謝建平, 付 強, 韓夢天， 石 鋒

(1中國石油集團西南油氣田安全環(huán)保與技術(shù)監(jiān)督研究院 2西南石油大學石油工程學院)

從1964年R.Teale[1]提出機械比能概念，認為機械比能為破碎單位體積巖石所消耗的機械能量。地層巖石強度越大，鉆頭破巖機械比能越大,但影響鉆頭破巖機械比能因素還包括鉆柱振動、鉆頭磨損、鉆頭泥包、井底泥包、水力參數(shù)等諸多因素[2]。對鉆頭磨損的準確監(jiān)測和識別能夠有效預(yù)防井下復(fù)雜事故、優(yōu)化鉆井參數(shù)、提高機械鉆速[3]，國外對鉆頭磨損的實時監(jiān)測和識別大多集中在實時機械比能與鉆頭鈍化的趨勢分析上[4-6]，2012年樊洪海[3]提出了一種機械比能與鉆速方程相結(jié)合的鉆頭磨損監(jiān)測方法。鉆頭泥包的形成需要一定時間，對鉆頭泥包的準確監(jiān)測能夠幫助作業(yè)人員及時采取預(yù)防措施，目前國內(nèi)外大多利用鉆錄井參數(shù)實現(xiàn)鉆頭泥包的監(jiān)測和識別[7-8]。筆者在前人的基礎(chǔ)上，提出了不同條件下鉆頭摩擦系數(shù)、鉆頭切削深度計算模型并結(jié)合鄰井測井資料、鉆頭破巖機械比能模型建立了鉆頭磨損及泥包監(jiān)測識別方法。通過西南油氣田三口井的現(xiàn)場應(yīng)用表明鉆井過程中該方法能夠準確識別鉆頭磨損及泥包。

一、機械比能模型

1.機械比能基礎(chǔ)模型

R.Teale提出了鉆頭在破巖過程中消耗比能概念，該比能即鉆壓和扭矩破碎單位體積巖石時所需的機械能。該比能模型為：

(1)

式中：E—機械比能，MPa；W—鉆壓，kN；T—扭矩，kN·m；ROP—機械鉆速，m/h；dB—鉆頭直徑，mm。

2.包含水力參數(shù)的機械比能模型

Teale提出的機械比能模型只考慮了鉆頭在鉆壓和扭矩作用下破碎單位體積的巖石所做的功。當井下?lián)碛袆恿︺@具時，從鉆頭噴射出的鉆井液所包含的水力能量也起到輔助破巖作用，故復(fù)合條件下鉆進的機械比能需要考慮水力因素影響。

當使用螺桿鉆具，螺桿的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速只與流經(jīng)螺桿的水力壓降和排量有關(guān)，而與地表工程參數(shù)(鉆壓、扭矩)無關(guān)，復(fù)合鉆進條件下螺桿鉆具轉(zhuǎn)速[9]：

(2)

式中：RL—螺桿鉆具輸出的理論自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，r/min；Q—總的排量，L/s；q—鉆具每轉(zhuǎn)排量，L/r；KN—螺桿的轉(zhuǎn)速流量比，r/L。

如果地面的轉(zhuǎn)速為RS，則鉆頭理論總轉(zhuǎn)速為：

RT=RS+RL=RS+KNQ

(3)

由于螺桿鉆具輸出扭矩與壓力降成正比，則螺桿鉆具的理論輸出扭矩可表示為：

(4)

式中：TL—螺桿鉆具的理論輸出扭矩，kN·m；Tm—螺桿鉆具最大輸出扭矩，kN·m；Δpm—螺桿鉆具進出口最大壓力降，MPa；Δpp—鉆具的進出口壓力降，MPa。

綜合機械比能基礎(chǔ)模型可得到復(fù)合鉆井過程中包含水力參數(shù)的輸出機械比能表達式：

(5)

3.機械比能基線模型

Teale在提出機械比能概念的同時，也提出在理想條件下鉆頭破巖機械比能等于地層巖石側(cè)限抗壓強度(CCS)。那么可以將地層巖石的側(cè)限抗壓強度(CCS)作為鉆頭破巖的機械比能基線值，實際比能曲線值與基線比能值的比值越大，說明破巖效率越低。目前，鉆井現(xiàn)場大多利用鄰井測井資料，并結(jié)合室內(nèi)試驗評價方法獲得地層巖石無圍壓條件下的巖石強度(UCS)，同時根據(jù)目前被廣泛采用的Skepton地層巖石強度轉(zhuǎn)換模型[10]：

對于滲透率較大的地層：

(6)

對于滲透率較小的地層：

(7)

式中：CCSHP—高滲透率地層巖石側(cè)限抗壓強度，MPa；CCSLP—低滲透率地層巖石側(cè)限抗壓強度，MPa；DP—井底壓力和地層壓力差，MPa(其中DP=pECD-pP，pp—地層壓力，MPa；pECD—井底壓力，MPa)；FA—地層巖石內(nèi)摩擦角，°。

實際計算過程中，當?shù)貙訚B透率較低時，求井底壓差時完全不考慮地層壓力會對巖石側(cè)限抗壓強度(CCS)的求取帶來一定的誤差，故根據(jù)地層的滲透率大小(即有效孔隙度)提出了基于地層有效孔隙度的地層巖石在圍壓條件下的強度(CCSmix)：

當所鉆地層有效孔隙度φeff≥0.2時：

CCSmix=CCSHP

(8)

當所鉆地層有效孔隙度φeff≤0.05時：

CCSmix=CCSLP

(9)

當所鉆地層有效孔隙度0.05<φeff<0.2時：

(10)

即鉆頭破巖過程中理論最小破巖機械比能值：

CCSmix=Emin

(11)

二、鉆頭摩擦系數(shù)

1. 鉆頭摩擦系數(shù)計算方法

根據(jù)1992年R.C. Pessier[11]依據(jù)二重積分定理提出的鉆頭扭矩計算方法知：

(12)

化簡式(12)得到鉆頭摩擦系數(shù)表達式：

(13)

式中：μ—鉆頭摩擦系數(shù)；TQb—鉆頭扭矩，kN·m；WOB—鉆頭鉆壓，kN；dB—鉆頭直徑，mm。

當下部鉆具中存在動力鉆具時，鉆頭輸出扭矩TQb可由式(4)計算得出。當下部鉆具中不存在井下動力鉆具時，鉆頭輸出扭矩可表示為：

TQb=TQS-TQo

(14)

式中：TQs—地表扭矩值，kN·m；TQo—鉆頭旋離井底時地表扭矩值，kN·m。

2. TQo計算獲取方法

當下部鉆具中不存在井下動力鉆具時，根據(jù)式(14)可知要獲取鉆頭位置的扭矩值TQb，首先要知道鉆柱與井壁之間摩擦阻力產(chǎn)生的摩擦扭矩，該扭矩值可等效于鉆頭旋離井底時地表扭矩TQo。

獲取TQo首先要保證鉆頭和井底之間沒有接觸，即：

Db

(15)

同時為了確保讀取參數(shù)的準確性，鉆頭旋離井底時轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速同實際鉆進時轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速之間差值必須控制在一定范圍內(nèi)：

|RPM-RPMO|≤ΔRPM

(16)

鉆頭旋離井底，鉆頭同井底之間不接觸，理論上鉆壓為零，假定鉆壓變化也在一定范圍內(nèi)：

|WOB|≤ΔWOBTH

(17)

式中：Db、Dw—分別為鉆頭深度、井深，m；RPM、RPMO、ΔRPM—分別為鉆頭旋離井底時轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、實際鉆進時轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)速變化閥值，r/min，其中ΔRPM取10 r/min；WOB、ΔWOB—鉆頭旋離井底時地表鉆壓值及鉆頭旋離井底時鉆壓變化閥值，kN，其中ΔWOB取5 kN。

根據(jù)井眼軌跡不同，建立井深和鉆頭旋離井底地表扭矩TQo值之間的經(jīng)驗回歸方程，其中直井段TQo與井深Dw之間為線性關(guān)系，斜井段TQo和井深Dw之間為二次或指數(shù)關(guān)系。

三、鉆頭切削深度

鉆頭切削深度(DOC)是用來衡量鉆頭每轉(zhuǎn)切削地層深度的物理量，其表達式如下：

當存在下部動力鉆具時：

(18)

當不存在動力鉆具時：

(19)

式中：ROP—機械鉆速，m/h；RPM—轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，r/min；DOC—鉆頭切削深度，m/r；KN—動力鉆具的轉(zhuǎn)速排量比，r/L；Q—流經(jīng)動力鉆具鉆井液流量，L/min。

四、鉆頭磨損及鉆頭泥包識別方法

當鉆頭出現(xiàn)磨損、崩齒或泥包現(xiàn)象時鉆頭摩擦系數(shù)及切削深度都會降低，同時鉆頭破巖比能也會迅速升高。通過破巖比能模型結(jié)合鉆頭摩擦系數(shù)及切削深度實現(xiàn)井底鉆頭磨損或泥包實時監(jiān)測和識別，其中隨鉆鉆頭磨損泥包監(jiān)測及識別方法流程圖如圖1所示。

圖1 鉆頭磨損及泥包監(jiān)測及識別方法流程圖

五、應(yīng)用實例

筆者將該監(jiān)測及識別方法運用于西南油氣田A、B、C三口井中。

A井中所鉆井段3 323～3 473 m，地層巖性為灰色泥巖夾雜灰色玄武巖。該井段采用螺桿+PDC鉆頭復(fù)合鉆進，鉆進過程中于3 380 m井段附近鉆頭切削深度及摩擦系數(shù)驟降，鉆頭破巖機械比能逐漸升高而地層巖石強度降低，機械鉆速降低，隨鉆監(jiān)測及識別模型顯示鉆頭在3 380 m井段發(fā)生崩齒或磨損，其中各項參數(shù)隨井深變化如圖2所示。

圖2 A井中鉆進時各參數(shù)隨井深變化示意圖

通過觀察曲線可知，鉆頭摩擦系數(shù)及切削深度從3 380 m井段附近迅速下降且在之后的井段中一直小于0.3，鉆至3 473 m后起鉆，起鉆前后鉆頭對比如圖3所示。

圖3 A井中鉆頭起鉆前后對比圖

從圖3可以看出，A井中鉆進時使用PDC鉆頭五個刀翼上鉆頭牙齒分別出現(xiàn)了不同程度的磨損，同時地層3 375～3 380 m上返巖屑顯示該段地層為泥巖和玄武巖交互夾層，地層軟硬交錯且均質(zhì)性差，極易造成PDC鉆頭牙齒磨損。

B井中所鉆井段為1 521～1 663 m，地層巖性顯示為暗紅色泥巖夾雜灰色粉砂巖，該井段采用螺桿+PDC鉆頭復(fù)合鉆進。該井段鉆進過程中于1 590 m附近鉆頭切削深度及摩擦系數(shù)逐漸降低，鉆頭破巖機械比能逐漸升高而地層巖石強度變化并不明顯，隨鉆監(jiān)測及識別模型顯示鉆頭泥包從1 590 m開始逐漸形成。

B井中PDC鉆頭鉆至1 663 m后起鉆，鉆頭對比如圖4所示。

圖4 B井中鉆頭起鉆前后對比圖

C井中所鉆井段2 449～2 508 m，地層巖性顯示為棕紅色泥巖夾雜灰色粉砂巖，該井段采用PDC鉆頭鉆進。該井段鉆進過程中于2 471 m附近鉆頭切削深度及摩擦系數(shù)逐漸降低，機械鉆速降低的同時鉆頭破巖機械比能逐漸升高而地層巖石強度變化并不明顯，隨鉆監(jiān)測及識別模型判斷此時鉆頭泥包開始形成，隨后提高排量繼續(xù)鉆進，從2 475 m開始鉆頭摩擦系數(shù)及切削深度逐漸升高，機械鉆速及鉆頭破巖機械比能也恢復(fù)至原有水平。

六、結(jié)論

(1)建立了不同條件下鉆頭切削深度及摩擦系數(shù)的計算模型，能更精確反映鉆頭在不同工況下的實時工作狀態(tài)。

(2)基于鄰井測井數(shù)據(jù)和鉆錄井參數(shù)計算所得鉆頭切削深度、摩擦系數(shù)、鉆頭破巖機械比能以及地層巖石強度建立了一套鉆頭磨損泥包監(jiān)測及識別模型，現(xiàn)場試驗顯示鉆井過程中該模型能夠準確識別鉆頭磨損及泥包。

(3)為了進一步驗證該模型的適用性，需要將模型運用于使用牙輪、孕鑲以及刮刀鉆頭等多種不同鉆頭井型中，進一步驗證及完善該模型。

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