一种钻井参数与效率实时优化方法

摘要

本发明公开了一种钻井参数与效率实时优化方法，首先进行钻井取芯，利用步骤A中的方法建立岩石强度模型，根据钻井液密度、性质及地层孔隙压力，判断为哪一种钻井方式，如果为气体钻井则可以直接使用单轴抗压强度，否则计算井底围压条件下岩石强度，利用录井资料计算钻头机械比能，将计算得到的钻头机械比能与井底围压下岩石强度作对比。本发明建立的模型能够找出钻压、转速等钻井参数的临界失效点，能够起到实时优化钻井参数的目的，使得钻井能力在钻井现有的基础上得到有效的提升。

说明书

技术领域

本发明涉及一种钻井优化方法，具体地说，涉及一种钻井参数与效率实时优化方法。

背景技术

现有技术中的钻井优化方法都是基于过平衡钻井建立起来的，在用于气体钻井和欠平衡 钻井进行钻井优化时存在诸多问题，即使用于欠平衡钻井的优化也是基于过平衡钻井优化模 型的改进，不能同时用于气体钻井、欠平衡钻井、过平衡钻井三种钻井方式。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种能够用于气体钻井、欠平衡钻井、过 平衡钻井三种钻井方式的钻井参数与效率实时优化方法，本发明所建立的方法是基于岩石强 度模型的重新建立而提出的，本发明提出了一种计算的井底岩石强度新模型，建立的模型能 够找出钻压、转速等钻井参数的临界失效点，能够起到实时优化钻井参数的目的，使得钻井 能力在钻井现有的基础上得到有效的提升。

其技术方案如下：

一种钻井参数与效率实时优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

A岩石强度计算模型的建立：

A1针对某类岩石采集不同孔隙度的岩心，测定所采集岩心的孔隙度；

A2针对不同孔隙度的岩心进行三轴岩石力学实验，测取不同围压下岩石的抗压强度；

A3利用粒子群优化算法确定强度模型中的参数（a，b，c）：

σ₁-σ₃＝UCS₀(1+aσ₃^b)×exp(-φ×c)

式中σ₁为岩石的三轴抗压强度，σ₃为试验围压，UCS₀为岩石在0孔隙度时的单轴抗压 强度，a，b，c为模型系数，

B计算井底围压，采用双重有效应力原理计算井底围压，其模型为：

σ₃＝P_h-φ_cP_p

式中P_h为静液柱压力，P_p为孔隙压力，φ_c为岩石触点孔隙度，φ_c大于本体有效孔隙 度φ，小于1，对于一般岩石取φ与1之间的中间值，

则，井底围压强度计算模型可以表示为：

σ₁＝UCS₀(1+a(P_h-φP_p)^b)×exp(-φ×c)

C计算钻头破岩机械比能，公式为：

$E_s=0.35(\frac{W}{A_b}+\frac{13.33·\mu ·N·W}{d_b·\mathrm{ROP}})$

式中W为钻压，A_b为钻头面积，d_b为钻头直接，μ为滑动摩擦系数，N为转速，ROP 为机械钻速，

D首先进行钻井取芯，利用步骤A中的方法建立岩石强度模型，通过根据钻井液密度、 性质及地层孔隙压力，判断为哪一种钻井方式，如果为气体钻井则可以直接使用单轴抗压强 度，否则利用步骤B中的第一个公式计算井底围压，利用第二公式计算井底围压下岩石强度， 利用录井数据计算钻头机械比能，将计算得到的钻头机械比能与井底围压强度作对比，若是 机械比能持续小于岩石井底围压强度值，则继续钻进，若是机械比能大于井底围压岩石强度 值，则调整钻压和转速参数，若调整钻压和转速参数没有效果，则判断井底是否发生钻头泥 包、卡钻、钻头磨损严重的钻井事故，处理事故，直到钻头机械比能小于岩石井底围压强度 值为止。

进一步优选，若是在钻进过程中，井底岩石强度无明显变化，而机械钻速逐渐下降，机 械比能逐渐增加，转盘扭矩逐渐增加，同时伴有泵压有所上升，则判断为钻头泥包现象发生； 若是机械钻速逐渐下降，机械比能逐渐增加，转盘扭矩和泵压无明显变化，调整钻压和转速 后机械钻速无明显改善，则判断为钻头磨损严重；若是机械钻速突然下降，转盘扭矩突然上 升，上提和下放钻具遇阻，则判断为卡钻发生。

本发明的有益效果：本发明提供的方法和所建立的数学模型，能够更为准确的判断出导 致机械钻速降低的具体原因，能够指导现场施工及时采取正确方法处理钻井事故，提高钻井 效率。

附图说明

图1为本发明钻井参数与效率实时优化方法的流程图；

图2为过平衡钻井井底岩石围压强度、机械比能、实际钻速、钻井操作参数对比曲线， 其中图2a为井底岩石围压强度、机械比能、实际钻速曲线，图2b为钻井操作参数曲线；

图3为欠平衡钻井底岩石围压强度、机械比能、实际钻速对比图；

图4为欠平衡钻井操作参数；

图5为气体钻井井底岩石强度、机械比能、实际钻速、钻井操作参数对比曲线，其中图 5a为井底岩石围压强度、机械比能、实际钻速曲线，图5b为钻井操作参数曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

参照图1，一种钻井参数与效率实时优化方法，包括以下步骤：

A井底岩石强度计算模型的建立：

A1针对某类岩石采集不同孔隙度的岩心，测定所采集岩心的孔隙度；

A2针对不同孔隙度的岩心进行三轴岩石力学实验，测取不同围压下岩石的抗压强度；

A3利用粒子群优化算法确定强度模型中的参数（a，b，c）：

σ₁-σ₃＝UCS₀(1+aσ₃^b)×exp(-φ×c)

式中σ₁为岩石的三轴抗压强度，σ₃为试验围压，UCS₀为岩石在0孔隙度时的单轴抗压 强度，a，b，c为模型系数，

B计算井底围压，采用双重有效应力原理计算井底围压，其模型为：

σ₃＝P_h-φ_cP_p

式中P_h为静液柱压力，P_p为孔隙压力，φ_c为岩石触点孔隙度，φ_c大于本体有效孔隙 度φ，小于1，对于一般岩石取φ与1之间的中间值，

则，井底围压强度计算模型可以表示为：

σ₁＝UCS₀(1+a(P_h-φP_p)^b)×exp(-φ×c)

C计算钻头破岩机械比能，公式为：

$E_s=0.35(\frac{W}{A_b}+\frac{13.33·\mu ·N·W}{d_b·\mathrm{ROP}})$

式中W为钻压，A_b为钻头面积，d_b为钻头直接，μ为滑动摩擦系数，N为转速，ROP 为机械钻速，

D首先进行钻井取芯，利用步骤A中的方法建立岩石强度模型，通过根据钻井液密度、 性质及地层孔隙压力，判断为哪一种钻井方式，如果为气体钻井则可以直接使用单轴抗压 强度，否则利用步骤B中的第一个公式计算井底围压，利用第二公式计算井底围压下岩石强 度，利用录井资料计算钻头机械比能，将计算得到的钻头机械比能与井底围压强度作对比， 若是机械比能持续小于岩石井底围压强度值，则继续钻进，若是机械比能小于岩石井底围压 值，并调整钻压和转速参数没有效果，则判断井底是否发生钻头泥包、卡钻、钻头磨损严重 的钻井事故，处理事故，直到钻头机械比能小于岩石井底围压强度值为止。

进一步优选，若是机械钻速逐渐下降，机械比能逐渐增加，转盘扭矩逐渐增加，同时伴 有泵压有所上升，则可以判断为钻头泥包现象发生；若是机械钻速逐渐下降，机械比能逐渐 增加，转盘扭矩和泵压无明显变化，调整钻压和转速后机械钻速无明显改善，则可能为钻头 磨损严重；若是机械钻速突然下降，转盘扭矩突然上升，上提和下放钻具遇阻，则判断为卡 钻发生。

利用本发明所述方法对某地区一口过平衡钻井的井底岩石强度、钻进的机械比能进行了 计算，地层孔隙压力系数为：1.0～1.3g/cm³，使用钻井液密度为1.61g/cm³。结果如图2所示， 当钻进在3450米以上时，机械比能E_s在岩石抗压强度线σ₁以下，此时实施的钻井工具和工艺 基本有效，但是在钻进到3460米时，提升了钻压，但是这并没有使得机械钻速得到提升，反 而有所降低，使得机械比能E_s线超过了强度σ₁曲线，这充分说明了钻压W与机械钻速ROP并 不呈现直线关系，当钻压超过临界失效点时，继续增加钻压并不能带来机械钻速的增加。由 此可见，建立的模型能够找出钻压、转速等钻井参数的临界失效点，能够起到实时优化钻井 参数的目的，使得钻井能力在钻井现有的基础上得到有效的提升。

图3为某一欠平衡钻井井底计算实例，地层孔隙压力系数为：1.1-1.3g/cm³，使用钻井液 密度为1.0g/cm³，井底岩石强度、钻进的机械比能进行了计算，由图可以看出，随着井深的 增加，岩石的强度变化不大，只是随着井深的增加具有略微增加的趋势，在图中出现了两次 机械比能急剧增加的过程（图3中A、B点），对应的是机械钻速的急剧下降，笔者在查阅 井史资料时发现，这主要是由于参数的操作不当造成的，如图4所示。还可以看出，该方法 识别钻井参数有效性，因此，本发明建立的井底强岩石强度计算模型对于液体欠平衡钻井仍 然是有效的。

利用该对某一气体钻井井底岩石强度、钻进的机械比能进行了计算，计算结果如图5所 示，可以看出，计算方法对气体钻井依然表现出良好的描述效果，在图4中A区虽然实施 了50KN的钻压但是其机械钻速却在5-10m/h之间，但是在图3中B区钻压降为30KN，其 钻速却提高到8～15m/h之间，在气体钻井中钻井参数的临界失效点依然存在，因此，本发明 建立的模型在描述气体钻井性能方面表现出良好的性能。气体钻井虽然表现出破岩提速的高 效率，但是如果对钻井参数实施合理，提速效果将更加优越。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本 技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化 或等效替换均落入本发明的保护范围内。