復(fù)合鉆井技術(shù)在石油鉆井工程施工中的應(yīng)用

＊楊 浩

（西部鉆探工程有限公司玉門鉆井分公司 陜西 710000）

高效的鉆井技術(shù)可以幫助降低成本并提高生產(chǎn)率。傳統(tǒng)的鉆井方法可能需要數(shù)周甚至數(shù)月才能完成，而研究新型鉆井技術(shù)，期望在更短的時間內(nèi)完成同樣的工作。這不僅可以減少生產(chǎn)成本，還可以提高石油和天然氣的產(chǎn)量[1]。為了提高鉆井技術(shù)，應(yīng)根據(jù)不同地質(zhì)條件和油氣藏特點，選擇最適合的鉆井技術(shù)，從而提高鉆井效率和成功率[2]。復(fù)合鉆井技術(shù)是一種結(jié)合了不同的鉆井技術(shù)的綜合型鉆井方法，利用螺桿和頂驅(qū)一起驅(qū)動鉆頭，其中螺桿的驅(qū)動器和頂部驅(qū)動一起驅(qū)動鉆頭，驅(qū)動鉆頭的速度等于螺桿的速度和頂驅(qū)的驅(qū)動器速度[3]。借助復(fù)合鉆井技術(shù)速度易控的優(yōu)勢，本文就此技術(shù)設(shè)計了一個新型石油鉆井工程施工模型，以提升鉆井速度。

1.復(fù)合鉆井技術(shù)在石油鉆井工程施工中的應(yīng)用設(shè)計

(1)構(gòu)建復(fù)合鉆井技術(shù)模型

鉆柱結(jié)構(gòu)是指用于鉆井的鉆桿和鉆頭的組合體系。復(fù)合鉆井技術(shù)則是指應(yīng)用控制技術(shù)控制鉆柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行鉆井，以提高鉆井效率和成功率。這些鉆柱由反向工作帶上的電動發(fā)動機驅(qū)動和旋轉(zhuǎn)。下部驅(qū)動部件將下部驅(qū)動裝置（BHA）與驅(qū)動管分離[4]。鑒于驅(qū)動系統(tǒng)的復(fù)雜性，建模準(zhǔn)確、簡化、易于分析和控制是十分必要的。因此，驅(qū)動的運作被認(rèn)為是扭擺行進(jìn)的，簡化圖如圖1所示。

圖1 鉆柱力學(xué)簡化示意圖

鉆柱的行進(jìn)方向即為彈簧方向，最下角方塊表示鉆頭。當(dāng)壓球是垂直時，鉆頭壓力將變得非常強，并且長度會隨著壓球深度的增加而增加。在施工過程中，不會發(fā)生側(cè)向移動，旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)角度速度均不為零[5]。忽略鉆桿和井眼之間的摩擦。施工鉆柱也被分成一個線性彈簧，鉆井液在這里進(jìn)入層流。

考慮鉆井過程中巖石的性能[6]，構(gòu)建復(fù)合鉆井技術(shù)下石油鉆井工程施工的一維波動簡化模型，具體如下。

假設(shè)該策略是一個均勻的乘積，則銳波傳播加速度與石頭彈性特性的比例如公式（1）所示。

式中：K—巖石的體積模量，單位為MPa；G—巖石的切變模量，單位為MPa；μ—巖石泊松比并且無因次；ts—巖石的橫波時差，單位為μs/m；E—巖石的彈性模量，單位為MPa；tp—巖石的縱波時差，單位為μs/m。

利用森林算法計算石頭強度，研究表明森林算法不僅包括石頭本身的特征，還包括關(guān)于石頭環(huán)境的大量信息，包括溫度、濕度、氣壓、地層類型、巖性、裂隙情況、地形、地貌、坡度等。這意味著特定地質(zhì)條件下石頭的實際狀態(tài)由良好的信息參數(shù)反映。因此，使用森林算法來計算不同的力學(xué)參數(shù)是可靠的。同樣使用森林算法計算力學(xué)參數(shù)也應(yīng)排除非碳因素的影響。從公式（1）可以看出一般測井資料中的數(shù)據(jù)收集和應(yīng)用，會導(dǎo)致波浪長度時間的差異、體積差異、橫截面波浪的時間差異。然而與測井條件、時差、體積密度或其中之一相關(guān)的整體測井?dāng)?shù)據(jù)可能不足以計算出聲波。在上述準(zhǔn)備的基礎(chǔ)上，利用相關(guān)參數(shù)計算不同石料的強度。

①泥質(zhì)含量?？偤靠梢詮囊韵路匠讨蝎@得：

式（2）中：GRmax—最大值自然伽馬，單位為API；GRmin—最小值自然伽馬，單位為API；GR—自然伽馬值，單位為API；V—泥質(zhì)含量，單位為%。然而，通過分析自然伽馬-林業(yè)曲線，考慮到井的直徑和測井儀器以及人工讀值可能會導(dǎo)致GRmax和GRmin值不合理。因此沒有太多的低值和高值，即沒有太多純砂和泥巖。其中大多數(shù)混合物是其中的沙子，因此，GR值的分布通常是正態(tài)分布。根據(jù)統(tǒng)計學(xué)理論和概率問題，將平均值和標(biāo)準(zhǔn)差S概念引入，來選擇GRmax和GRmin是一種相對合理的方法。

在公式（3）中：m—符合條件的數(shù)據(jù)點數(shù)；N—全井?dāng)?shù)據(jù)點總數(shù)；S—標(biāo)準(zhǔn)差；GR—全井GR自然良好平均值。所有源的平均自然伽馬值由方程（3）確定。通過方程（2）計算全井每一井段的泥質(zhì)含量。

②橫波時差

大多數(shù)油田數(shù)據(jù)通常無法用于流體波計算，因此應(yīng)使用實驗來評估聲波和縱波之間的關(guān)系，并計算聲波的傳播時間。計算聲波是探測地層巖性的一項非常重要的準(zhǔn)備工作，應(yīng)指定合并層中每一塊石頭的含量，并且計算出石頭的成分解。計算如公式（4）。

式中：tpi—第i中巖石的縱波時差，單位為s/m；tsi—第i種巖石的橫波時差，單位為s/m；Vi—第i種巖石的含量，單位為%。

根據(jù)公式（5）可以獲得石塊密度。

式中：tf—流體縱波時差，單位為s/m；tcm—巖石骨架的縱波時差，單位為g/cm3；mρ—巖石的骨架密度，單位為g/cm3；tc—縱波時差值，單位為s/m；bρ—巖石的體積密度，單位為g/cm3。

石頭的靜態(tài)和動態(tài)彈性力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系在荷載條件下的示例，由應(yīng)力與應(yīng)變的比值確定。對于理想的彈性材料，靜態(tài)和動態(tài)彈性常數(shù)是相同的，彈性傳播比稱為石頭的動態(tài)彈性。然而，具有兩種不同應(yīng)力的石頭的彈性成分并不相同，這意味著整個載荷范圍內(nèi)的線應(yīng)力應(yīng)變比都可以通過材料準(zhǔn)確地表達(dá)。靜態(tài)彈性常數(shù)總是低于動態(tài)彈性常數(shù)。應(yīng)用動態(tài)測量結(jié)果的原因是：地下測量可以直接反映完工后產(chǎn)生的閉合應(yīng)力；不同趨勢的連續(xù)曲線都可以從測井中獲得動態(tài)測量結(jié)果。可以反映在實踐中，所制定的各種石材的等級標(biāo)準(zhǔn)，如可鉆性能。為了符合石材等級標(biāo)準(zhǔn)，計算石材強度，使用不同的石材參數(shù)進(jìn)行計算。否則就要更新石材等級標(biāo)準(zhǔn)。因此，應(yīng)從測井?dāng)?shù)據(jù)中對不同的彈性巖石參數(shù)進(jìn)行動靜態(tài)轉(zhuǎn)換。如方程式（6）所示。

式中：uμ—巖石動態(tài)彈性模量，單位為MPa；dμ—巖石靜態(tài)泊松比，單位為MPa。Es—巖石靜態(tài)彈性模量，單位為MPa；Ed—巖石動態(tài)泊松比，單位為MPa。

(2)設(shè)定約束條件

在分析和計算結(jié)果的基礎(chǔ)上，通過計算來設(shè)定約束模型所需的變量。也可以根據(jù)經(jīng)驗和專業(yè)知識來設(shè)定變量的取值范圍和約束條件，這種方法通常適用于缺乏數(shù)據(jù)或者數(shù)據(jù)不充分的情況，得到的結(jié)果通常不夠準(zhǔn)確。因此，通過計算對所選取鉆頭的指標(biāo)與相關(guān)指標(biāo)設(shè)定約束條件，使上述模型更加準(zhǔn)確。

常用的約束方法有每米成本法、比能法及主因子法。每米成本法是鉆井行業(yè)常用的約束方法，該方法簡單易于計算，計算公式見式（7）。

鉆頭單位進(jìn)尺消耗的能量根據(jù)式（7）可知，由計算得到的能量值可以約束鉆頭的使用狀況，從而降低鉆機作業(yè)費用。

式中：Cr—鉆機作業(yè)費用；tb—鉆頭實際純鉆時間；Cb—鉆頭成本；tt—起下鉆和接單根時間；D—給定的深度；CPUD—單位深度的鉆井成本約束。

鉆頭類型一定時，鉆頭受到巖石性質(zhì)和鉆頭磨損情況的影響，出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，需要及時進(jìn)行更換，才更有利于石油鉆井工程的實施。

選擇合適的驅(qū)動鉆頭，設(shè)置參數(shù)以計算下井位置，改變驅(qū)動液流的方向和速度，在脈沖攻擊時產(chǎn)生切向力，并促進(jìn)連續(xù)的高速脈沖旋轉(zhuǎn)。在快速旋轉(zhuǎn)過程中，脈沖不斷改變井下通道面積。位于儀器下部的激發(fā)振蕩腔增加了流體的脈沖并產(chǎn)生液體共振。以波動壓力的方式?jīng)_擊井底，改善井底流場，產(chǎn)生水力脈沖、空化沖蝕、瞬時負(fù)壓3種效應(yīng)來提高清巖和破巖效率。

2.實驗論證

為驗證本文方法的可行性，設(shè)計對比實驗，將本文方法與傳統(tǒng)方法1和傳統(tǒng)方法2作比較，在實驗中進(jìn)行測試，驗證所提出方法的檢測結(jié)果。

(1)實驗準(zhǔn)備

進(jìn)入井前準(zhǔn)備。鉆井液含砂量小于0.3%，固體含量小于15%，飲用液密度小于140g/cm3。了解基本試井狀態(tài)：成分特征、復(fù)雜性、鉆頭驅(qū)動狀態(tài)、機械驅(qū)動速度、驅(qū)動液參數(shù)等。

進(jìn)入井前的測試操作。壓縮扭矩應(yīng)參考數(shù)據(jù)表。施工管道必須使用過濾器，防止沉積物進(jìn)入內(nèi)部儀表，以記錄泵排氣和儀表壓力損失。下扣時必須在工具下端小徑端，禁止在儀器小直徑的末端以及其他位置使用大鉗。

入井后操作。檢查泵的壓力和運動是否正常，在正常狀態(tài)下繼續(xù)下鉆，禁止低排量情況下接觸井底。首先以單循環(huán)移動，以防止驅(qū)動鉆頭直接與井的下部或與沉積物切換水管接觸。鉆具參數(shù)：長度1m，驅(qū)動壓力2040kN，轉(zhuǎn)速5060r/min。確保井眼打開且通常，避免在驅(qū)動過程中出現(xiàn)大的泄漏，同時確保泵的下部在距離井的下部1020m的距離處開泵。

(2)對比實驗

如表1所示，本文方法的純鉆時間總是小于傳統(tǒng)方法的時間。平均機械鉆速8.66m/h，比傳統(tǒng)方法1平均提速348.7%，比傳統(tǒng)方法2平均提速174%。說明復(fù)合鉆井技術(shù)可以一定程度的提升石油鉆井的整體速度，提速效果顯著。

表1 三種方法純鉆時間對比

3.結(jié)束語

復(fù)合鉆井技術(shù)是顯著提高鉆井速度的主要手段之一，也是近年來出現(xiàn)的機械驅(qū)動速度提升的主要技術(shù)。實驗表明，通過改進(jìn)鉆井電力驅(qū)動儀器的型號和性能，以及開發(fā)強驅(qū)動鉆頭，本文設(shè)計的方法顯著提高了鉆井速度，避免了許多不必要的輔助工作，節(jié)約了鉆井時間，進(jìn)而提高勘探成果。但本文方法未在多種類型的地質(zhì)環(huán)境下應(yīng)用，還需要進(jìn)行全面地驗證并調(diào)整，以提高這一方法的適用性。