关于机械比能的钻井优化设计

摘 要：RTeale在1964年提出的在岩石钻进中比能的概念：钻取单位体积岩石钻头所做的功。建立具有普遍性的物理模型，即机械比能模型。用这些来描述钻头工作性能以及实时监测钻头性能非常的适用。利用机械比能可以很方便的进行钻井的优化设计。很多学者作了大量的科学试验，经过对试验数据的分析提出了相应的机械比能模型。

关键词：机械比能；钻井比能；钻井优化

1 前言

深井、超深井机械速度低、钻井周期长是当前钻井施工所面临的问题。而R Teale在1964年提出的在岩石钻进中比能的概念：钻取单位体积岩石钻头所做的功。建立具有普遍性的物理模型，即机械比能模型。用这些来描述钻头工作性能以及实时监测钻头性能非常的适用。利用机械比能可以很方便的进行钻井的优化设计。

2 机械比能模型

2.1 不考虑水力参数的机械比能模型

很多学者作了大量的科学试验，经过对试验数据的分析提出了相应的机械比能模型。一种完善的机械比能模型应具备的条件是：

①在岩性不同的地层内钻进，最小机械比能值应该约等于岩石的抗压强度。

②模型参数易于测量与计算。

③适用范围广，能很好地适用于各类钻头与各种井型。

1965年R.Teale通过对不同类型的岩石采用不同钻头进行大量实验，建立了机械比能原始模型。

樊洪海在Teale模型基础上进一步得出樊洪海模型。

樊洪海模型给出了钻头扭矩的简便方法，进而对Teale機械比能模型进行了优化，优化后的模型参数在地面都易于求得，计算精度也有了一定的提高，因而在钻井行业中被广泛应用。

2.2 考虑水力参数的机械比能模型

钻井施工时候的水力能量，所起的作用不仅仅是将岩屑带出井筒，清洁井底，同时钻井液从钻头喷嘴射流到井底岩石上也起到一定的水力破岩的作用。因此，在计算破除单位体积岩石所需要的能量时，就不仅仅需要计算钻头的钻压和转速的破岩能量，也需要将钻头射流冲击力用于破岩的那一部分能量包括在内，这样就成为水力能量影响下的比能模型，称为钻井比能，（DSE，drillspecificenergy）。

3 钻井优化设计

首先，我们可以用机械比能评价钻井效率。也就是说，如果不考虑地层对设备的摩擦力和其它形式的能量损耗，那么钻柱和钻头对地下岩石做的功就没有任何的浪费，此时的钻井效率最大，可以认为机械比能等于岩石侧限抗压强度。但在实际的钻井过程中，能量沿着钻杆传到钻头的过程中会有消耗，钻头破岩过程中还会有消耗，所以实际机械比能一定大于岩石抗压强度。用岩石抗压强度比上实际机械比能就能算出钻井效率。

其次，我们还可以进行随钻监测，机械比能与钻井效率的物理意义是相似的，在开钻时钻速达到合适的值的时候，如果机械比能越小，就说明钻头的类型，转速，下入快慢等参数越合理。倘若机械比能值增大，如果是缓慢增大的话，说明地层是均质地层，岩性相差不大。当钻具不断下入时，钻头的磨损程度缓慢增加，机械比能值缓慢上升；如果是急剧增大的话，可能是地层的均质性很差，如果从软地层突然进入硬度较大的地层时，钻头磨损急剧加快以至于钝化。从机械比能趋势线的图上就可以直观地看到机械比能的变化情况，然后判断地下岩性的变化规律以及钻头的磨损程度。

我们还可以通过机械比能理论来对钻头进行优选。钻头对于钻井过程至关重要，其主要作用是在旋转时冲击，压碎和剪切破碎地层岩石。值得注意的是，不同的钻头具有不同的独特功能，由于地层的情况复杂多变，需要根据不同情况选择不同的钻头。如果钻头的类型与地层不匹配，那么不仅会磨损钻头，还会浪费大量的能量，增加生产成本。钻头新旧磨损程度钻屑清除效果及岩石的类型和性质对机械比能都有影响。

4 结语

机械比能理论对钻井过程的优化目前还不够完善，依然有很大的发展空间。我们应该加强对机械比能的研究，完善各种机械比能模型。由于钻进过程中岩石硬度，钻头受力，扭矩，还有运动状态都在不断变化，因此要结合实际情况，完善原先已有的经验公式，不断提高机械比能的准确度。

作者简介：

王路（1994- ），男，本科，河北省任丘市人，西南石油大学石油与天然气工程学院，研究方向油气开采。

王瑞琮（1995- ），男，本科，河南省南阳市人，西南石油大学石油与天然气工程学院，研究方向油气开采

徐亮（1993- ），男，本科，四川省彭州市人，西南石油大学石油及天然气工程学院，研究方向钻井工程。

李尧（1994- ），男，本科，四川省遂宁市人，西南石油大学石油与天然气工程学院，研究方向钻井工程。

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