基于机械比能理论的复合钻井参数优选方法

当今石油勘探逐渐向着深井、超深井的方向发展，而目前钻井技术具有钻速低、周期长等缺点，并不能很好地适用于该类油井。

因此，国际上各大石油公司都开始对优化钻井技术及相应软件的研究，将钻井实时数据与计算机相结合，实现钻井参数实时优化分析的目的。

1 钻井低效因素识别1.1 钻头型号因素钻井实时优化所使用的数据一般为实时录井参数，因此，选用可进行实时计算的岩石力学参数优选方法，参数设置为岩石可钻性级值，则钻头型号的优选限定为钻头编码这种国际上通用的钻头型号。

根据可钻性级值的随钻动态预测结果，初步判断当前地层钻头型号的可用范围，如果该型号低于优选型号，则出现警报提示更换，同时推荐优化钻头型号，进而实现实时优化钻头的目的。

1.2 机械参数因素在当前钻头的机械参数适用范围内，基于建立的钻速模型与钻头牙齿磨损模型，施加不同机械参数预测计算相应的机械钻速与钻头进尺，综合计算得到的比能和单位进尺成本，利用权值法计算得到综合的优选标准，选出适合条件的最优参数组合。

将实际机械参数与最优机械参数进行对比，分析机械参数是否为导致钻井效率低的因素，或者判断机械参数是否在适用范围，该方法可以明显看出根据机械参数的调整而进行钻井提速的潜能。

1.3 钻头牙齿磨损在钻进过程中，钻头会有不同程度的磨损，当磨损超过一定程度，会导致机械钻速下降，同时优化成本如果高于钻井成本，钻头应予更换，因此钻头磨损的实时监测十分必要。

钻头牙齿磨损量随钻计算流程，实时钻头磨损方程，利用该磨损剖面实时监测钻头牙齿磨损量。

当实时磨损量大于设定的最高磨损值时，提示起钻更换钻头。

2 钻井参数优化流程目前，钻井参数优化主要以旋转钻井工艺为研究对象，对影响钻进速度的机械参数（如钻压、转速）、水力参数（如泵压、排量）和钻井液参数等，针对某一地层、优选出一套最佳参数配合，以实现高钻速、低成本、低钻头磨损的工艺。

通过钻井参数实时优化方法的研究，分析钻井低效的原因，并寻找识别低效因素的方法，进而总结出一套实时现场监测，通过该检测，确定钻井最佳优化方案。

69肯基亚克盐下油田石炭系碳酸盐岩储层是主力开发层，下二叠统属于海陆过度沉积，主要为含石英砂钙质胶结塑性泥板岩，岩性致密，研磨性强，加之高密度钻井液的压持效应，导致在常规钻井方式下的机械钻速过低，因此开展基于机械比能和地层岩石力学特性比值的钻进效率评价和参数优选方法，有利于提高机械钻速并减少井下阻卡，达到高效、经济钻井的目标。

1 区域钻井地质概况肯基亚克盐下油田目前钻井普遍存在周期长，平均机械钻速慢，是制约盐下油田高效开发的主要瓶颈，针对水平井井型，下二叠统地层岩性以硬石膏、粉砂岩和砾岩组成，硬脆性地层，可钻性级值4~8，采用常规钻井方式的机械钻速0.4~0.8m/h，因井下低效事件频发，钻具振动，钻井参数缺乏科学有效选择。

2 地层岩石强度特性2.1 地层岩石力学地层岩石力学特性建模通过利用弹性力学原理和测井资料预测岩石的可钻性、硬度、抗剪强度和塑性系数等指标，以量化岩石破碎难易程度。

岩石的物理力学性质限制了这些量的变化。

根据钻进分析、测试分析、钻进工具类型、钻进参数等变化，利用这些预测指标建立的钻井岩石力学特性模型可以优选出合适的分层钻头类型[1]。

此外，该模型还可用于钻井参数优选、钻头使用效果评价，实现科学高效的钻进，对现场作业具有实用性和指导意义。

2.2 地层岩石力学建模根据已钻井部分井段测井资料得出地层岩石力学特性参数（见表1）建模，为钻头合理选型提供依据。

表1 地层岩石力学参数地层抗压强度/MPa抗剪强度/MPa硬度/MPa 岩石可钻性级值P 1tg 80~12040~901200~20006~8P 1a 40~12020~80600~20004~8P 1s 40~8020~40600~13003~6P 1as 40~5020~50600~15004~6C120~20040~1601000~24004~9盐下下二叠统是海陆过度沉积，其中主要岩性为致密泥板岩、硬石膏和砂岩。

在二叠纪的孔谷阶P 1tg地层，岩石的研磨性很强，抗压强度在80~120MPa之间，抗剪强度小于90MPa，硬度在基于机械比能在肯基亚克油田钻井参数的优选颜斌 李贤思 马炳奇 张茂林 陈涛 中国石油西部钻探工程有限公司 工程技术研究院 新疆 克拉玛依 834000摘要：肯基亚克盐下油田位于西哈萨克斯坦滨里海盆地东缘肯基亚克构造带上，下二叠统、石炭系油藏为裂缝-孔隙型双重介质储层，裂缝发育分布不均。

67新疆玛湖油田作为世界上面积最大的砾岩油区，油层分布受岩性、物性、构造等多重因素影响，油层展布预测难度大，钻井条件复杂[1]。

经过近几年的持续探索与实践，玛湖油田钻井指标较以往有了很大的提升。

在中石油低成本开发的战略背景下，需要进一步挖掘提速潜力，寻求一种不增加新的钻井工艺投入的前提下实现提速目的的方法。

机械比能理论（MSE，Mechical Specific Energy）是一种可用于随钻评价钻井效率和识别井底工况的有效方法，为此，在玛湖油田艾湖2井区引入此评价方法，通过监测MSE实时曲线，优化钻井参数，在不改变现有钻井工艺，不增加成本的前提下，实现提高机械钻速，缩短钻井周期的目的。

1 MSE理论介绍及优化流程MSE理论由R.Teale于1964年提出，他认为，当所有的输入机械比能都用于破碎岩石时，此时钻井效率最大，可认为最小机械比能等于岩石侧限抗压强度。

但由于实际钻井过程中，机械能在传递过程中必然经过大量的损耗，实际机械比能大于岩石侧限抗压强度。

Teale机械比能模型为[2]：W 120nT MSE=b b A A v +π （1）式中：MSE—机械比能值，kpsi；W —钻压，kN；n —顶驱转速，r/min；T —扭矩，kN·m；A b —钻头面积，in 2；v —机械钻速，m/h。

在实际应用中，比能值越低说明钻头破岩效率越高，钻进参数越合理，钻井效率越高。

通过调整钻压及转速参数，找出设备允许情况下MSE值最低的钻井参数，此时机械钻速较优化前快，钻头在井底破岩效率亦较优化前高。

优化流程如图1所示。

先进行转速分步测试排除钻具组合共振频率转速，再进行钻压分步测试，找出综合MSE值最低的钻井参数，即为优化后需执行的工程参数。

图1 分步测试优化流程基于MSE的钻井参数优化方法在艾湖2井区的应用郭志奇 韩丹 辛勇中国石油集团西部钻探工程有限公司工程技术研究院 新疆 克拉玛依 834000摘要：玛湖油田作为世界上面积最大的砾岩油区，油层分布受岩性、物性、构造等多重因素影响，油层展布预测难度大，钻井条件复杂。

修正机械比能模型的研究苏超;李士斌;王昶皓;刘照义【摘要】提高机械比能模型的适用性,可以大大降低钻探周期.通过力学分析在R.Teale提出的机械比能模型基础上进行修正,分别对直井、斜井的钻压及扭矩进行修正,获得功交汇模型.研究表明,相同深度下垂向功恒大于切向功,当垂向功与切向功交汇时,\"放空\"现象体现该层的地质物性良好;利用功交汇模型可以较好的反映井底的工况,机械比能更加适合录井的物性评价,规避了非客观因素对机械比能比值模型基准线的影响,增强了现场物理性质评价的准确性.【期刊名称】《石油化工高等学校学报》【年(卷),期】2018(031)005【总页数】6页(P71-76)【关键词】机械比能;垂向功;随钻监测;功交汇;物性评价【作者】苏超;李士斌;王昶皓;刘照义【作者单位】东北石油大学石油工程学院,黑龙江大庆 163318;东北石油大学石油工程学院,黑龙江大庆 163318;东北石油大学石油工程学院,黑龙江大庆163318;东北石油大学石油工程学院,黑龙江大庆 163318【正文语种】中文【中图分类】TE974机械比能被广泛应用于石油勘探开发中钻头性能的评价。

它不仅可以提供实时钻井性能的评价，还可以随钻监测井下的工况，为可能发生的复杂事故及时做出适合的预案[1]，对提高钻探效率、降低钻探成本具有重要的理论指导意义。

1965年，R.Teale[2]针对不同岩性的岩石采用不同类型的钻头，进行大量实验，建立了机械比能的原始模型；1992年，R.C.Pessier[3]通过机械比能理论定性的分析了钻头在钻井过程中的磨损情况，但是并没有定量的分析钻头的磨损等级；2002年，R.J.Waugham等[4]建立了实时机械比能监控系统，利用该系统可以及时发现PDC钻头的磨损情况，并没有提出定量的分析，仅仅停留在钻头钝化趋势的分析上；2012年樊洪海等[5-6]提出基于钻速方程和测井录井数据定量分析钻头磨损监测方法，该方法可以通过计算岩石抗压强度和钻头磨损等级分级系数来监测钻头的磨损情况；2014年崔猛[7]提出了基于螺杆钻具的输出扭矩，提出对机械比能模型的描述；2017年大庆油田录井公司提出对功交汇面积求解的设想[8]。

基于大数据的钻井参数优化研究以玛湖区块 A井区为例摘要：玛湖油田作为世界上面积最大的砾岩油区，但是地层可钻性差，机械机械钻速慢，单趟进尺短，趟钻数多等难题，严重制约了该地区的安全高效开发。

掌握该地区最优钻井参数，对于提高钻井效率，降低作业成本具有重要意义。

因此，本文基于大数据模型，结合区块已完钻井情况，进行了以机速为约束的钻井参数分析技术，分析得出各钻井参数对机速的影响程度；利用钻压敏感性模型分析方法，基于MSE的钻井参数优化方法和多因素钻井参数技术，结合实时参数优化及钻头磨损情况判断，优选出适合该区块的钻井参数；最终形成一套属于该区块钻井参数提速模板，并应用于2021年第二轮井AAAA2215。

关键词：大数据；钻井参数优化；智慧能源；机械比能中图分类号TE246;文献标识码A随着信息技术的迅猛发展，建立大数据工作模式，已成为国内外石油企业的发展重点，其中，国外公司斯伦贝谢推出的DELFI云平台和哈里伯顿推出的DecisionSpace®365云平台，通过工程数据和专业经验，利用大数据分析，形成智能分析平台，支撑钻井工程技术持续优化[1]。

国内基于大数据分析的工程技术还处于起步阶段，主要以中石油EISC中心与海峡能源公司为代表，初步形成基于大数据分析的复杂报警系统。

为了探索数字化钻井模式，开展了基于大数据的钻井参数优化研究——以玛湖油田A井区为例。

该井区目的层为三叠系百口泉组（T1b1）地层埋深3000~3900m，以细砾岩、中砾岩为主，地层压力系数1.26；采用三开井身结构Φ127mm套管固井完井，安全密度窗口1.3~1.56g/cm3。

目前井身结构、钻井液体系、钻具组合与钻头已成熟配套。

A井区已完钻42口井，平均水平段长1900m，三开钻井工期34.69天，机械钻速5.52m/h，三开平均趟钻8~9趟，趟钻数多、单趟进尺短、机械钻速低。

相对于国内外非常规油藏开发具有一定差距；其中主要影响为：1.钻井参数优化不足；2.井眼轨迹控制不足，导致储层水平段易出层；3.入井仪器转速受限，造成井眼清洁状况较差。

2018年04月机械比能理论在钻井事故预测与监测中的运用肖伟（中国石化集团国际石油工程有限公司，北京100029）钻井作业具有高隐蔽性和不确定性，如何准确、有效的对井下工作状态进行监测，及时发现钻井异常情况，一直都是钻井工程的热门研究领域。

本章在机械比能理论的基础上，结合钻井工程实际情况，对Warren 提出的牙轮钻头扭矩计算公式进行改进，得到基于比能的钻井监测工程简化模型，从能量的角度出发监测钻进过程中钻头比能值的变化，并通过分析比能值不同的变化趋势了解井下异常情况，以及时采取措施。

传统钻井安全评价是采用统计方法分析。

从本质上讲，统计法存在很强的地域性，在某一个地区统计得出的规律拿到另外一个地区很可能就没用了。

在这种情况下，本论文考虑建立一个具有普遍性，符合技术性能标准的物理模型，即机械比能模型，用它来作为评价钻井安全的综合指标。

1机械比能理论钻井事故预测与监测模型该模型实现了现场利用钻压、扭矩、转盘转速、钻速等现场参数对井底泥包、钻头失效、钻头泥包和振动分析等复问题的监测，以及对应每米间隔井深的机械比能数值计算，以便现场工作人员分析。

根据力乘力矩等于功的定义，扭矩做功则等于TOB 乘RPM ，机械比能定义式为以下所示：MSE =4WOB πDia 2+480RPM∙TOB Dia 2∙ROP通常情况下，影响机械比能的因素也比较多，如钻头因素（钻头新旧、磨损程度）、泥浆性能、泥浆清洗井底效果及所钻遇的岩性等等。

机械比能值增大情况可分为两种，一种情况是缓慢增大，通常都是在均质地层中钻进，MSE 值随着钻MSE 值随着钻头使用的磨损老化加剧、钻时增大而缓慢增大；另一种情况是比能值（MSE ）剧烈增大，这种增大原因是钻遇地层岩性的变化或者钻头钝化失效。

总的来说，比能值（MSE ）越小，表示钻头比较适应该地层，破岩效率越高，反之但比能值比较大时，表征钻头不适合钻进该地层，或是钻头已经失效。

推力（WOB ）所做的功大约为扭矩（TOB ）做功的1%~2%，因此可以将推理也就是钻压做功忽略掉。

2011年7月断块油气田断块油气田FAULT-BLOCK OIL &GAS FIELD 在钻井过程中，钻头不断地破碎岩石，新井眼随之形成，而钻头的工作环境也在不断变化，如果钻井措施不能适应这些新的变化，轻则造成钻头工作效率降低，钻速下降，重则造成井下诸多复杂情况和事故发生，导致巨大经济损失。

以往随钻监测以压力监测为主，多用dc 指数法，与钻压、转速、钻头尺寸等参数有关，但不适用于PDC 、刮刀钻头，也不适用于钻头磨损和钻头寿命终结阶段的判断。

笔者提出钻头比能监测模型，加入钻头扭矩等参数，从能量角度出发监测钻进过程中钻头机械比能值的变化，及时发现井下异常情况并采取措施，使钻头保持在最佳工作状态，提高钻井性能。

1钻头工作状态影响因素钻头是破碎岩石的主要工具，其工作状态直接关系到钻井速度、钻井质量和钻井成本。

影响钻头工作状态的因素有很多，如地层岩性、岩石强度、异常压力等工程地质因素［1］，以及钻头结构、钻井参数、钻井工艺条件、井底工况等因素。

基于比能理论的钻头工作状态监测方法景宁1，樊洪海1，翟应虎1，徐术国1，梁海军2（1.中国石油大学（北京）石油工程学院，北京102249；2.中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院，陕西西安710018）摘要钻头工作状态是影响钻井机械钻速和钻井效率的重要因素之一，而钻头的地下工作环境具有高隐蔽性和不确定性，一旦出现异常，很难在第一时间被现场施工人员发现。

文中分析了钻头工作状态的影响因素，利用Farrelly 等人提出的比能法，通过多元线性回归模型计算钻头扭矩，得到钻进过程中钻头比能值监测的工程简化模型。

比能监测值的异常变化，可以反映出钻头的异常工作状态，分析钻头泥包、振动、井底泥包、钻头钝化等情况下钻头比能值的变化趋势，能够迅速有效地发现井下钻头异常情况。

通过克拉玛依油田某井现场应用试验，验证了钻头比能监测模型的合理性和有效性，有助于提高机械钻速，降低钻井成本。

钻井参数优选之钻压、顶驱转速配比分析摘要：钻井是利用钻井工具在地层中形成一个油气通道，为了更好的经济效益，需要合理的钻井参数优选来帮助优快钻井，其中钻压的大小决定了牙齿吃入岩石的深度和岩石破碎体积的大小, 因此钻压是影响钻速最直接和最显著的因素之一；机械钻速与转速的关系为指数关系，是影响钻速最另一主要原因。

过去的文献中均对其单独对机械钻速的影响做出分析，本文将两者相结合，讨论钻压与钻速的关系对机械钻速的影响，对钻井参数优选的影响关键字：钻井参数优选，机械钻速，钻压，顶驱转速，钻压和顶驱转速配比1前言为了优快钻井，提高钻井施工效率和效益。

需要对钻井参数进行优选，科威特工区基本为一趟钻一开次、一钻头，因此钻井参数的优选的重点也就放在如何提高机械钻速上。

其中钻压的大小决定了牙齿吃入岩石的深度和岩石破碎体积的大小, 因此钻压是影响钻速最直接和最显著的因素之一。

机械钻速与转速的关系为指数关系, 且指数一般小于1 。

主要原因是岩石破碎的时间效应, 即随转速提高, 钻头的切削齿接触岩石的时间缩短, 从而引起吃入深度减少。

其中钻压和转速对机械钻时的影响最为显著，本文尝试通过实钻资料找出合理且科学的钻压及顶驱转速之间的最优配比，在此种配比下机械钻时最优。

2参照物确定及资料收集钻井技术条件和参数影响着机械钻速，在钻进过程中通过优化钻井液性能、钻压、转速以及水功率等可控制因素提高机械钻速。

为了尽可能的减少其它因素对分析结果的影响。

决定选用WARA,MAUDDUD地层、油基泥浆、RSS钻进，最大可能的排出泥浆性能，钻具结构，钻井工况、地层岩性等对机械钻速的影响，以求结果更加准确。

2.1地层简介2.1.1WARA地层简介该地层的主要标志就是见到砂岩，由于上部有良好页岩盖层，油气含量丰富，见明显气测显示，钻时变快。

砂岩为主，含部分散沙及页岩。

底部为灰绿色、棕色泥岩。

2.1.2MAUDDUD地层简介该地层主要标志就是岩性由砂岩变为灰岩，空缝发育良好，含较好油气显示，气测值变高。

钻头工作效率实时评估新方法李昌盛;赵金海;杨传书;张弛;徐术国【摘要】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。

【期刊名称】《石油钻采工艺》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】4页(P1-4)【关键词】钻头工作效率;机械比能;抗压强度;软件【作者】李昌盛;赵金海;杨传书;张弛;徐术国【作者单位】中国石化石油工程技术研究院,北京 100101;中国石化石油工程技术研究院,北京 100101;中国石化石油工程技术研究院,北京 100101;中国石化北京石油分公司,北京 100124;中国石化石油工程技术研究院,北京 100101【正文语种】中文【中图分类】TE242在钻井过程中，钻头的工作效率直接影响钻井周期、钻井成本及钻井风险。

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都具有重要意义。

目前关于钻头工作效率的研究大都是采用邻井数据对比分析或机械比能理论，由于同一地区相邻井所钻遇的地层性质可能不同，采用的钻井设备和钻井参数也不尽相同［1］，因此依据邻井数据进行钻头工作效率的评估具有很大的盲目性和不确定性［2-3］。

机械比能是采用钻压、钻速、转速、钻头扭矩和钻头直径等参数计算得到的一项评估钻头效率的重要指标，但是对于大多数井来说，钻头扭矩数据难以得到或者是缺乏连续性，导致机械比能无法计算或不连续；况且仅用机械比能来评估钻头效率具有片面性，实际工作中必须辅以其他数据进行综合分析。

关于机械比能的钻井优化设计摘要：RTeale在1964年提出的在岩石钻进中比能的概念：鉆取单位体积岩石钻头所做的功。

建立具有普遍性的物理模型，即机械比能模型。

用这些来描述钻头工作性能以及实时监测钻头性能非常的适用。

利用机械比能可以很方便的进行钻井的优化设计。

很多学者作了大量的科学试验，经过对试验数据的分析提出了相应的机械比能模型。

关键词：机械比能；钻井比能；钻井优化1前言深井、超深井机械速度低、钻井周期长是当前钻井施工所面临的问题。

而RTeale在1964年提出的在岩石钻进中比能的概念：钻取单位体积岩石钻头所做的功。

建立具有普遍性的物理模型，即机械比能模型。

用这些来描述钻头工作性能以及实时监测钻头性能非常的适用。

利用机械比能可以很方便的进行钻井的优化设计。

2机械比能模型2、1不考虑水力参数的机械比能模型很多学者作了大量的科学试验，经过对试验数据的分析提出了相应的机械比能模型。

一种完善的机械比能模型应具备的条件是：①在岩性不同的地层内钻进，最小机械比能值应该约等于岩石的抗压强度。

②模型参数易于测量与计算。

③适用范围广，能很好地适用于各类钻头与各种井型。

1965年R。

Teale通过对不同类型的岩石采用不同钻头进行大量实验，建立了机械比能原始模型。

樊洪海在Teale模型基础上进一步得出樊洪海模型。

樊洪海模型给出了钻头扭矩的简便方法，进而对Teale機械比能模型进行了优化，优化后的模型参数在地面都易于求得，计算精度也有了一定的提高，因而在钻井行业中被广泛应用。

2、2考虑水力参数的机械比能模型钻井施工时候的水力能量，所起的作用不仅仅是将岩屑带出井筒，清洁井底，同时钻井液从钻头喷嘴射流到井底岩石上也起到一定的水力破岩的作用。

因此，在计算破除单位体积岩石所需要的能量时，就不仅仅需要计算钻头的钻压和转速的破岩能量，也需要将钻头射流冲击力用于破岩的那一部分能量包括在内，这样就成为水力能量影响下的比能模型，称为钻井比能，（DSE，drillpecificenergy）。