目標(biāo)區(qū)域鉆頭優(yōu)選方法研究

左 坤

中海石油（中國(guó)）有限公司深圳分公司 廣東 深圳 518067

鉆頭是鉆井過(guò)程中破碎巖石的主要工具。要想提高機(jī)械轉(zhuǎn)速和降低鉆井綜合成本，其關(guān)鍵就是鉆頭選型是否合理。目前來(lái)說(shuō)，大致可以分為以下三種鉆頭選型方法，分別為效果評(píng)價(jià)法、巖石力學(xué)參數(shù)法以及綜合法。本文基于文獻(xiàn)調(diào)研，介紹不同類(lèi)型選型方法的原理和實(shí)現(xiàn)步驟，分析其優(yōu)勢(shì)和不足，總結(jié)出一種目標(biāo)區(qū)域鉆頭優(yōu)選方法的科學(xué)思路。

1 效果評(píng)價(jià)法

效果評(píng)價(jià)法是根據(jù)特定區(qū)域已鉆資料，對(duì)具體的鉆頭使用情況進(jìn)行分地層統(tǒng)計(jì)，將一個(gè)或多個(gè)反映鉆頭實(shí)際使用效果的指標(biāo)作為選型依據(jù)，并按照一定的規(guī)則優(yōu)選出符合條件的鉆頭類(lèi)型。

1.1 米鉆井成本法

這種方法是以鉆頭的單位進(jìn)尺成本為鉆頭型號(hào)的選擇依據(jù)[1]，具體的計(jì)算模型見(jiàn)式（1）。

式中：C——米鉆井成本，元/ m；Cb——鉆頭費(fèi)用，元/ 只；Cr——鉆機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)作業(yè)費(fèi)，元/ h；T——鉆頭純鉆時(shí)間，h；Tt——起下鉆、循環(huán)鉆井液及接立柱（單根）時(shí)間，h；F——鉆頭總進(jìn)尺，m。

由于鉆頭型號(hào)選擇并不是影響鉆井成本的全部因素，因此并不能通過(guò)成本分析這種方式直接反映出鉆頭優(yōu)選方案的好壞。

1.2 經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)法

這種方法是重新將鉆頭進(jìn)尺、機(jī)械轉(zhuǎn)速以及鉆頭成本三個(gè)指標(biāo)組合為一個(gè)新的指標(biāo)并將其作為鉆頭使用效果的評(píng)價(jià)依據(jù)[2]，和米鉆井成本法相比，該方法的評(píng)價(jià)效果本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別。此方法的計(jì)算模型見(jiàn)式（2）。

式中：Eb——鉆頭經(jīng)濟(jì)效益指數(shù)；α——系數(shù)；R——鉆頭機(jī)械鉆速，m/ s。

Eb的大小表示的是鉆頭的實(shí)際使用效果優(yōu)劣情況。這種方法因?yàn)橛?jì)算簡(jiǎn)單，因此受到廣泛應(yīng)用，充分考慮到了鉆頭短期經(jīng)濟(jì)效益與長(zhǎng)期效益，同時(shí)還能避免計(jì)算不易確定的鉆井輔助時(shí)間，因此與米鉆井成本法相比，具有更強(qiáng)的可行性。

1.3 比能法

比能指的是鉆頭從井底地層上破碎單位體積巖石所做的功[3]，因而該方法的計(jì)算模型見(jiàn)式（3）。

式中：Se——比能，MJ/ m3；W——鉆壓，kN；D——鉆頭 直 徑，mm；N——轉(zhuǎn) 速，r/ min；R——鉆 速，m/ h；Tb——鉆頭扭矩，kN·m。

由于推力所做功只有扭矩功1%～2%，因此可以忽略，在后續(xù)的試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，鉆頭扭矩與鉆壓及鉆頭直徑之間的關(guān)系成正比。因此可以簡(jiǎn)化為公式（4）。

式中：K——常數(shù)，由實(shí)驗(yàn)確定。

1.4 灰色關(guān)聯(lián)分析法

該方法的評(píng)價(jià)參數(shù)為機(jī)械鉆速、純鉆時(shí)間、鉆頭進(jìn)尺以及鉆頭成本，參考數(shù)列為鉆頭最佳指標(biāo)，比較數(shù)列為待評(píng)價(jià)鉆頭使用效果，合理對(duì)權(quán)重進(jìn)行分配，之后再根據(jù)計(jì)算所得出的關(guān)聯(lián)度，排列鉆頭順序[4]。

1.5 灰類(lèi)白化權(quán)函數(shù)聚類(lèi)法

1991 年，學(xué)者王越之提出應(yīng)用灰類(lèi)白化權(quán)函數(shù)法將機(jī)械鉆速、純鉆時(shí)間、鉆頭進(jìn)尺以及鉆頭成本作為評(píng)價(jià)鉆頭實(shí)際使用效果的指標(biāo)，再根據(jù)聚類(lèi)值的大小對(duì)鉆頭的好壞進(jìn)行評(píng)價(jià)[5]。

1.6 綜合指數(shù)法

綜合指數(shù)法又稱(chēng)為主成分分析法或者主分量分析法，學(xué)者于潤(rùn)橋應(yīng)用主成分分析法將軸承磨損量、鉆頭進(jìn)尺、牙齒磨損量、鉆頭作用時(shí)間、機(jī)械鉆速、鉆壓、泵壓、轉(zhuǎn)速、排量以及井深等10 項(xiàng)參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了綜合指數(shù)法[6]。其計(jì)算模型見(jiàn)式（5）。

式中：Hf——牙齒磨損量；Bf——軸承磨損量；F——鉆頭進(jìn)尺，m；T——鉆頭工作時(shí)間，h；Q——泵排量，L/ s；Pm——立管壓力，MPa；H——井深，m；a1，a2，…，a10——系數(shù)。

該方法優(yōu)勢(shì)是綜合考慮了鉆頭的使用條件與使用效果，能夠有效解決鉆頭指標(biāo)可比性不足的問(wèn)題。但是也存在沒(méi)有考慮到地層因素對(duì)轉(zhuǎn)速影響的缺點(diǎn)，因此需要根據(jù)不同區(qū)域地層來(lái)對(duì)公式中的各項(xiàng)系數(shù)進(jìn)行重新確定。

2 巖石力學(xué)參數(shù)法

2.1 模糊聚類(lèi)法

基于地層模糊聚類(lèi)的鉆頭選型法為周德勝等[7]提出。這種方法主要研究對(duì)象是地層巖石力學(xué)性質(zhì)中影響鉆頭轉(zhuǎn)速和磨損較大的指標(biāo)，通過(guò)對(duì)不同地層巖性的類(lèi)似程度進(jìn)行模糊動(dòng)態(tài)聚類(lèi)，并制作出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)聚類(lèi)圖。之后再以已知的地層與所鉆地層親疏關(guān)系為依據(jù)，按照最接近的已知地層的鉆頭使用情況來(lái)進(jìn)行鉆頭的選擇。

2.2 灰關(guān)聯(lián)聚類(lèi)法

楊進(jìn)等學(xué)者通過(guò)應(yīng)用灰關(guān)聯(lián)聚類(lèi)分析的方式，把巖石類(lèi)別中的抗壓強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度、塑性系數(shù)以及可鉆性和硬度系數(shù)等聚類(lèi)為綜合性巖石特性參數(shù)。再將該參數(shù)作為根據(jù)，對(duì)巖石力學(xué)特性的不同進(jìn)行定量描述，以此作為依據(jù)進(jìn)行鉆頭選型[8]。

3 綜合法

綜合法指的是結(jié)合巖石力學(xué)性質(zhì)評(píng)價(jià)方法和鉆頭使用效果來(lái)進(jìn)行綜合評(píng)判，進(jìn)而優(yōu)選鉆頭。

3.1 巖石聲波時(shí)差法

巖石的硬度、強(qiáng)度、可鉆性和變形特征等參數(shù)，都可以通過(guò)聲波時(shí)差反映，這樣可以將聲波時(shí)差作為依據(jù)來(lái)進(jìn)行鉆頭選型[9]。該方法的優(yōu)點(diǎn)是建立了目標(biāo)鉆頭和橫波時(shí)差的直接關(guān)系，缺點(diǎn)是一般橫波時(shí)差計(jì)算過(guò)程繁雜，并且只能在對(duì)地層巖性十分了解的前提下來(lái)優(yōu)選，如果地層巖性變化較大，誤差就會(huì)很大。縱波優(yōu)選鉆頭方法原理步驟大致相同，但縱波受巖性干擾較大。

3.2 剪切強(qiáng)度法

該方法需要先擁有一個(gè)已鉆PDC 鉆頭數(shù)據(jù)資料庫(kù)作為基礎(chǔ)，之后再以單位進(jìn)尺鉆井成本和剪切強(qiáng)度兩者的關(guān)系為依據(jù)，完成PDC 鉆頭選型[10]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是充分考慮了PDC 鉆頭的剪切破壞特性。

3.3 YH 鉆頭優(yōu)選法

該方法主要思路是將實(shí)鉆數(shù)據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析優(yōu)選鉆頭的方式和基于測(cè)井資料計(jì)算地層巖石可鉆性?xún)?yōu)選鉆頭的方式結(jié)合起來(lái)。通過(guò)巖石可鉆性將待鉆目標(biāo)區(qū)域和已鉆區(qū)域關(guān)聯(lián)起來(lái)，這樣即使缺少待鉆目標(biāo)區(qū)域資料，也可充分參考借鑒已鉆區(qū)域資料來(lái)進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的鉆頭選型[11]。

3.4 地層可鉆性綜合系數(shù)法

地層可鉆性綜合系數(shù)法綜合考慮了多個(gè)可能影響鉆頭實(shí)際使用效果的巖石力學(xué)參數(shù)，并將其標(biāo)定為地層的可鉆性綜合值，以此作為反映該地層可鉆性的難易度指標(biāo)。與此同時(shí)，再引入標(biāo)準(zhǔn)井，根據(jù)地層可鉆性綜合值的大小比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)井鉆頭來(lái)選擇研究井鉆頭[12]。其假設(shè)條件為統(tǒng)計(jì)井每個(gè)成為都為相同的巖石力學(xué)特性參數(shù)，再將其作為建立標(biāo)準(zhǔn)井的條件。

該方法的鉆頭優(yōu)選步驟是先根據(jù)實(shí)鉆數(shù)據(jù)，利用效益指數(shù)法針對(duì)不同地層進(jìn)行鉆頭排序，并以此為根據(jù)建立標(biāo)準(zhǔn)井；再通過(guò)計(jì)算得出研究井和標(biāo)準(zhǔn)井地層的可鉆性綜合值與巖石力學(xué)參數(shù)統(tǒng)計(jì)值，將該綜合系數(shù)與1 進(jìn)行比較判斷，得出相較于標(biāo)準(zhǔn)井級(jí)別應(yīng)使用的PDC 鉆頭。

4 各類(lèi)鉆頭優(yōu)選方法的對(duì)比分析

效果評(píng)價(jià)法以及巖石力學(xué)參數(shù)法、綜合法各自都有其適用情況以及優(yōu)缺點(diǎn)和需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題，具體如表1 所示。

表1 各類(lèi)鉆頭優(yōu)選方法對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)上文中提到的三種鉆頭選型方法進(jìn)行對(duì)比，可以得出其中綜合法對(duì)鉆頭使用效果以及巖石力學(xué)參數(shù)都進(jìn)行了充分的考慮，能夠優(yōu)選出經(jīng)濟(jì)成本較低同時(shí)還匹配目標(biāo)區(qū)域地層特征的鉆頭，且具有較高的準(zhǔn)確性，目前大多鉆頭選型方法是在該方法基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。通過(guò)對(duì)各種類(lèi)型的鉆頭優(yōu)選方法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，現(xiàn)階段較為科學(xué)合理的優(yōu)選鉆頭思路為先通過(guò)巖性識(shí)別得出的目標(biāo)區(qū)域地層巖石力學(xué)參數(shù)，再對(duì)地層巖石綜合可鉆性的級(jí)值進(jìn)行計(jì)算，之后以地層巖性為參考依據(jù)，查找鉆頭庫(kù)中符合對(duì)應(yīng)地層特征的鉆頭，分別對(duì)其進(jìn)行指標(biāo)評(píng)價(jià)，最終選出與目標(biāo)區(qū)域地層最匹配的鉆頭。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）如何合理優(yōu)選出與目標(biāo)區(qū)域地層匹配的最佳鉆頭，并能夠在現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)中對(duì)鉆頭進(jìn)行合理的運(yùn)用，在有效控制鉆井成本的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、快速、安全的鉆井作業(yè)，是石油鉆井工作中長(zhǎng)期以來(lái)都在研究的重要課題，需要通過(guò)不斷的實(shí)踐摸索和發(fā)展。

（2）通過(guò)對(duì)比分析各類(lèi)鉆頭優(yōu)選方法，認(rèn)為綜合法綜合考慮了地層巖石力學(xué)特性與鉆頭使用效果，具有較高的準(zhǔn)確性，必將是鉆頭優(yōu)選的發(fā)展方向和趨勢(shì)。

（3）綜合分析評(píng)價(jià)各類(lèi)鉆頭優(yōu)選方法，總結(jié)并給出了當(dāng)前較為合理科學(xué)的目標(biāo)區(qū)域鉆頭優(yōu)選的方法和思路。