机械比能理论及其在钻井工程中的应用

发布时间：2017-01-01 21:38

  本文关键词：机械比能理论及其在钻井工程中的应用，由笔耕文化传播整理发布。

·6·

钻井工艺

钻采工艺2015年1月

Jan．2015

DＲILLING＆PＲODUCTIONTECHNOLOGY

机械比能理论及其在钻井工程中的应用

1，21，21，21，2

陈绪跃，樊洪海，高德利，郭柏云，彭

1，21，23齐，刘劲歌，王鄂川

（1中国石油大学·北京2石油工程教育部重点实验室3中国石油集团海洋工程有限公司工程设计院）

2015，38（1）：6－10陈绪跃等．机械比能理论及其在钻井工程中的应用．钻采工艺，摘

要：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率、

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。

关键词：机械比能；钻进比能；水力机械比能；应用评价；钻头力学；随钻监测

DOI：10．3969/J．ISSN．1006－768X．2015．01．02

机械比能理论是作为一种用来描述钻头性能的概念被提出的，它提供了一种实时评价钻井性能的工具。开展机械比能的研究对随钻监测井下工作状态，提前预测而避免发生钻井事故，及时做出合理的钻进参数调整，提高钻井效率，降低钻井成本等方面都具有重要意义。在国外，机械比能理论已广泛应用于钻进过程监测与预测、钻井工程设计优化、钻井技术经济评价分析与决策、钻井方法评价、评价新型钻具以及评价地层岩石力学特性等方面，并取得了很好的应用效果

［1－5］

建立了机械比能原始模同钻头进行大量实验，型

［11］

。

1．机械比能模型评价方法

现有的机械比能模型可分为机械比能、钻进比能和水力机械比能。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。

2．机械比能模型及其评价

（1）Teale模型［11］：MSE=

WOB120π·N·T

+AbAb·ＲOP

113．33·μ·N

+）DbDb·ＲOP

。国内对机械比能的研究相对

［6－10］

较少，主要应用于钻头选型、监测钻头磨损、钻井效率的随钻监测与评价等

。近年来，随着欠平衡

井、深井、超深井、水平井、大斜度井和大位移井在油气勘探开发中所占的比重越来越大，井下事故、钻井效率、钻井成本等问题逐年突出，对机械比能的研究提出了更高的要求。笔者首先介绍机械比能的核心模型及其评价，然后介绍机械比能理论在钻井工程最后对其研究的发中应用现状及存在的主要问题，展趋势做出初步的探讨。

（2）Pessier模型［12］：MSE=WOB（μ=36（

一、现有的机械比能模型及其评价

1965年Ｒ．Teale通过对不同类型的岩石采用不

收稿日期：2014－08－14；修回日期：2015－01－03

T

）

Db·WOB

（3）Dupriest模型［13］：

）“钻井工程设计和工艺软件”基金项目：国家科技重大专项课题（2011ZX05021－006资助。

作者简介：陈绪跃（1986－），博士研究生，主要从事油气井力学与控制工程方向的研究。地址：（102249）北京市昌平区府学路18号中国QQ：345108370，E－mail：chenxuyue2011@163．com石油大学（北京），电话：18618262976，

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MSE=0．35（

WOB120··N·T

+AbAb·ＲOP

［14］

因此钻进比能相对来是提高钻进效率的关键因素，

说更适合于监测及判别井下工作状态，如钻头泥包、井底泥包和钻头钝化等。

（2）在机械能量和水力能量同时增大时，钻进比能大大减小，能非常有效地提高机械钻速，因此钻进比能很适用于提速、随钻监测及优化钻井效率。

（3）在良好的钻进条件下，相对机械比能来说钻进比能值更接近于所破碎岩石的侧限抗压强度，但钻进比能并非描述了钻头挖开单位体积的岩石所需的实际能量。

4．水力机械比能模型及其评价

（1）Mohan模型［20］：HMSE=

WOBe120π·N·Tη·Δpb·Q

++

Ab·ＲOPAb·ＲOPAb

（4）Cherif模型MSE=Em·（

：

4WOB480N·T

）+22

π·Db·ＲOPπ·Db·ＲOP

［10］

（5）樊洪海模型MSE=WOB·（

：

12．91·N+）AbDb·ＲOP

式中：MSE—机械比能；WOB—钻压；Ab—钻头面积；N—转盘转速；T—钻头扭矩；ＲOP—机械钻速；Db—钻头直径；μ—滑动摩擦系数；Em—机械效率。

［10－16］

：机械比能模型评价

（1）Teale模型参数少、易于计算。在机械比能

钻压是通过地面测量工具进行测量的，目前计算中，

在工程上钻头扭矩还无法像钻压、转速这些钻井参数一样通过地面仪器进行测量，实际计算所得的机

因而Teale模械比能值并非为钻头的机械比能值，

型的很多应用只停留于定性分析的层面。

（2）Pessier模型和樊洪海模型分别给出了钻头进而对Teale机械比能模型进行扭矩的简便方法，

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。但钻头扭矩回归数据和滑动摩擦系数因钻头也有一定的差异，且其钻头钻类型和地层岩性不同，

因此优化后的模型在计算时也存在压在地面测得，

一定的误差。

（3）Dupriest模型和Cherif模型在Teale模型的

模型参数均在地面所测基础上乘了一个机械效率，

得。一般情况下，由于钻柱的摩阻，钻头只有30%

～40%的高峰工作效率，Dupriest模型和Cher-因此，if模型相比前几种模型更能描述钻头实际的性能，计算精度相对较高。但机械效率依据井深、井型、钻

并非都是35%。头类型和钻具组合的不同而不同，3．钻进比能模型及其评价

（1）Armenta模型［17］：

6

WOB120··N·T1．98·10·λ·HPB

DSE=+－

AbAb·ＲOPAb·ＲOP

1－Aν－K

，WOBe=WOB－ηFjη=

M2（2）孟英峰模型［9］：EMH=

40WOBe4ηΔpbQ110TN

++22ＲOP·D2πDbπDb·ＲOPb

1－Av－0．122

，WOBe=WOB－ηFjη=

M2T=

μWOBeDb

3

式中：HMSE—水力机械比能；Δpb—钻头压力降；Q—流量；Fj—射流冲击力；Aν—环空流速与喷嘴出K—模型参数；WOBe—有效钻压；口流速之比；M、EMH—水力破岩比能。

水力机械比能模型评价

［9，20］

：

（1）Mohan模型和孟英峰模型将机械能量与水力能量两者结合起来，用有效钻压代替原来的钻压，形成井底真实钻进条件下的水力机械比能，描述了挖开单位体积的岩石所需的实际能量。但在常规钻井中，一般水力能量的辅助破岩效果很微弱，因此这两模型更适用于高压及超高压喷射钻井。

（2）在机械能量一定时，水力机械比能模型的水力项反映了要达到预期的机械钻速所需的水力能量，因此基于水力机械比能可以实时监测钻井效率并提出优化措施。

（2）Ｒashidi模型［18］：

6

WOB120π·N·T2．8144604·10·HPB

DSE=+－．19126

AbAb·ＲOPD3·ＲOPb

式中：DSE—钻进比能；λ—水力相关系数；HPB—钻

头水功率。

［17－19］

：钻进比能模型评价

（1）Armenta模型和Ｒashidi模型考虑了水力能量的辅助破岩和清岩作用，在钻压一定时，水力能量

二、机械比能理论在钻井工程中的应用

机械比能理论提供了一种实时评价钻井性能的工具，基于机械比能理论，能够在钻前预测机械钻速、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、钻头优选与评价钻头，

·8·

提高机械钻速，降低钻井成本。1．钻前预测机械钻速

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评价方法

［15，32－33］

，该方法的主要技术思路是利用岩

石侧限抗压强度将机械比能理论和钻速方程结合起来，并通过一定的数学方法来反算钻头磨损量，如图2。基于机械比能理论和钻速方程的钻头磨损实时评价方法考虑因素比较全面，没有试图用简单的函数关系求取钻头磨损，而是从钻头磨损对机械比能取得了比和钻速的影响出发定量反算钻头磨损量，较好的应用效果

。

目前钻井机械钻速预测研究包括3种方法：①利用现场数据直接统计出钻速方程进行钻速预测；②利用考虑所钻地层性质和钻头结构的钻速方程进行钻速预测；③用计算机仿真方法来预测机械钻速速

［21］

。Caicedo等人基于机械比能理论和侧限抗压

。此方法是以①②方法为基础，但该钻速

反推出了钻速方程来预测机械钻强度理论，

［16，22－23］

方程并非是利用现场数据回归拟合而成的，因此，相对来说更为客观，更为准确。并且此钻速方程综合考虑了影响钻速的几个主要因素，相对于以前提出的钻速方程（如Borgouyne＆Young钻速方程），省去了很多不确定系数的取值，具有更广泛的通用性。2．随钻评价钻井效率

1965年Teale给出了最小机械比能概念，他认为最小机械比能应该约等于岩石的侧限抗压强度

［11］

图1钻压、

机械钻速与机械比能的关系示意图

。换言之，当所有输入的机械比能都用来破坏

此时岩石并且没有损耗时钻井效率将会达到最大，可以认为机械比能等于岩石侧限抗压强度。但是在钻井过程中，机械能从地表传递到钻头处时已经经过大量的损耗，实际机械比能大于岩石的侧限抗压利用岩石侧限抗压强度和实际机械比强度。因此，

能的比值即可量化钻井效率

［24］

，目前很多利用机械

比能理论监测钻井工作状态的方法都是根据实际机械比能相对于岩石侧限抗压强度基线的变化来评估钻井工作状态。

3．随钻监测及识别井底工况

机械比能的物理意义为单位时间内破碎单位体积的岩石所消耗的机械能，因此，在钻进过程中机械比能可代表钻井效率，在获得理想机械钻速条件下消耗的破岩比能越小，则表示施加的钻井参数越合理，钻头与地层越适应。机械比能值增大可分为两种情况：一种情况是缓慢增大，在均质地层中钻进时，随着钻头的磨损、钻时的增加机械比能值缓慢上其原因是钻遇了地层岩性的升；另一种是急剧增大，

突然变化和钻头的钝化失效等。因此，结合测录井参数曲线和机械比能趋势线的变化情况可以监测及井底泥包、钻柱振动、钻头失效等井识别钻头泥包、底工况

［8，16，24］

图2随钻监测钻头磨损流程图

5．钻头优选与评价

Ｒabia等人于1985年提出了一种用能量观点来——机械比能法评判钻头工作情况的方法—

［27－29］

，即

从井底地层上切除单位体积岩石所需做的功，图3即为Ｒabia等人用机械比能来优选钻头的应用效果图。由机械比能的定义可知，其值的大小取决于钻头类型、钻头新旧、磨损程度、钻屑清除效果及岩石的类型和性质。但对于给定的钻头类型，由于其对各种岩石的适应性不同以及钻头本身的使用情况，机械比能值也有所不同。机械比能值越低，表明该钻头的破岩效率越高，钻头与地层越相适应。反之，则说明该钻头不适应于破碎该种岩石。所以，机械目前已广泛应用比能可用于钻后优选与评价钻头，于现场，并取得了良好的应用效果

［30］

，原理如图1所示。

4．随钻监测钻头磨损

机械比能理论和钻速方程是目前最为常用的两种实时数据分析工具。2010年B．Ｒashidi等人提出一种基于机械比能理论和钻速方程的钻头磨损实时

。

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（1）机械比能的很多参数都是通过相应的地面测量工具进行测量，由于钻柱在充满流体的狭长井筒内处于十分复杂的受力、变形和运动状态，因此，直到今天仍然无法做到对机械比能的精确定量计算。

（2）没有充分考虑钻柱工况、井眼状况以及地层岩性等因素的影响，还无法做到对复杂钻井条件下钻头性能的准确描述。

（3）现有的研究工作大多着重于理论上定性评价与定性分析，与实际的钻井工况还存在一定差距，定量分析尚有欠缺。

（4）机械比能理论的基础研究已日趋成熟，但

图3

基于机械比能的钻头优选应用效果对比图

（Ｒabia，1985）

是关于实际应用研究的探索还不够。

6．提高机械钻速

限制机械钻速的因素分为两类：一是影响钻速

－钻压关系不稳定点和钻头工况的钻头因素；二是非钻头因素

［31］

四、机械比能的发展趋势

未来的钻井技术也必然走向自动化、智能化，与现代钻井技术发展相适应，机械比能必然朝着更贴近井底实际工况、控制和计算精度更高的方向快速发展。因此，，基础模型研究、钻头力学动态特性测试、仿真技术尤其是虚拟现实技术、钻井全过程设计与评价将成为机械比能未来发展的主要方向。

（1）加强机械比能模型研究。深入开展机械比能模型研究能为技术进步提供充足的理论依据。现有的研究工作之所以大多停留在理论上的定性评价与定性分析是因为无法做到对机械比能的精确定量计算。加强机械比能模型研究是机械比能理论获得充分长足发展的动力源泉。

（2）提高钻头力学动态特性测试水平。钻头钻压与钻头扭矩等钻头力学参数的动态测试技术水平直接决定着机械比能定量计算的精度。

（3）进一步拓展机械比能理论的应用范围。目前，机械比能主要应用于钻头性能的监测与评价，在地质特征定量描述与钻井技术经济评价方面的应用较少。基于机械比能理论，利用随钻测录井资料、电

。前者为可控因素，可通过一定的设

备和技术手段进行人为调节，主要包括钻头泥包、井

底泥包、钻具粘滑、钻具涡动、钻头钝化、钻头类型、钻井液性能、钻压、转速和排量等。基于机械比能理论，可分别建立井口和井底的实时机械比能、测录井参数趋势线来监测与识别井底以及井筒的工作状态，实时发现限制机械钻速的主要因素，及时进行钻进参数优化与优选，提高机械钻速，使钻进过程达到

［32－33］

，最优的技术和经济指标图4即为Dupriest等人采用机械比能理论提速前后的机械钻速对比图

。

图4基于机械比能理论优化提速的应用效果图

（Dupriest，2005）

测及地震资料，对钻井地质特征进行定量描述。

（4）进一步深挖机械比能理论在随钻监测与钻前预测中的潜力，为钻井工程设计、施工优化以及决策提供支持。在钻进过程中，一方面基于综合录井、随钻测井以及随钻测量等实时信息，进行三维可视化模拟，实现钻进过程中的随钻监测；另一方面进行场景虚拟，实现钻进预测，对钻进过程进行实时分析有效预防井下复杂事故的发生，为钻井施工与判断，

优化以及决策提供支持。

三、机械比能研究中存在的主要问题

通过以上的应用分析可知，经过几十年的发展，

机械比能形成了比较完整的理论体系，许多研究成果已经广泛应用到了生产实践并产生了巨大的经济效益。但目前还有为数不少的技术问题几十年来一直没有得到有效解决，具体表现在以下几个方面：

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钻采工艺2015年1月

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（编辑：黄晓川）

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