淺談鉆井鉆頭的優(yōu)選

【摘要】鉆頭是鉆井工藝的主要工具之一，它直接影響著鉆井速度、鉆井質(zhì)量與鉆井成本。在鉆井施工中，必須根據(jù)工程設(shè)計內(nèi)容，充分考慮剖面類型、地層巖性、地層可鉆性等因素，確定鉆頭類型，以提高地層的適應(yīng)性。本文論述了西南石油工程臨盤鉆井分公司的一些先進做法。

【關(guān)鍵詞】選型原則；選型方法；選型試驗

1、鉆頭選型原則

鉆頭選用，必須考慮其關(guān)鍵的影響因素，考慮地層巖性、井身結(jié)構(gòu)、鉆具組合、鉆井液性能、鄰井情況以及期望值和經(jīng)濟評價。在現(xiàn)場施工中，鉆頭選型的一般原則是：根據(jù)地層特性，選擇綜合性能良好，使用壽命長，機械鉆速高，能適應(yīng)動力鉆具特性的高效鉆頭。選用的鉆頭，攻擊性要強、清洗效果好，以提高機械鉆速；牙齒耐磨性要好、抗沖擊性要強、保徑效果要好、耐沖蝕性要強，以延長鉆頭壽命；軸承密封要好，以延長軸承壽命；鉆頭導(dǎo)向性要好，以滿足井眼要求；穩(wěn)定性要好，以便鉆頭工作平穩(wěn)。

2、常用的鉆頭選型的方法

目前，國內(nèi)已成功地開發(fā)出多種形式的鉆頭優(yōu)選方法和技術(shù)。大體上呈現(xiàn)出三大技術(shù)發(fā)展方向和各自的研究領(lǐng)域，我們通過對其主要技術(shù)發(fā)展方向的研究，以及對各種鉆頭優(yōu)選方法上優(yōu)劣性的評價，再結(jié)合我們實際現(xiàn)場應(yīng)用狀況分析，確定出一種綜合性強的鉆頭優(yōu)選方法。西南石油工程臨盤鉆井分公司常用的鉆頭選型方法

（1）根據(jù)鄰井資料選型

對鄰井相關(guān)資料逐地層逐鉆頭進行分析，以最優(yōu)鉆速和進尺為標準，從中選出合適的鉆頭類型和鉆井參數(shù)。

（2）根據(jù)鉆頭分類標準選型

因各鉆頭生產(chǎn)廠家所生產(chǎn)的各種類型鉆頭是根據(jù)巖石的軟硬特性設(shè)計的，這樣一來就可根據(jù)所鉆地層的軟硬級別選用對應(yīng)的鉆頭類型。

（3）根據(jù)統(tǒng)計方法選型

一般地，老油區(qū)有著豐富的鉆頭使用資料，對這些資料進行統(tǒng)計分析，得到各類鉆頭的定量使用指標，如機械鉆速、鉆頭壽命、鉆頭進尺、每米成本等，根據(jù)各項指標的高低進行對比完成鉆頭選型。

常用的這幾種鉆頭選型方法均依靠室內(nèi)測定的巖石可鉆性，是目前現(xiàn)場采用較為普遍的鉆頭選型方法。由于巖石可鉆性表征了巖石抵抗鉆頭破碎的能力，是選擇鉆頭、提高鉆井速度的基礎(chǔ)，因此這類鉆頭選型方法在現(xiàn)場應(yīng)用中具有很強的指導(dǎo)作用。但這類鉆頭選型方法由于受主客觀條件的限制，存在很多不足，如不能全面反映巖石在地下所處的高溫高壓情況。難以全面反映不均勻地層巖石性質(zhì)的變化。由于經(jīng)濟和技術(shù)的原因，不可能對整個地層都取心，難以建立連續(xù)剖面。在井下復(fù)雜、巖性變化大的區(qū)域，室內(nèi)測定的數(shù)據(jù)對鉆井缺乏對比性。為了全面掌握某一地區(qū)可鉆性情況，必須進行大量的巖心測定，耗資費力，工作量大。

從80年代開始，國內(nèi)外不少人便試圖利用比能法和dc指數(shù)法對巖石可鉆性進行研究，但由于外界影響因素多，考慮的參數(shù)不足而難于推廣。特別是，對地質(zhì)狀況特殊、斷層復(fù)雜，地層巖性變化很大的區(qū)域，采用此類鉆頭選型方法在現(xiàn)場實施中的效果不佳。

3、利用數(shù)學(xué)分析進行鉆頭選型方法

由于影響鉆頭使用效果的因素是多方面的，在鉆頭工作過程中，諸如：鉆頭磨損程度、巖石可鉆性、巖石研磨性、軸承磨損系數(shù)等多個影響因素的可知程度都很難確定。因此，有人便在研究過程中引入模糊數(shù)學(xué)和數(shù)值分析的理論，將這些不可知因素進行有效的數(shù)學(xué)處理，求歸出一種更合理的數(shù)學(xué)模型，從而在鉆頭選型方法上更具指導(dǎo)意義，這當(dāng)中較為著名的有：

（1）鉆頭選型的地層模糊聚類研究

聚類分析是數(shù)理統(tǒng)計研究中“物以類聚”的一種多元分析方法。由于事物在許多情況下帶有模糊性，因此用模糊數(shù)學(xué)方法進行聚類分析就能使分類更切合實際。確定了所鉆地層與各已知地層的分類情況后，可參照與新地層最接近的某一或某幾種已知地層的鉆頭選用情況選擇鉆頭。

（2）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的鉆頭選型方法

早在50年代，研究人員就開始模擬動物神經(jīng)系統(tǒng)的某些功能，來進行非線性模型的辨識，他們采用了軟件與硬件，建立了許多以大量處理單元為結(jié)點和處理單元之間互聯(lián)的拓撲網(wǎng)絡(luò)，并將上述模擬合稱之為人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，目前較為普遍的模型分類網(wǎng)絡(luò)有6種。另外，諸如數(shù)學(xué)分析中的灰色理論，盈虧數(shù)值分析，模糊數(shù)學(xué)統(tǒng)計分析等數(shù)學(xué)方法都有人將其應(yīng)用于鉆頭選型方法中，并取得了一定的使用效果，但這些鉆頭選型方法在現(xiàn)場應(yīng)用過程中往往存在一定的問題，例如：操作過于復(fù)雜，理論性較強，依據(jù)性差，準確性有待于提高等等，在今后的研究中需要進一步的完善。

（3）利用測井資料進行鉆頭選型的方法

國內(nèi)外在鉆頭選型方法研究中發(fā)現(xiàn)，測井資料中蘊藏著大量的地層信息，通過對其進行處理與分析，可以估算出整個地層剖面上的巖石力學(xué)參數(shù)、地層壓力（系統(tǒng)）參數(shù)，以及其他一些對鉆井工程有用的信息。同時，測井資料能全面反映地層的不均勻特性，有很好的連續(xù)性，能彌補未能取心層段不能確定可鉆性級數(shù)的缺陷，且便于建立連續(xù)剖面。因此，國內(nèi)外鉆井研究工作者相繼開展了利用測井資料預(yù)測地層巖性、進行鉆頭選型的研究工作。利用該方法計算得出的巖石可鉆性變化規(guī)律用于指導(dǎo)鉆頭選型，具有很強的科學(xué)性。因此，這類鉆頭選型方法在鉆井工程中的應(yīng)用具有特別重要的意義，有著很強的實用性和先進性。

4、綜合鉆頭選型方法

西南石油工程臨盤鉆井分公司通過對鉆頭優(yōu)選方法及優(yōu)選技術(shù)的研究，建立起一種綜合鉆頭選型方法，該技術(shù)分為鉆井地層評價技術(shù)和鉆頭綜合選型技術(shù)兩大部分。具體地說，在室內(nèi)測定巖石聲波速度、可鉆性試驗的基礎(chǔ)上，利用回歸分析的方法，研究聲波速度與巖石可鉆性之間相互關(guān)系，地面聲波速度與井下測井聲波速度之間相互關(guān)系的數(shù)據(jù)分析與處理，并獲取定性定量結(jié)論，建立起利用測井聲波速度預(yù)測地層巖石可鉆性的數(shù)學(xué)模型和預(yù)測剖面。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合鄰井鉆頭使用情況，利用最優(yōu)化理論和模糊數(shù)學(xué)中聚類分析的方法，對適合預(yù)鉆地層的鉆頭類型加以優(yōu)選，推薦出最合適的鉆頭類型。通過大量的室內(nèi)試驗測試，以及在西南地區(qū)現(xiàn)場試驗表明，鉆頭綜合選型方法具有很好的推廣應(yīng)用價值，并取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

5、結(jié)論

長期實踐表明，正確的鉆頭選型，可以進一步取得成本低，施工速度快的效果。但是，影響鉆頭類型選擇的因素是多方面的，其中地層因素、鉆頭本身性能指標，如鉆頭成本、鉆頭特征、適應(yīng)性、所需鉆井參數(shù)；使用狀況，如機械鉆速、鉆頭進尺、鉆頭磨損情況、純鉆時間、所鉆地層特征等等。所有影響因素都具有很大的不確定性。選用鉆頭前要有一整套對地層鉆進特性進的評價。要充分利用評價結(jié)果，以鉆頭進尺、鉆井成本為主要評價指標，用科學(xué)的選型方法對鉆頭進行優(yōu)選。