复合钻井技术在石油钻井工程施工中的应用

＊杨 浩

（西部钻探工程有限公司玉门钻井分公司 陕西 710000）

高效的钻井技术可以帮助降低成本并提高生产率。传统的钻井方法可能需要数周甚至数月才能完成，而研究新型钻井技术，期望在更短的时间内完成同样的工作。这不仅可以减少生产成本，还可以提高石油和天然气的产量[1]。为了提高钻井技术，应根据不同地质条件和油气藏特点，选择最适合的钻井技术，从而提高钻井效率和成功率[2]。复合钻井技术是一种结合了不同的钻井技术的综合型钻井方法，利用螺杆和顶驱一起驱动钻头，其中螺杆的驱动器和顶部驱动一起驱动钻头，驱动钻头的速度等于螺杆的速度和顶驱的驱动器速度[3]。借助复合钻井技术速度易控的优势，本文就此技术设计了一个新型石油钻井工程施工模型，以提升钻井速度。

1.复合钻井技术在石油钻井工程施工中的应用设计

(1)构建复合钻井技术模型

钻柱结构是指用于钻井的钻杆和钻头的组合体系。复合钻井技术则是指应用控制技术控制钻柱结构进行钻井，以提高钻井效率和成功率。这些钻柱由反向工作带上的电动发动机驱动和旋转。下部驱动部件将下部驱动装置（BHA）与驱动管分离[4]。鉴于驱动系统的复杂性，建模准确、简化、易于分析和控制是十分必要的。因此，驱动的运作被认为是扭摆行进的，简化图如图1所示。

图1 钻柱力学简化示意图

钻柱的行进方向即为弹簧方向，最下角方块表示钻头。当压球是垂直时，钻头压力将变得非常强，并且长度会随着压球深度的增加而增加。在施工过程中，不会发生侧向移动，旋转系统角度速度均不为零[5]。忽略钻杆和井眼之间的摩擦。施工钻柱也被分成一个线性弹簧，钻井液在这里进入层流。

考虑钻井过程中岩石的性能[6]，构建复合钻井技术下石油钻井工程施工的一维波动简化模型，具体如下。

假设该策略是一个均匀的乘积，则锐波传播加速度与石头弹性特性的比例如公式（1）所示。

式中：K—岩石的体积模量，单位为MPa；G—岩石的切变模量，单位为MPa；μ—岩石泊松比并且无因次；ts—岩石的横波时差，单位为μs/m；E—岩石的弹性模量，单位为MPa；tp—岩石的纵波时差，单位为μs/m。

利用森林算法计算石头强度，研究表明森林算法不仅包括石头本身的特征，还包括关于石头环境的大量信息，包括温度、湿度、气压、地层类型、岩性、裂隙情况、地形、地貌、坡度等。这意味着特定地质条件下石头的实际状态由良好的信息参数反映。因此，使用森林算法来计算不同的力学参数是可靠的。同样使用森林算法计算力学参数也应排除非碳因素的影响。从公式（1）可以看出一般测井资料中的数据收集和应用，会导致波浪长度时间的差异、体积差异、横截面波浪的时间差异。然而与测井条件、时差、体积密度或其中之一相关的整体测井数据可能不足以计算出声波。在上述准备的基础上，利用相关参数计算不同石料的强度。

①泥质含量。总含量可以从以下方程中获得：

式（2）中：GRmax—最大值自然伽马，单位为API；GRmin—最小值自然伽马，单位为API；GR—自然伽马值，单位为API；V—泥质含量，单位为%。然而，通过分析自然伽马-林业曲线，考虑到井的直径和测井仪器以及人工读值可能会导致GRmax和GRmin值不合理。因此没有太多的低值和高值，即没有太多纯砂和泥岩。其中大多数混合物是其中的沙子，因此，GR值的分布通常是正态分布。根据统计学理论和概率问题，将平均值和标准差S概念引入，来选择GRmax和GRmin是一种相对合理的方法。

在公式（3）中：m—符合条件的数据点数；N—全井数据点总数；S—标准差；GR—全井GR自然良好平均值。所有源的平均自然伽马值由方程（3）确定。通过方程（2）计算全井每一井段的泥质含量。

②横波时差

大多数油田数据通常无法用于流体波计算，因此应使用实验来评估声波和纵波之间的关系，并计算声波的传播时间。计算声波是探测地层岩性的一项非常重要的准备工作，应指定合并层中每一块石头的含量，并且计算出石头的成分解。计算如公式（4）。

式中：tpi—第i中岩石的纵波时差，单位为s/m；tsi—第i种岩石的横波时差，单位为s/m；Vi—第i种岩石的含量，单位为%。

根据公式（5）可以获得石块密度。

式中：tf—流体纵波时差，单位为s/m；tcm—岩石骨架的纵波时差，单位为g/cm3；mρ—岩石的骨架密度，单位为g/cm3；tc—纵波时差值，单位为s/m；bρ—岩石的体积密度，单位为g/cm3。

石头的静态和动态弹性力学参数之间的关系在荷载条件下的示例，由应力与应变的比值确定。对于理想的弹性材料，静态和动态弹性常数是相同的，弹性传播比称为石头的动态弹性。然而，具有两种不同应力的石头的弹性成分并不相同，这意味着整个载荷范围内的线应力应变比都可以通过材料准确地表达。静态弹性常数总是低于动态弹性常数。应用动态测量结果的原因是：地下测量可以直接反映完工后产生的闭合应力；不同趋势的连续曲线都可以从测井中获得动态测量结果。可以反映在实践中，所制定的各种石材的等级标准，如可钻性能。为了符合石材等级标准，计算石材强度，使用不同的石材参数进行计算。否则就要更新石材等级标准。因此，应从测井数据中对不同的弹性岩石参数进行动静态转换。如方程式（6）所示。

式中：uμ—岩石动态弹性模量，单位为MPa；dμ—岩石静态泊松比，单位为MPa。Es—岩石静态弹性模量，单位为MPa；Ed—岩石动态泊松比，单位为MPa。

(2)设定约束条件

在分析和计算结果的基础上，通过计算来设定约束模型所需的变量。也可以根据经验和专业知识来设定变量的取值范围和约束条件，这种方法通常适用于缺乏数据或者数据不充分的情况，得到的结果通常不够准确。因此，通过计算对所选取钻头的指标与相关指标设定约束条件，使上述模型更加准确。

常用的约束方法有每米成本法、比能法及主因子法。每米成本法是钻井行业常用的约束方法，该方法简单易于计算，计算公式见式（7）。

钻头单位进尺消耗的能量根据式（7）可知，由计算得到的能量值可以约束钻头的使用状况，从而降低钻机作业费用。

式中：Cr—钻机作业费用；tb—钻头实际纯钻时间；Cb—钻头成本；tt—起下钻和接单根时间；D—给定的深度；CPUD—单位深度的钻井成本约束。

钻头类型一定时，钻头受到岩石性质和钻头磨损情况的影响，出现严重磨损，需要及时进行更换，才更有利于石油钻井工程的实施。

选择合适的驱动钻头，设置参数以计算下井位置，改变驱动液流的方向和速度，在脉冲攻击时产生切向力，并促进连续的高速脉冲旋转。在快速旋转过程中，脉冲不断改变井下通道面积。位于仪器下部的激发振荡腔增加了流体的脉冲并产生液体共振。以波动压力的方式冲击井底，改善井底流场，产生水力脉冲、空化冲蚀、瞬时负压3种效应来提高清岩和破岩效率。

2.实验论证

为验证本文方法的可行性，设计对比实验，将本文方法与传统方法1和传统方法2作比较，在实验中进行测试，验证所提出方法的检测结果。

(1)实验准备

进入井前准备。钻井液含砂量小于0.3%，固体含量小于15%，饮用液密度小于140g/cm3。了解基本试井状态：成分特征、复杂性、钻头驱动状态、机械驱动速度、驱动液参数等。

进入井前的测试操作。压缩扭矩应参考数据表。施工管道必须使用过滤器，防止沉积物进入内部仪表，以记录泵排气和仪表压力损失。下扣时必须在工具下端小径端，禁止在仪器小直径的末端以及其他位置使用大钳。

入井后操作。检查泵的压力和运动是否正常，在正常状态下继续下钻，禁止低排量情况下接触井底。首先以单循环移动，以防止驱动钻头直接与井的下部或与沉积物切换水管接触。钻具参数：长度1m，驱动压力2040kN，转速5060r/min。确保井眼打开且通常，避免在驱动过程中出现大的泄漏，同时确保泵的下部在距离井的下部1020m的距离处开泵。

(2)对比实验

如表1所示，本文方法的纯钻时间总是小于传统方法的时间。平均机械钻速8.66m/h，比传统方法1平均提速348.7%，比传统方法2平均提速174%。说明复合钻井技术可以一定程度的提升石油钻井的整体速度，提速效果显著。

表1 三种方法纯钻时间对比

3.结束语

复合钻井技术是显著提高钻井速度的主要手段之一，也是近年来出现的机械驱动速度提升的主要技术。实验表明，通过改进钻井电力驱动仪器的型号和性能，以及开发强驱动钻头，本文设计的方法显著提高了钻井速度，避免了许多不必要的辅助工作，节约了钻井时间，进而提高勘探成果。但本文方法未在多种类型的地质环境下应用，还需要进行全面地验证并调整，以提高这一方法的适用性。