机械比能在中国西南某深层页岩气区块钻井中的应用

李 伟

洲际海峡能源科技有限公司 四川成都 610000

我国四川某深层页岩气区块作为国内油气增产的重点开发的区域，亟需提高钻井效率。而如何准确判断钻井过程中机械钻速下降的具体原因，是由于地层岩性的变化引起的，还是由于钻头的严重磨损造成的，从而提前介入是否需要起钻更换钻头。这就可以减少机械钻速下降主要原因是地层岩性改变、地层可钻性而造成的无效趟钻。这种方法在提高钻井作业效率上有很积极的推广意义。在四川某深层页岩气区块的钻井实践中的有效推广，明显提高了深井钻井的作业效率。

机械比能（MSE）概念的引入，主要用于研究钻头的破岩效率及各项性能。通过对于MSE 的精确计算，可以分析判断井下的工作状态，为实时并合理的调整钻井参数提供理论依据，甚至可以提前预警某些钻井复杂情况与事故。在实钻过程中，司钻通过改变钻压、转速等钻井参数，改变MSE 的大小，从而提高机械钻速。通常在较好的参数配合下，计算出的MSE 数值，应该与所钻地层的单轴抗压强度值基本接近。以上这些是目前对于MSE 的常规应用方法。综上所述，MSE 的研究能从以下几个主要方面提高钻井效率：减少因为钻头磨损情况不明而导致的无效趟钻；减少因为井下钻具失效判断不明而导致的无效趟钻；准备判断是否是地层的原因导致的机械钻速变化或者钻头磨损加剧；准确分析钻具震动情况；有效增加钻头进尺；有效增加钻头机械钻速。

以下通过MSE 在两口四川某深层页岩气区块钻井过程中对钻头磨损的判断实例为例，阐述此方法的实钻运用和分析过程，并由此展望MSE 研究的推广意义。

1 MSE概念的建议及几种常用模型

1965 年R.Teale 通过对不同类型的钻头在破碎各种类型的岩石所有的不同钻压转速等进行了大量的试验，初步建立了MSE 的基本模型［1］。相对完备的MSE 模型需要同时满足三个条件：在不同的地层中钻进，最小的MSE值基本接近岩石的单轴抗压强度；模型中的计算参数必须易于测得并计算便捷；较为宽广得适用范围，能很好地匹配不同类型的钻头、地层、井型及井眼轨迹。

Teale 模型［1］、Dupriest 模型［2］和樊洪海模型［3］的公式分别见式（1）、式（2）和式（3）。

式中：WOB——钻压；

AB——钻头面积；

RPM——地面转速；

T——钻头扭矩；

ROP——机械钻速；

DB——钻头直径。

从MSE的模型可以看出：

（1）Teale 模型参数较少、易于计算。在MSE 计算中，钻压可以通过地面录井参数仪等测量得到，但是钻头扭矩值较难从地面的仪器仪表测得。所以Teale 模型得计算结果，并非钻头在井底的MSE 数值，所以这个模型的应用更多是在理论计算以及定性分析层面。

（2）Dupriest 模型的参数基本都可以在地面测得。一般情况下，由于钻具的摩阻消耗能量及其他的能量耗散，作用在钻头上的只有30%～40%。Dupriest 模型计算结果在Teale 模型得基础上，乘以一个机械效率，用以描述钻头的实际工作性能，精度相对明显提高。但是由于井型、井眼轨迹、井深、钻具组合、钻头类型等都存在差异，系数并非只是35%，这影响了计算结果的精准度。

（3）樊洪海模型给出了钻头扭矩的简便计算方法，进而对Teale 模型进行了优化，优化后的各个模型参数都更易于从地面测量得到，因而得到了广泛应用。但是钻头扭矩回归数据和摩擦系数等因钻头类型和地层岩性的不同，也有一定的差异。因此在计算时也存在一定的误差。

2 MSE计算在两口深层页岩气钻井中的应用实例

2.1 通过实时MSE计算，准确判断钻头仍具攻击性，避免了无效趟钻

A 井是一口位于四川省东南部的深层页岩气水平井。本井311.2mm 井段钻遇多套地层。分别是须家河组、雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组、长兴组、龙潭组、茅口组、栖霞组、梁山组、石牛栏组及龙马溪组，钻遇地层及压力系数较为复杂。在钻进至井深3029m，下入PDC 钻头，入井层位茅口组。茅口组上部以灰黑色灰岩为主，中部深灰色灰岩并含燧石，下部灰黑色灰岩泥质含量增高、及灰褐色生物灰岩。整体可钻性较差。按照钻井设计，钻穿茅口组、栖霞组、梁山组及石牛栏组之后，钻进至龙马溪组5m 中完。为了防止在茅口组井漏及掉块卡钻，本趟钻采用简化钻具组合（未带螺杆及扶正器）。钻进至3217m 之前，平均机械3.47m/ h。钻进至3219m 之后，机械钻速明显变慢，下降至0.8～0.9m/ h，且慢钻时持续9m 后（至井深3227m），并无明显改善。此时距离设计中完井深还有75m左右。在这种情况下，需要判断机械钻速明显变慢是什么原因，是否需要起钻更换钻头。具体分析过程如下：

（1）从随钻钻压与机械钻速分析可以看出，同样的钻压范围（80～150kN），在3220m 后机械钻速明显变慢，从平均机械钻速4.56m/ h 下降至0.8～0.9m/ h。

（2）从随钻实时计算MSE 可以看出，在井深3219m附近，实时MSE 计算值曲线呈现了一个突变。从之前较平缓的曲线（地面MSE 计算值波动范围393.4M ～540.4MPa，井底计算MSE 值波动范围107.4M ～227.8MPa），呈现明显增大的趋势，并且有较大范围的波动（地面MSE 计算值波动范围728.6M～5876.3MPa，井底计算MSE 值波动范围207.6M～2591.2MPa）。可以初步判断，岩性发生了变化。

（3）从随后的岩屑录井也证明了此判断的正确性。岩屑录井显示，岩性自3222m 开始由栖霞组灰色石灰岩，转变为深灰色泥质灰岩（泥质较重，泥晶结构致密，性硬）；3228m 进入梁山组（3228～3231m），岩性灰黑色页岩（质较纯，页理较发育，致密，性较硬）。

（4）从MSE 曲线波动较大的井段分析：随着钻压从80kN 增加至120kN，MSE 计算值呈现相应的减小，地面MSE 计算值从762.2MPa 下降至382.0MPa，井底计算MSE 值从248.5MPa 下降至148.4MPa。同样，随着钻压从110kN 减小至90kN，MSE 计算值相应增加，地面MSE 计算值从377.3MPa 升高至407.2MPa，井底计算MSE 值从147.4MPa 升高至161.0MPa。地面和井底MSE 计算值和钻压呈现明显的正相关性。由此可以判断钻头仍具攻击性。所以决定继续钻进，最终钻进至龙马溪组6m 中完（中完井深3296m）。

2.2 通过MSE实时计算，准确判断钻头磨损严重，及时起钻更换钻头

B 井是一口位于位于四川东部的的深层页岩气水平井。其311.2mm 井段钻遇多套地层，分别是须家河组、雷口坡组、嘉陵江组、飞仙关组、长兴组、龙潭组、茅口组、梁山组、栖霞组、梁山组、韩家店组，钻遇地层及压力系数较为复杂。在311.2mm 井段，使用PDC 钻头，钻进至3443m 时机械钻速变慢。地层位于龙潭组，主要岩性是灰黑色页岩，灰色泥岩夹深灰色凝灰质砂岩、并有煤层。通过实时的MSE 计算及分析，判断此次机械钻速变慢是由于钻头磨损造成的。决定起钻更换钻头。分析过程如下：

（1）从随钻钻压与机械钻速分析，从井深2420m 之后，在钻压从60kN 大幅度增加至175kN 的同时，机械钻速从12.2m/ h 反而下降至5.6m/ h。初步分析可能是钻头明显磨损加剧，或者地层岩性及可钻性发生明显变化导致的机械钻速明显下降。

（2）从实时计算MSE 可以看出，从2420m 之后钻压60kN 增加至175kN，MSE 计算值曲线明显上升，地面MSE 计算值波动范围从242.4M～269.1MPa 明显上升至587.5M～974.4MPa，井底计算MSE 值波动范围从120.3M～159.5MPa 明显上升至500.3M～783.1MPa。并且在尝试不同钻压（120k～180kN）之后，MSE 计算值曲线整体仍然明显偏高（地面MSE 计算值波动范围723.1M ～1026.4MPa，井底计算MSE 值波动范围585.5M～806.9MPa），明显偏离并高于前面井段的MSE基础计算值（地面MSE 计算值范围240.9M ～329.4MPa， 井 底 计 算 MSE 值 范 围 118.6M ～135.9MPa）。

这样就可以基本判断是钻头磨损造成了机械钻速变慢。从循环钻井液捞取砂样，录井岩屑描述也显示，岩性自井深2422m 开始由龙潭组黑色页岩（质纯，页理较发育，性脆），转变为灰色铝土质泥岩（富含黄铁矿，致密，性软，吸水性好，易膨胀）；继续钻进至2426m 后进入茅口组，岩性转变成浅灰色石灰岩（粉晶结构，含少量泥质；致密，性硬）。

综上分析，正是在异常钻遇黄铁矿之后，造成了钻头的严重磨损。本只钻头最终因为机械钻速明显变慢，起钻更 换 钻 头 。 起 出 钻 头 综 合 评 级 ：2- 5- CT- S- X- 1/ 16- WT- PR。从钻头磨损看，主要磨损部位在肩部位置，其它部位及顶部均是正常磨损。从钻头磨损特征分析，PDC 顶部齿并没有由于钻压持续过大而引起的碎裂或者断裂等现象，说明钻进过程中钻压比较合理，并没有持续施加异常大的钻压[4]。另外PDC 齿并没有热龟裂等磨损特征，说明钻进及划眼期间的排量也比较合理，能对钻头表面进行有效的水力降温。肩部以及外锥部分的异常较严重磨损，正是由于钻机期间突遇黄铁矿造成。

以上两口井的MSE 运用的实例，分别是判断机械钻速下降是由于地层转变引起的，钻头磨损并不大，仍然具有攻击性，避免无效趟钻；另一个是地层的异常变化，造成钻头的严重磨损，及时起钻更换钻头。这两个实例及其具体分析过程，结合地层岩性，具有一定的代表性，可以作为根据实时MSE 计算判断井下钻头磨损情况的典型案例，在西南某深层页岩气区块的钻井施工中推广应用。

3 MSE推广的意义

通过对以上两口井的实例，可以看出实时MSE 的计算跟踪，不光能够为提高机械钻速提供合理的钻井参数的依据，同时也可以作为判断钻头磨损的重要依据。如果结合各项钻井参数的变化、地质捞砂等，就能更准确的判断钻头破岩效率、磨损情况等。从而科学准确的决定是否应该起钻更换钻头。这套方法对于趟钻时间长的深井、超深井，更能节约钻井周期、提高钻井效率、降低作业成本等方面，更具重要意义。