一种基于钻井机械能效的地层压力监测方法及应用

摘要

本发明属于石油钻井的海洋防污染技术领域，尤其涉及一种基于钻井机械能效的地层压力监测方法及应用，通过综合利用实钻过程中的机械比能（Mechanical Specific Energy,简称为MSE）数据和钻井效率（Drilling Efficiency,简称DE）数据实时监测地层压力的方法，利用该理论可以对井下地层压力进行实时监测，并根据实时监测情况来调整和优化钻井液密度、排量等钻井参数，从而达到防止井喷，保证钻井安全的目的。

说明书

技术领域

本发明属于石油钻井技术领域，尤其涉及一种基于钻井机械能效的地层压力监测方法及应用。

背景技术

现有的石油钻井过程中，由于缺乏对钻井地层压力参数的测定，往往导致在钻井作业实操中缺乏对未知事故，如井喷事故发生概率的预测及调整方法，导致整个钻井行业中无法对突发的井喷事故进行合理的预期和预防措施，导致井喷事故的发生，不仅造成海水由于被油污染而引发的环境和水资源的污染，而且对施工人员的安全也造成很大的威胁。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于钻井机械能效的地层压力监测方法及应用，该方法计算得到的地层压力参数具有精准且计算简单的特点，且该方法监测范围广，对于井喷事故的预防具有指导意义。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于钻井机械能效的地层压力监测方法，包括以下步骤：

1)测量并提供以下钻井参数数据，钻井参数包括钻压WOB、转速RPM、机械钻速ROP、扭矩T、钻头直径d

2)根据钻井井下工作环境提供井下数据V

3)根据步骤2)计算的岩石单轴抗压强度UCS和岩石内摩擦角θ由公式四

4)根据

5)正常压力地层的地层压力

6)若最终计算得到的数值P

7)当数值P

进一步的，所述步骤1)中扭矩T可根据公式

一种基于钻井机械能效的地层压力监测方法的应用，该方法中计算得到的数值P

一种基于钻井机械能效的地层压力监测方法的应用，该方法中计算得到的数值CCS通过公式

理论基础：钻井机械能效监测地层压力的方法指的是综合利用实钻过程中的机械比能(Mechanical Specific Energy,简称为MSE)数据和钻井效率(Drilling Efficiency,简称DE)数据实时监测地层压力的方法。

机械比能(Mechanical Specific Energy,简称为MSE)是作为一种用来描述钻头性能的概念被提出的，它被定义为挖开单位体积的岩石所需要做的功，即是指在单位时间内用钻压和扭矩破碎单位体积的岩石所需要的机械能。机械比能理论提供了一种实时评价钻井性能的工具，利用该理论可以对钻井作业的工作状态进行实时监测，并根据钻井工作状态的变化来调整和优化钻压、转速等钻井参数，从而达到提高钻井效率的目的。

1965年，R.Teale首次提出了机械比能原始模型，Teale比能计算模型如下：

式中，WOB为钻压；RPM为转速；ROP为机械钻速；T为扭矩；d

同时，Teale给出了最小机械比能概念，他认为最小机械比能应该约等于岩石的抗压强度(Confined Compressive Strength,简称为CCS)。换言之，当所有输入的机械比能都用来破坏岩石并且没有损耗时钻井效率将会达到最大，此时可以认为机械比能等于岩石抗压强度。但是在钻井过程中，机械能从地表传递到钻头处时已经经过大量的损耗，实际机械比能远大于岩石的抗压强度。因此，利用岩石抗压强度和实际机械比能的比值即可量化钻井效率，目前很多利用机械比能理论监测钻井工作状态的方法都是根据实际机械比能相对于岩石抗压强度基线的变化来评估钻井工作状态。钻井效率(Drilling Efficiency,简称DE)可采用下式表达：

在机械比能计算中，钻头面积是给定的，钻压、转速以及机械钻速等参数都可以通过相应的地面测量工具进行测量，但是目前在工程上钻头扭矩还无法像钻压、转速这些钻井参数通过地面仪器进行测量。近年来，随着随钻测量技术(MWD)的发展，已经可以利用MWD工具测量井下近钻头扭矩，但是目前尚未完全普及。若现场未测量钻头扭矩，通常需要根据一些数学模型对其进行计算。1992年，Pessier提出了一种利用钻压和滑动摩擦系数计算钻头扭矩的模型：

式中，μ为滑动摩擦系数。

此外，徐济银等人考虑了地层岩性、水功率、转速和钻压等因素对钻头扭矩的影响，并利用砂岩、花岗岩和灰岩等三种不同岩性的岩样进行室内模拟试验。经过对试验数据的分析认为钻头水功率和转速对扭矩的影响不是很大可以忽略，并得出了如下的钻头扭矩计算模型：

T＝6.07×10

根据岩石力学理论，CCS由岩石单轴抗压强度(UCS)和围压共同决定，实际钻井过程中，对于钻头前方待破碎的岩石，通常将井底压力与地层压力之间的差值作为围压。因此，根据Mohr-Coulomb准则可得到CCS的计算公式：

式中，Δp为井底压差，θ为岩石内摩擦角。

对于岩石的强度参数，可通过测井数据求取。研究表明，地层强度与弹性模量、孔隙度、声波传播速度等有显著相关性，例如墨西哥湾上新世和中新世泥岩的单轴抗压强度和内摩擦角可通过测井声波速度进行计算：

由于破碎岩石的能量、钻头的性能及效率均与井底压差有关，因此，可综合利用机械比能和钻井效率对地层压力进行评价：

为表征地层压力的异常程度，可将上式改写为：

其中：

ΔDE＝DE

本发明具有的优点是：本发明方法在自源型井和他源型井中应用时，MSE数据对自源和他源型高压均有较好的响应特征，在异常高压段均明显偏离趋势线，且在自源型井和他源型井中实施时经计算得到的地层压力并与目前预测精度最高的声波时差数据以及来源最广的Dc指数数据监测结果进行了对比，发现地层压力数据与声波时差数据相吻合，且DC指数和声波时差数据解释地层压力整体稳定性较差，2860m以上和3100m以下地层解释的地层压力结果偏低，中间段偏高，而MSE数据解释的地层压力高值包络线能较好的反应地层压力的整体变化趋势，且钻井机械能效地层压力监测新方法可监测部分传统参数监测不到的地层压力结果，且此方法使用过程中基本不需要选用经验参数，避免了人为因素造成的误差。

附图说明

图1是1井对MSE在自源型高压和他源型高压的响应特征表征图。

图2是2井对MSE在自源型高压和他源型高压的响应特征表征图。

图3是3井对MSE在自源型高压和他源型高压的响应特征表征图。

图4是1井在钻井机械能效地层压力监测方法和普通监测方法测量数据对比图。

图5是1井在钻井机械能效地层压力监测方法和普通监测方法测量数据对比图。

图6是1井在钻井机械能效E地层压力监测方法和普通监测方法测量数据对比图。

具体实施方式

如图所示，一种基于钻井机械能效的地层压力监测方法，包括以下步骤：

3)测量并提供以下钻井参数数据，钻井参数包括钻压WOB、转速RPM、机械钻速ROP、扭矩T、钻头直径d

4)根据钻井井下工作环境提供井下数据V

6)根据步骤2)计算的岩石单轴抗压强度UCS和岩石内摩擦角θ由公式四

7)根据

8)正常压力地层的地层压力

6)若最终计算得到的数值P

7)当数值P

进一步的，所述步骤1)中扭矩T可根据公式

一种基于钻井机械能效的地层压力监测方法的应用，该方法中计算得到的数值P

进一步的，所述步骤1)中扭矩T可根据公式

一种基于钻井机械能效的地层压力监测方法的应用，该方法中计算得到的数值P

一种基于钻井机械能效的地层压力监测方法的应用，该方法中计算得到的数值CCS通过公式

实验例

1.MSE数据对异常高压的响应特征

分别选取1井(自源型)、2井(自源型)和3井(他源型)对MSE在自源型高压和他源型高压的响应特征进行了分析，如图1～图3所示，根据分析结果可知，MSE数据对自源和他源型高压均有较好的响应特征，在异常高压段均明显偏离趋势线。

2.基于钻井机械能效的地层压力监测结果分析

采用上述钻井机械能效的地层压力监测新方法，计算了1井(自源型)、2井(自源型)和3井(他源型)三口井的地层压力，并与预测精度最高的声波时差数据以及来源最广的Dc指数数据监测结果进行了对比，分析新方法在自源型和他源型高压中的适用性。计算结果如图4～图6所示。

根据1井(自源型)的计算结果可知，声波时差数据解释3190m处地层压力明显低于3145～3175m处，而MSE数据监测结果反应两处的地层压力基本相等，与实测结果吻合。

根据2井(自源型)的计算结果可知，DC指数解释2220m以下地层压力明显偏低，而MSE数据解释的地层压力高值包络线能较好的反应地层压力的变化。

根据3井(他源型)的计算结果可知，DC指数和声波时差数据解释地层压力整体稳定性较差，2860m以上和3100m以下地层解释的地层压力结果偏低，中间段偏高，而MSE数据解释的地层压力高值包络线能较好的反应地层压力的整体变化趋势。

根据以上分析可知，钻井机械能效地层压力监测新方法可监测部分传统参数监测不到的地层压力结果，且此方法使用过程中基本不需要选用经验参数，避免了人为因素造成的误差。