復合鉆井技術在石油鉆井工程施工中的應用

＊楊 浩

（西部鉆探工程有限公司玉門鉆井分公司 陜西 710000）

高效的鉆井技術可以幫助降低成本并提高生產率。傳統的鉆井方法可能需要數周甚至數月才能完成，而研究新型鉆井技術，期望在更短的時間內完成同樣的工作。這不僅可以減少生產成本，還可以提高石油和天然氣的產量[1]。為了提高鉆井技術，應根據不同地質條件和油氣藏特點，選擇最適合的鉆井技術，從而提高鉆井效率和成功率[2]。復合鉆井技術是一種結合了不同的鉆井技術的綜合型鉆井方法，利用螺桿和頂驅一起驅動鉆頭，其中螺桿的驅動器和頂部驅動一起驅動鉆頭，驅動鉆頭的速度等于螺桿的速度和頂驅的驅動器速度[3]。借助復合鉆井技術速度易控的優勢，本文就此技術設計了一個新型石油鉆井工程施工模型，以提升鉆井速度。

1.復合鉆井技術在石油鉆井工程施工中的應用設計

(1)構建復合鉆井技術模型

鉆柱結構是指用于鉆井的鉆桿和鉆頭的組合體系。復合鉆井技術則是指應用控制技術控制鉆柱結構進行鉆井，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動機驅動和旋轉。下部驅動部件將下部驅動裝置（BHA）與驅動管分離[4]。鑒于驅動系統的復雜性，建模準確、簡化、易于分析和控制是十分必要的。因此，驅動的運作被認為是扭擺行進的，簡化圖如圖1所示。

圖1 鉆柱力學簡化示意圖

鉆柱的行進方向即為彈簧方向，最下角方塊表示鉆頭。當壓球是垂直時，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，不會發生側向移動，旋轉系統角度速度均不為零[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，鉆井液在這里進入層流。

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

假設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，還包括關于石頭環境的大量信息，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。這意味著特定地質條件下石頭的實際狀態由良好的信息參數反映。因此，使用森林算法來計算不同的力學參數是可靠的。同樣使用森林算法計算力學參數也應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據收集和應用，會導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的整體測井數據可能不足以計算出聲波。在上述準備的基礎上，利用相關參數計算不同石料的強度。

①泥質含量?？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—泥質含量，單位為%。然而，通過分析自然伽馬-林業曲線，考慮到井的直徑和測井儀器以及人工讀值可能會導致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。其中大多數混合物是其中的沙子，因此，GR值的分布通常是正態分布。根據統計學理論和概率問題，將平均值和標準差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—符合條件的數據點數；N—全井數據點總數；S—標準差；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含量。

②橫波時差

大多數油田數據通常無法用于流體波計算，因此應使用實驗來評估聲波和縱波之間的關系，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備工作，應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。

石頭的靜態和動態彈性力學參數之間的關系在荷載條件下的示例，由應力與應變的比值確定。對于理想的彈性材料，靜態和動態彈性常數是相同的，彈性傳播比稱為石頭的動態彈性。然而，具有兩種不同應力的石頭的彈性成分并不相同，這意味著整個載荷范圍內的線應力應變比都可以通過材料準確地表達。靜態彈性常數總是低于動態彈性常數。應用動態測量結果的原因是：地下測量可以直接反映完工后產生的閉合應力；不同趨勢的連續曲線都可以從測井中獲得動態測量結果。可以反映在實踐中，所制定的各種石材的等級標準，如可鉆性能。為了符合石材等級標準，計算石材強度，使用不同的石材參數進行計算。否則就要更新石材等級標準。因此，應從測井數據中對不同的彈性巖石參數進行動靜態轉換。如方程式（6）所示。

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

(2)設定約束條件

在分析和計算結果的基礎上，通過計算來設定約束模型所需的變量。也可以根據經驗和專業知識來設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據或者數據不充分的情況，得到的結果通常不夠準確。因此，通過計算對所選取鉆頭的指標與相關指標設定約束條件，使上述模型更加準確。

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）。

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

式中：Cr—鉆機作業費用；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，鉆頭受到巖石性質和鉆頭磨損情況的影響，出現嚴重磨損，需要及時進行更換，才更有利于石油鉆井工程的實施。

選擇合適的驅動鉆頭，設置參數以計算下井位置，改變驅動液流的方向和速度，在脈沖攻擊時產生切向力，并促進連續的高速脈沖旋轉。在快速旋轉過程中，脈沖不斷改變井下通道面積。位于儀器下部的激發振蕩腔增加了流體的脈沖并產生液體共振。以波動壓力的方式沖擊井底，改善井底流場，產生水力脈沖、空化沖蝕、瞬時負壓3種效應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，設計對比實驗，將本文方法與傳統方法1和傳統方法2作比較，在實驗中進行測試，驗證所提出方法的檢測結果。

(1)實驗準備

進入井前準備。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：成分特征、復雜性、鉆頭驅動狀態、機械驅動速度、驅動液參數等。

進入井前的測試操作。壓縮扭矩應參考數據表。施工管道必須使用過濾器，防止沉積物進入內部儀表，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，在正常狀態下繼續下鉆，禁止低排量情況下接觸井底。首先以單循環移動，以防止驅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：長度1m，驅動壓力2040kN，轉速5060r/min。確保井眼打開且通常，避免在驅動過程中出現大的泄漏，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方法的時間。平均機械鉆速8.66m/h，比傳統方法1平均提速348.7%，比傳統方法2平均提速174%。說明復合鉆井技術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.結束語

復合鉆井技術是顯著提高鉆井速度的主要手段之一，也是近年來出現的機械驅動速度提升的主要技術。實驗表明，通過改進鉆井電力驅動儀器的型號和性能，以及開發強驅動鉆頭，本文設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，節約了鉆井時間，進而提高勘探成果。但本文方法未在多種類型的地質環境下應用，還需要進行全面地驗證并調整，以提高這一方法的適用性。