用概率统计学中数理统计原理。构造合适的统计量，选择适当的置信度，在钻井工程设计中对钻头类型及型号进行优选，预测钻头可达到的使用指标；同时，对钻头的使用效果进行分析与评价，利用这种以统计学与实践经验相结合进行钻头选型的方法，达到提高机械钻速，减少井下钻头事故，降低钻井成本的目的。     

本期导读

<正>准确的钻头工作效率评估对预测钻速、钻头选型和分析钻井事故具有重要意义。目前获取钻头工作效率大都采用邻井数据对比分析或通过机械比能理论计算,存在一定的盲目性和不确定性。李昌盛等提出了一种利用机械比能、岩石有侧限抗压强度、机械效率等钻头工作评估参数,结合岩石力学参数和测井数据,综合评估钻头性能的方法,并采用现场数据进行了验证。元坝气田是国内埋藏最深的海相气田,主力储层长兴组埋深超过7 000 m,面临高温、     

水平井钻井过程中井底钻压预测及应用

钻头的性能主要通过机械钻速来评判,而井底钻压是影响机械钻速的主要参数。特别对于水平井,其水平段摩阻大、不易施加钻头载荷,导致井底钻压与地面钻压差异较大,因此计算和测量井底实际钻压非常重要。综合Johancsik模型和Aadnoy 3D模型并考虑管柱的刚度,建立了摩阻扭矩模型。井底钻压的计算分为两步,即先使用钻头空钻数据计算钻柱与井壁间的摩擦因数,然后用所得摩擦因数预测钻井时的井底钻压。同时,在Visual C++2013的集成开发环境下,利用C#开发了井底钻压的计算程序,使用开发的程序对摩擦因数和井底钻压进行了计算。结果表明:计算所得井底钻压在数值和变化趋势方面与实测值吻合较好,钻压计算模型和程序能够依据地面钻井数据准确预测井底钻压。井底钻压计算模型和程序可用于钻井事后分析,也可与常规自动送钻系统集成实现井底钻压的准确控制,从而提高钻头性能和钻井效率、降低钻井成本。     

地层岩性的随钻评估方法研究及应用

地层岩性的随钻评估对钻井工程技术人员和地质人员十分重要。本文根据钻头破岩机理和能量守衡原理,建立了地层岩性随钻评估模型。使用ＰＤＣ钻头钻井时,岩屑破碎很细,通过岩屑录井来判断地层岩性十分困难。针对ＰＤＣ钻头的切削机理,从ＰＤＣ钻头切削刃受力平稳有度出发,建立了ＰＤＣ钻头钻井时地层岩性随钻评估模型。     

基于机械比能的钻速预测模型优选

提高钻井效率是石油钻探过程中的重要环节之一，主要通过调整钻井参数、减小机械比能、提高机械钻速等方法实现。机械比能(MSE)表示钻头破碎单位体积岩石所需的机械能量，是评价钻井效率的主要指标之一，然而复杂的钻井作业导致大多数评价模型在应用过程中受到限制，地层不确定性会带来钻速预测模型泛化能力下降、非生产时间增加等问题。文章针对目标井的不同地层建立多种预测模型，经评估优选出表现最佳的模型。首先，基于机械比能理论和互信息法分析了影响钻速的可控参数；其次，以历史钻速均值为提速阈值将回归预测转换为分类预测，评估K最近邻(KNN)、多层感知机(MLP)、朴素贝叶斯(NB)、逻辑回归(LR)等分类算法模型的预测性能；最后优选出适用于目标井各地层的KNN模型，并将优选模型应用于同区域邻井中。实际验证结果表明：同区域邻井的四个地层预测准确率分别为0.94、0.94、0.92、0.96,AUC值分别为0.98、0.97、0.96、0.98,模型表现良好，能够助力钻井施工科学决策。     

地层岩性的随钻评估方法研究及应用

地层岩性的随钻评估对钻井工程技术人员和地质人员十分重要。本文根据钻头破岩机理和能量守衡原理,建立了地层岩性随钻评估模型。使用PDC钻头钻井时,岩屑破碎很细,通过岩屑录井来判断地层岩性十分困难。针对PDC钻头的切削机理,从PDC钻头切削刃受力平衡角度出发,建立了PDC钻头钻井时地层岩性随钻评估模型。现场初步试验表明,该模型具有一定的合理性和实用性。     

随钻扩眼钻具组合与钻井参数优化研究

鉴于国内现有随钻扩眼系统钻具组合与钻井参数优化研究缺乏,同时考虑领眼钻头及扩眼器几何结构、地层岩石强度及钻井参数等3种影响因素的计算模型少有报道,以及扩眼系统扭矩分配比计算方法缺失等现状,通过建立模型分析了领眼钻头钻压和扭矩分配比随钻具组合、钻柱转速及地层强度的变化规律,进行了钻前不同扩眼钻具组合对比与优选以及随转扩眼钻进实例分析。基于破岩机械比能、切削深度以及切削工具摩擦因数计算模型,提出扩眼系统有效切削面积及有效切削半径概念,形成了随钻扩眼过程中领眼钻头钻压和扭矩分配比计算模型;提出了随钻扩眼系统钻井参数优化流程,建立了随钻扩眼系统输出钻压和扭矩计算模型。研究结果可以为随钻扩眼过程中钻井参数优化及自动化钻井提供理论支撑。     

基于钻井参数的钻头磨损泥包监测识别方法

现有的钻头磨损及钻头泥包识别方法多是利用钻井参数变化规律进行主观判断,没有一种确定的模型或方法来准确识别钻头磨损及泥包。本文在前人研究的基础上,提出了不同钻井条件下钻头摩擦系数及切削深度的计算模型,并结合临井测井数据、钻头破岩机械比能模型建立了钻头磨损泥包监测识别方法。该方法在综合考虑了地层岩石强度、机械钻速、钻压、转速、扭矩、水力参数等因素前提下形成了一套监测识别模型。在西南油气田三口井中进行了现场试验中,试验结果证明该方法能够在钻井过程中准确识别钻头磨损及泥包。现场试验主要用于PDC钻头,需要在不同钻头的井中进一步验证。     

案例推理技术在钻井风险预测中的应用

由于钻井过程中随钻测量工具应用的增加、随钻采集数据量的增大及钻井工程固有数据的密集性．在短时间内解释当前钻井工况愈加困难。如何高效利用这些数据来指导钻井作业,降低钻井风险,成为困扰钻井工程人员的难题。案例推理技术充分融合随钻采集数据和钻井实时分析数据,通过模拟人类的认知过程对钻遇的钻井风险进行推理分析,可以及时、准确地预测和处理钻井过程中各种各样的复杂问题．文中通过对案例推理技术原理进行研究,以井漏风险为例,详细介绍了基于案倒推理技术的钻井风险预测流程,并阐述了DrillEdge系统的工艺流程及其现场应用效果。研究结果表明,该方法简便实用,能够;住确快速地预测钻井风险,为现场作业提供一定的技术支持。