李振川，兰祖权，姚昌顺，陈 伟，黄益疆
（1.中国石油集团西部钻探工程有限公司工程技术研究院，新疆 克拉玛依 834000；
2.中国石油集团西部钻探工程有限公司工程技术处，新疆 乌鲁木齐 830000；
3.中国石油集团西部钻探工程有限公司准东钻井公司，新疆 克拉玛依 834000；
4.中国石油集团西部钻探工程有限公司新疆油田协调部，新疆 克拉玛依 834000）
目前国内非常规油气资源已经进入规模开发阶段，但钻井周期、建井成本与北美相比还存在较大差距，国内一部钻机每年平均可以完成5～6口水平井，北美则能完成20 余口，这严重影响国内非常规油气资源的勘探开发进程。2020～2021年西部钻探公司开展基于机械比能的快速钻井理论先导性试验，在玛湖油田、吉木萨尔页岩油等区域现场试验10 余井次，提速增效效果显著。
快速钻井理论以机械比能为基础，以科学理论为依据，通过软件建模、机械比能监测、限制因素分析等手段，实现井筒参数精确模拟、钻井参数优选、钻井效率提升等，对钻完井全过程进行系统优化，有效协助现场提高机械钻速及钻井效率，缩短钻完井周期，目前该理论技术广泛应用于北美页岩气。
机械比能最早是由R.Teale 在1965年提出的，他针对不同岩性的岩石采用不同类型的钻头，进行大量的实验，建立了机械比能的模型。目前机械比能已被广泛应用于国外的石油勘探中，它不仅可以提供实时钻井性能的评价，还可以随钻监测井下工况，对提高钻探效率、降低钻探成本具有重要的理论指导意义。
机械比能，Mechanical Specific Energy（简写MSE），是指破碎单位体积的岩石所消耗的能量。Teale通过将旋转做功与轴向做功相加，然后除以所钻岩石的体积推导出具体公式。
式中：MSE——机械比能，Psi（MPa）；
Energy——能量；
Rock Vol——岩石体积；
TOR——扭矩，ft·lbs(kN·m)；
RPM——转速，r/min；
Dia——钻头直径，in(mm)；
ROP——机械钻速，ft/h(m/h)；
WOB——钻压，lbs(kN)。
机械比能可以直接衡量钻井是否有效率，通过大量实验室数据证明，如果钻进效率是100%，则MSE值等于岩石的抗压强度。MSE值越低，证明钻井越有效率，地表输入的能量大部分均用于钻头破岩，转化为机械钻速；
反之，MSE 值越高，则证明钻井效率越低，地表输入的能量大部分浪费在振动或者其它井下低效事件上，机械钻速低的同时，也会对井下工具及钻头造成较大的伤害。
对大量实钻数据进行统计分析发现，PDC 钻头钻进效率较高时，MSE值约为岩石抗压强度的3～4倍。
2.1 井下低效事件
正常钻井过程中，地表输入的钻压、转速、扭矩等能量并不能全部用于井底钻头破岩，一部分能量被浪费在井筒内，这些浪费能量的事件称之为低效事件。低效事件不仅会导致能量浪费，同时还会造成井下工具及钻头的快速损坏，降低钻井效率，增加钻井成本。
一般井下低效事件主要包括振动、泥包、硬夹层、井底泥包（井底岩屑因压差粘附在井底形成岩屑层）等，其中最普遍的就是井下振动。振动包括三种方式：横向振动—涡动、扭转振动—粘滑、轴向振动—憋跳。
2.2 分步测试
快速钻井理论提出一种结合MSE变化避免低效事件、优选钻井参数的方法，称为分步测试。分步测试分为转速及钻压分步测试，现场操作时先进行转速分步测试，而后进行钻压分步测试，最终确定最优钻井参数。
2.2.1 转速分步测试
每趟入井的钻具组合都有它的共振转速，当处于共振转速时，钻具的振动幅度会变大，转速分步测试的目的是为了找出钻具组合的共振转速，并且在之后的钻井过程中避免使用该转速。
转速分步测试具体步骤如下：
（1）首先固定一个区域钻井常用的钻压值（避免过小或过大）；
（2）结合井下工具及现场实际情况确定转速测试区间；
（3）从区间最低转速开始测试，每次测试直至得到稳定的MSE值即可；
（4）以相同的步长（如10r/min）逐渐增加转速，每次测试直至得到稳定的MSE值；
（5）测试至区间最大转速，测试过程中MSE 值较高的转速即趋近共振转速，记录此转速，本趟钻避免使用该转速；
MSE 值较低的转速即为最优转速，如果区间内几个转速MSE值相近，则选择其中的最高转速为最优转速。
2.2.2 钻压分步测试
转速分步测试后，进行钻压分步测试，具体步骤如下：
（1）首先根据转速分步测试结果固定最优转速；
（2）结合钻头及现场实际情况确定钻压测试区间；
（3）从区间最低转速开始测试，每次测试直至得到稳定的MSE值即可；
（4）以相同的步长（如20kN）逐渐增加钻压，每次测试直至得到稳定的MSE值；
（5）测试过程中，如发现MSE 值增加即可停止测试，选择MSE 值增加前的钻压为最优钻压；
如果直至测试至区间最大钻压MSE值仍下降或保持不变，则选择区间最大钻压为最优钻压。
测试完毕后即可优选最优转速及钻压，一般转速分步测试只在该趟钻具入井后测试一次即可，钻压测试可以根据现场实际情况进行多次测试，如每班测试一次，如果有地层及岩性变化也可加密测试。
3.1 编制钻前优化方案
现场实践前，将MSE等曲线的算法及模型导入录井系统，确保现场可以实时监测；
收集目标区域邻井钻、测、录井资料及目标井设计等，进行钻前优化方案编制工作。
3.1.1 钻前地质、工程建模
根据邻井测井资料进行区域地质力学建模，详细刻画目标井区三压力剖面，对安全钻井钻井液密度窗口进行分析评价，结合工程设计确定合理的钻井液密度范围。另外，根据岩石抗压强度变化预估合理的钻进MSE值，为实钻调整MSE提供一定的理论支撑。
利用目标井设计数据进行工程建模，模拟钻进过程各项参数，如泵压、ECD、摩阻及扭矩等，指导现场设备优选及工程施工。
3.1.2 历史数据回放分析
收集区域已钻邻井录井时间库数据，计算对应的MSE值并导入软件成图，通过MSE曲线的回放结合快速钻井理论，分析区域普遍存在的提速限制因素，如低效事件及井队的可优化操作等。
以玛湖油田为例，经分析，玛湖区域普遍存在的低效事件包括：
（1）造斜段及水平段钻遇褐色泥岩导致的钻头泥包；
（2）使用钻压普遍偏小导致的涡动；
（3）水平段钻遇砂砾岩导致的轴向振动。
井队的可优化操作包括：
（1）新钻头入井时采用小钻压进行井底造型操作；
（2）部分井队存在缓慢撤销、施加钻压的操作；
（3）定期进行短起下钻及循环洗井操作；
（4）水平段螺杆钻进使用单扶或无扶钻具组合，为控制井斜使用小钻压钻进。
3.1.3 钻前优化方案制定
根据钻前建模及数据分析，采取针对性措施，通过优选钻头类型及水眼，制定合理的钻具组合，合理评估要求泥浆性能，优化井队操作等，编制钻前钻井优化方案，以玛湖油田为例，方案主要优化方向如下：
（1）造斜段优选史密斯MDi513 钻头，水平段优选史密斯MSi613钻头；
（2）结合泵压建模优选合理的钻头水眼，如艾湖2井区造斜段水眼优选3×10+2×9，缓解钻头泥包；
（3）造斜段优选旋导，水平段使用双扶（152+158mm）螺杆钻具组合；
（4）有害固相含量控制在10%以下，适当加入润滑剂及抑制剂，6转读数6.5～7.8；
（5）水平段使用水力振荡器降低摩阻，推荐使用顶驱扭摆工具；
（6）钻井参数根据实际分步测试结合MSE曲线变化确定；
（7）取消磨合钻头操作，执行快速施加、撤销钻压的接立柱操作；
（8）取消短起下钻及循环洗井，定期进行摩阻测试，根据摩阻建模分析井下情况。
3.2 现场优化实践
2020～2021年在现场优化实践15 井次，将快速钻井理论与现场实际情况相结合，总结形成多项关键技术，有效助力现场水平井提速增效。
3.2.1 基于MSE的实时监测及优化技术
实钻过程中通过实时监测MSE 曲线及其它工程参数变化，结合快速钻井理论，形成基于MSE 的实时监测及优化技术，可以实现对井下钻头工具及作业风险的分析判断，以及对井下低效事件的识别及调整。
实钻数据显示，如MSE 曲线迅速升高，偏离基准值，改变参数无法回归，则代表钻头损坏严重，应及时起钻，避免进一步损坏钻头；
如MSE曲线升高但可以回归基准值，则代表地层岩性变化或参数不适，无需起钻更换钻头。现场实践过程中通过MSE监测及时发现钻头损坏，提示井队起钻共计10余次，判断准确率100%。
另外，现场MSE曲线升高代表可能存在井下低效事件，结合工程参数可以有效识别低效事件类型，采取措施调整。现场实践普遍存在的低效事件为涡动，此时钻压较小、转速较高，MSE升高偏离基准值，可以及时增加钻压或减小转速，减轻涡动。
3.2.2 分步测试技术
根据快速钻井理论，实钻过程中采取分步测试确定钻井参数，每班1～2 次，实践结果表明，采用分步测试后的参数可以明显提高机械钻速，降低MSE 值，有助于提高趟钻进尺。
图1为现场转速分步测试实例，固定钻压50kN，测试转速区间80～120r/min，自80r/min 开始测试，每次测试直至得到稳定的MSE 值，按固定步长10r/min 逐渐测试至120r/min，根据MSE 曲线变化可以明显看到：转速80r/min 时，MSE 值最高，约400Ksi；
转速100r/min及120r/min时MSE值最低，约200Ksi。表明此趟钻钻具组合当转速处于80r/min及110r/min时，振动幅度较大；
区间内转速100r/min及120r/min时MSE值较低，按照理论应选择120r/min为最优转速，实际钻井过程中，考虑到井下旋导工具的使用限制，选择100r/min为最优转速。
图1 转速分步测试实例
转速分步测试后，固定转速100r/min 进行钻压分步测试（图2），测试钻压区间50～90kN，自50kN 开始测试，按固定步长20kN测试至90kN，明显可以看到随着钻压增加，MSE值逐渐降低，机械钻速逐渐变快，说明钻压50kN时井下低效事件主要为涡动，通过增加钻压减小涡动，增加机械钻速的同时也能保护井下工具及钻头。
图2 钻压分步测试实例
3.2.3 可视化马达压差技术
马达压差可以直接反映螺杆的输出功率，水平井摩阻较高，无法准确判断钻头实际钻压及螺杆工作效率，马达压差可有效协助定向井工程师实时量化评价螺杆输出功率，提高钻进效率。
以往的现场钻井中，工程师只能凭借经验判断马达压差，制定相关措施，快速钻井实践中，通过将马达压差算法模型导入录井系统，形成可视化马达压差曲线，可以很直观地观察马达压差数值及变化，协助工程师判断螺杆工作效率。
3.2.4 科学的水平井井眼清洁技术
目前国内部分现场操作中，对于水平井岩屑床的形成与清除没有科学、系统的认识，常采用短起下钻、循环洗井及打稠塞的方法清洁井眼，但这些措施无法从根本上清除岩屑床，随着水平段延伸，岩屑床又会恢复到原有高度。
快速钻井理论从原理上分析水平井岩屑床的成因及岩屑运移机制：钻具旋转搅起井眼低边的岩屑，并被带到上方的高速流动区域，从而被携带运移一段距离直到悬浮的岩屑下沉到低边，然后再重复这一过程，称之为传送带效应。根据岩屑运移机制，总结水平井井眼清洁关键因素：规则井眼、排量、转速及6转读数。
现场实践过程中，玛湖油田三开6.5″井眼采用17L/s排量，钻进转速控制70r/min以上，6转读数6.5～7.8，满足小井眼清洁需要，钻进过程中取消短起下钻及定期循环洗井，节约大量低效生产时间。
为监测井眼清洁程度，现场采用摩阻测试建模的方式辅助判断井下情况，每钻进100m在钻台测试空转及停顶驱上提、下放悬重值，记录数据并进行摩阻建模（图3），根据实测曲线变化制定合理的井眼清洁措施，如摩阻系数维持稳定，表明该段井眼无异常，如某一井段摩阻系数突增，表明该井段可能存在井壁不规则或井眼清洁问题，可以针对性地进行划眼、倒划眼作业。
3.2.5 科学的钻井操作实践技术
图3 摩阻测试建模实例
现场实践操作时，根据快速钻井理论，取消以往的经验性操作，如新钻头入井时的井底造型及接立柱前后的缓慢撤销、施加钻压，因为这些操作本质上以小钻压在井底钻进，会造成剧烈的涡动，加快钻头及工具的损坏，同时产生螺旋井眼，为起下钻及完井作业增加困难。
现场通过取消井底造型、执行接立柱前后1min 内快速撤销、施加钻压等操作，配合MSE 监测优化与分步测试，可以有效提高趟钻进尺。
3.3 钻后总结与推广应用
2020年通过玛湖油田5 口井的现场优化实践，取得了优异的指标及成果：
（1）造斜段平均趟钻进尺较2019年提高42.6%，水平段提高25.6%；
（2）打破13 项区域记录，如旋导一趟钻1040m、螺杆单日进尺290m等；
（3）艾湖2井区4口井三开钻井周期较2019年区块平均周期分别缩短26.9%、46.7%、38.4%与30.8%；
（4）风南4井区1口井较2019年区块平均周期缩短61.6%。
2021年经推广应用，玛湖油田玛133 井区及吉木萨尔页岩油等区域现场应用后，也取得了良好的提速效果，其中吉木萨尔页岩油JHW16-14 井一趟钻进尺达2495m，全井钻井周期共21.67d，两项指标刷新页岩油区域历史记录。
实践证明，在现有技术装备条件下，基于MSE 的快速钻井理论是切实可行的，能够利用实时数据指导现场钻井提速增效，推动经验钻井向科学钻井转变，具备大范围推广应用条件。
（1）机械比能参数可以很直观地判断钻井效率，还可以用于辅助判断井下情况，对于石油钻探具有重要的理论指导意义。
（2）MSE 值越低，证明钻井效率越高；
反之，MSE值越高，则证明钻井效率越低。
（3）正常钻进过程中，能量不可能100%用于钻头破岩，一般会伴随井下低效事件，低效事件不仅浪费能量，还会加速工具及钻头损坏。
（4）利用MSE 结合工程钻井参数，可以很好地识别井下低效事件；
采用分步测试的技术优选钻井参数，可以大幅度提高机械钻速，提高钻进效率。
（5）短起下钻、循环洗井及打稠塞等措施无法从根本上解决水平井井眼清洁问题；
水平井井眼清洁关键因素包括：规则井眼、排量、转速及6转读数。
（6）快速钻井理论新方法可以有效提升钻井作业效率，经过现场实践验证，提速增效效果较好，适合大范围推广应用。
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