随钻评价钻头效率技术应用

0 引 言

随着勘探的深入,深层井日趋增多,大庆油田天然气井的井深都在3 000 m以上,塔东地区一般在6 000 m以上,在这较长的钻井周期中,对钻头效率的实时监测和评估成为录井工程监测中的一项重要内容。该项工作能够准确评估井下钻头的磨损状况,减少钻头损坏带来的井下事故的风险;还可开展不同区块、不同岩性地层钻头破岩效率的对比为区域钻探钻头选型提供依据。

1 钻头效率评价的理论基础

近些年,国内外石油工程方面的专家针对钻头效率的评价、预监测问题开展了深入的实验室理论研究,其中以R·Teale机械比能模型较为典型。

1.1 机械比能

R·Teale的机械比能模型公式^[1]如下:

E_m= 4Wπdb2+ 480nMdb2vROP(1)

式中:E_m为机械比能;W为钻压,N;n为转速,r/min;M为扭矩,N·m;v_ROP为机械钻速,m/h;d_b为钻头直径,mm。

从公式(1)中可以看出机械比能与钻压和扭矩有关,在实际应用中应进行钻压和扭矩的校正,将井口参数校正到井底钻头破岩时的真实数值^[2,3]。国内相关方面的研究者在此模型的基础上,考虑井筒的影响因素将录井测量的井口钻压进行校正,公式^[4]如下:

W_b= Weαkμw(2)

式中:W_b为井底钻压,kN;μ_w为井壁的摩擦系数;α_k为井底的井斜角,(°)。

钻进过程中,扭矩由钻头扭矩和螺杆扭矩两部分构成,校正公式^[4]如下:

M_总= μbWdb3eαkμw+ QΔPp2π(3)

式中:M_总为钻头扭矩和螺杆扭矩之和,N·m;μ_b为与钻头类型有关的滑动摩擦因数,PDC钻头取0.48,牙轮钻头取0.25;Q为钻具每转排量,L/r;ΔP_p为钻具进出口的压力降,MPa。

1.2 进给量

进给量是指钻头每转一转,钻头切削刃相对于地层在进给方向上的位移量^[5]。

S= vn(4)

式中:S为进给量,mm/r;v为钻速,mm/min。

目前,国内外研究者利用机械比能与进给量交会对钻头各种井下状态进行有效的预测、监测和评价^[5]。当地层稳定,岩性单一,机械比能的地质影响因素趋于恒定变化量时,机械比能的变化量只受钻头及钻具工况变化所控制,此时机械比能值低,说明钻头钻进过程中做功少,钻头效率高,钻头进给量大;随着钻头不断磨损,机械比能值缓慢上升,钻头进给量逐渐减小,最后在一个较低值的范围内波动,此时钻头的破岩效率低(图1)。

2 钻头效率评价存在的问题

经过大量的实际钻井数据的实验分析,将交会曲线建立的交会模型运用到钻井现场进行随钻的钻头效率评价时存在着两方面问题。

2.1 模型计算结果数据品质差

随钻进行钻头效率评价使用的是随钻录井采集的工程参数(钻压和扭矩),数据来自综合录井仪的录取,在钻井过程中由于受钻井液、井径、井斜等的影响,与实际井底钻头钻井破岩时的钻压和扭矩有较大的差异,即使利用公式(2)、(3)进行钻压和扭矩的校正,也会存在着大段的假、错数据,数据的品质较差。这是因为公式(2)、(3)中所引入的相关系数与钻头的实际情况存在较大差异,所以需要先对数据进行系统处理,方可使用。

2.2 指导现场工程施工可操作性差

按照图1利用曲线交会判断钻头运行情况,出现交会临界点A时,井底钻头运行效率低,但在实际上钻井过程中井底钻头效率低是由多种因素引起的,如钻头泥包、钻具震动等,仅凭图1所示的交会曲线分析不出钻头破岩效率低的具体原因,很难对下一步工程施工(起钻、循环、划眼等)做出明确的指导,因而会增加不必要的钻井施工工序,造成钻井效率低下。

3 随钻机械比能模型数据处理方法

根据钻头机械比能的定义,其值的大小取决于地层的类型和性质、钻头的磨损程度等,当地层性质稳定时,机械比能的大小反映出钻头运行效率的高低,同时利用机械比能与进给量交会可以进一步判断钻柱的整体工况,进而对钻具和钻头的井下工况做出分析^[6]。但这种分析都是基于钻后数据的分析,在深井或超深井钻井时这种钻后的钻头分析评价对现场工程指导较为滞后,因此笔者与相关钻井专家进行现场数据的分析整理后探讨将模型运用于现场随钻钻头的分析和评价,其对钻井工程的指导意义更大。

3.1 数据插值处理

利用录井大数据的处理优势,将综合录井仪1 m间隔的数据处理成0.1 m间隔深度数据^[7]。在录井深度数据中,某井深为H_n,该点钻时为t_n,钻达时间为T_n,基于该点上下范围内顶点与底点间的深度差与钻进的时间差,并去除停钻因素占用的时间,来计算0.1 m间隔的钻时数据(图2),方法如下:

当H_n-H_n-1≥0.1 m时:

t_n= Tn-Tn-1Hn-Hn-1+ T0Hn-Hn-1(5)

当H_n-H_n-1<0.1 m时:

t_n= Tn-Tn-1Hn-Hn-1+ Tn+1-TnHn+1-Hn+ T0Hn-Hn-1(6)

式中:T₀为该井段内停泵时间,min;H_n-1为某深度点H_n上一深度记录点,m;H_n+1为某深度点H_n下一深度记录点,m;T_n-1为钻达H_n-1深度点时间,min;T_n+1为钻达H_n+1深度点时间,min。

通过高密度采集录井时间库中的数据,对所计算出的0.1 m深度间隔钻压、扭矩等参数进行等间距插值处理。

3.2 数据筛选、删除处理

对在工程作业中因停泵、起下钻、循环钻井液等操作而产生的错误或扭曲的数据体重复数据、异常突跳数据、异常零值数据等进行筛选和删除处理,采用滤波技术检测,按趋势插值方法进行修正,并将空缺的深度间隔点按照时间数据库中对应的深度点数据进行相应的趋势补位插值,如图3所示。

3.3 平滑滤波处理

数据的平滑滤波是使用原始工程录井资料时必须进行的一个重要步骤,目的是将非真实点剔除并保留其趋势。目前较为成熟的数据平滑滤波的方法是“五点钟形法”^[8],其计算公式为:

E_i=β(E_i-2+E_i+2)+γ(E_i-1+E_i+1)+εE_i (7)

式中:β取值为0.11;γ取值为0.24;ε取值为0.3;E_i为某采样深度点的机械比能值,MPa;E_i+1为对应E_i相邻下一个采样深度点的机械比能值,MPa;E_i-1为对应E_i相邻上一个采样深度点的机械比能值,MPa;E_i-2(E_i+2)是对应E_i-1(E_i+1)相邻的上(下)一个采样深度点的机械比能值,MPa。

4 随钻钻头效率评价方法

依托录井现场工程预监测软件,制作出纵向连续,横向可比的钻头评价分析曲线。按照现场钻井施工时钻头可能出现的工况,结合机械比能与进给量交会图进行钻头效率评价分析,利用曲线交会填充技术形成了现场随钻钻头效率评价方法。

4.1 钻头泥包分析

钻头泥包是指在钻进或起下钻过程中,钻头表面被井下泥团包裹,钻头牙齿“吃入”地层较浅,破岩能力下降,钻速增大,严重泥包时可造成水眼堵死、泵压升高,甚至在起下钻时可造成环空堵塞,从而导致更为严重的工程事故^[6]。钻头泥包时,钻头空转比例较高,有效的破岩进尺几乎为零,消耗的机械能大部分或全部用来抵消井壁摩擦阻力,此时机械比能与进给量的交会图形呈现“箱体状”。“箱体状”曲线可分为3段,上下两段较为平缓,近乎水平,中间段较厚,厚度在10 m以上且起伏不大。

4.2 钻具振动分析

钻具振动是钻头钻遇较硬或是钻头类型与新地层不匹配,使得在钻头“吃入”岩层时出现瞬时的快慢抖动,抖动由钻头传导至整个钻具系统,使得钻柱发生破坏性的共振现象,随着钻井速度的增减振动会出现不同程度的强弱变化。国内外研究表明,钻具振动对钻具的危害较大,有些由于振动带来的钻具疲劳可导致钻具异常受损,更为严重的后果是导致重大卡钻事故发生,因此对钻具异常振动的识别也是在钻井工程的预监测中较为重要的内容。钻具振动表现在机械比能与进给量的交会图上为一组或几组“尖峰状”波形图,其峰值和面积的大小与钻井速度正相关,“尖峰状”曲线值升降变化迅速且数值变化范围大,使曲线呈现出密集的“毛刺”状态。

4.3 钻头钝化分析

钻头钝化是钻头使用时间较长时,因牙齿磨损较大,“吃入”地层时的垂向和切向力的分量较小,表现为钻头进尺在缓慢的下降,当进尺降至一定值时,钻头破岩进尺迅速降为零,此时可能出现掉齿或崩齿,表现在机械比能和进给量交会图上为“刺刀状”曲线。该曲线可分为两段,上段呈现平缓上升的状态,下段迅速下降,形成“刺刀状”。

钻头钝化是一个渐进的过程,刚开始时机械比能值稳定增加,交会面积不断增大,通过一段时间的观察后机械比能值持续增加,面积持续增大。通过大量的实际钻井资料进行总结分析,对曲线的交会形态与钻头实际磨损情况进行对比,总结出曲线交会形态与钻头工况之间的对应性关系判断标准,见表1。

5 应用实例

5.1 钻头泥包

在钻头泥包时机械比能值长时间的增加,进尺降低,在机械比能与进给量的交会图出现“箱体状”高值黄色交会面积区。如图4所示,此时可通过增大钻头水马力,增强钻头水洗能力,解除泥包。

5.2 钻具振动

通过机械比能和进给量交会图的形态来识别钻具振动,并且通过降低钻速,增加钻压来使得振动减弱。如图5为塔东某井的钻头效率分析实时曲线,图中显示17号钻头和19号钻头出现了机械比能值剧烈大幅度的波动,与进给量的交会面积显示黄色“尖峰状”交会面积区,表明此时钻具振动相当剧烈,建议井队起钻检查钻头。

5.3 钻头钝化

利用机械比能与进给量的交会图较容易识别钻头钝化,如图6所示,钻头钝化在交会图中的表现为“刺刀状”黄色中高值波动交会面积。这里要说明的是岩性出现薄互层的变化时也会引起机械比能值在中高值范围内进行波动,交会图会呈现假象“刺刀状”。

因此,一方面要经过一段时间的观察,另外一方面要同时进行岩屑的观察和确认,方可进行起钻观察的提示预警。

5.4 钻头选型

通过不同类型钻头在不同地层时破岩效率的对比分析,总结归纳出在某些区域某些地层钻头与岩石的匹配关系,进而为区域钻头选型提供重要的分析依据。通过对大庆塔东区块古城地区的几口井钻头效率分析,明确古城地区碳酸盐岩地层中,PDC钻头在纯灰岩段的钻井效率高;牙轮钻头在灰质白云岩、白云质灰岩等井段钻井效率高。图7为塔东地区某井的钻井过程中钻头破岩效率分析的实例,从图中可以看出钻头类型与地层岩性的对应关系。

6 预期效益

现场应用表明,随钻钻头效率评价能够及时反映钻头的使用情况,当出现黄色预警情况时,井队及时起钻检查钻头能够避免由于钻头因素造成的工程事故,提高钻井效率,起到优化钻井的目的。按一口井进行钻头预警避免工程事故后,一年节约钻井时间2 h、一年50口井计算,1 h节省资金20×10⁴元,则:2×50×20×10⁴=2 000 万元/年。

7 结 论

(1)将机械比能值与钻头进给量进行交会,根据曲线交会的不同形态及交会面积的大小、变化能够对钻头及钻具的工况进行判断。

(2)对不同岩性地层中钻头效率的分析,总结出钻头与地层的匹配关系,在实际钻井中,可以为钻探区域钻头选型提供参考。

(3)对钻头效率的随钻评价实时掌握井底钻头的运行状况,可以对钻头磨损情况提前预警,避免工程事故的发生,降低钻探成本。

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参考文献

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