鉆井液參數設計加權回歸分析模型的研究

郭勇　陳躍　徐勇　蘇宏岸

摘 要：針對鉆井液在工程實際中的優化設計，在分析添加劑作用機理以及各典型地層鉆進需求的基礎上，將添加劑性能指標以及地層參數予以量化，通過室內試驗建立添加劑基本性能指標數據庫，然后通過加權回歸模型建立匹配規則，依靠模型運算法則對典型地層所需要的鉆井液體系進行設計與優化控制，以提升生產效率和確保鉆井液設計合理性。

關鍵詞：鉆井液；優化設計；數據庫；加權回歸模型

引言

合理的鉆井液設計是成功進行鉆井和降低鉆井費用的關鍵，鉆掘工程中，鉆井液優化設計主要包括性能設計和配方優選等內容[1]。要設計一套匹配目標地層的最佳鉆井液方案，首先必須明確目標地層的具體情況，選擇合適的鉆井液性能設計體系，然后依靠該體系進行鉆井液的配方優化設計。隨著我國鉆掘工程技術逐漸與國際接軌以及計算機技術的普及，鉆掘工程項目設計在規范化、計算機化和管理現代化等方面有了新的發展條件和需求。

目前，針對鉆掘工程中鉆井液主要由現場技術人員根據經驗進行配方設計，設計因人而異，難以形成規范的工藝體系。參考國際先進技術體系，國內許多研究機構也對鉆井液優化設計進行了相關研究，涉及體系主要包括范例模型[2]、正價優化實驗、神經網絡預測體系、數學參數控制體系以及專家預設計等[3]。文章參考數學參數控制體系和專家參數評分方法，結合因子分析方法和數學建模，建立了一種新的鉆井液參數優化模型。

1 鉆井液基本參數庫的建立

1.1 地層的預處理

不同地層對鉆井液性能的需求不盡相同，為了滿足針對鉆井液參數設計的建模需求，首先應對各工作地層進行預處理[4]。依靠專家經驗知識劃分鉆井液指標優控區間，使地層區別反映到鉆井液控制指標的參數選擇上，這是地層預處理的主要手段。例如，由于軟弱地層孔壁自穩能力較差，巖心保真困難，這就要求鉆井液在動切力、動塑比等性能方面進行相應的綜合控制，使之保持在各地層匹配的優控區間之內。通過地層的預處理，劃分出的代表地層指標優控區間，是優化模型的進行運算匹配的特征參數。

1.2 添加劑性能指標的參數化

針對各類鉆井液主要添加劑，將其對鉆井液性能的影響參數化，并通過室內試驗建立了優控模型基礎參數庫?，F已納入數據庫的主要添加劑主要包括高聚物類降濾失劑CMC、高聚物類抑制劑PAM、植物膠、膨潤土改型劑和堿度控制劑以及加重劑等。根據模型運算需求，實驗設計包括了比重實驗、六速旋轉粘度實驗、漏斗粘度實驗、失水率以及泥皮實驗等；其中CMC、PAM、植物膠等主要添加劑分劑量水平進行交叉組合，根據層次分析建庫要求，錄取相應實測性能數據。另外，由于各代表地層匹配的性能指標優控區間的劃分主要依賴于專家知識經驗，且粘度、比重、失水率等指標的控制區間選取具有不規范性，為了適應數學模型的運算需求，現通過運算處理，主要選取濾失水量API以及流變性參數n以及K值作為優控參數[5]。

2 參數的分析處理

鉆井液表觀粘度主要是由流體體系結構內的內摩擦作用和主輔劑高分子間交聯所形成的空間網架結構所引起的，尤其在低剪切速率的情況中這種結構表現的更加明顯。所以表觀粘度的數值大小直接反映著沖洗液空間網架結構構型對沖洗液性能的影響程度，直觀的表現就是排砂和攜巖屑的效果。同樣，無固相沖洗液的流體形式屬于假塑性流體，流性指數n表示假塑性流體在一定剪切速率范圍內所表現出的非牛頓性的程度和剪切稀釋性的強弱。n值越小，曲線的曲率越大，流體的非牛頓性越強，剪切稀釋性也越強，同樣動塑比也說明了剪切稀釋能力的強弱[6]，需要注意的是，n值并非越小越好，n值應與各地層需求匹配。這有助于沖洗液在環形空間產生較好的流核，形成平板層流，保證了沖洗液能有效地攜帶巖屑和保持井眼清潔[7]；K值與沖洗液的粘度、切力有關，其值越大，粘度越高，可有效包裹巖心，提高巖心采取率及取芯質量[8]，但K值的增大會導致動切力增大，不利于鉆進效率的控制，因此對應各地層指標匹配規則的建立，有利于實現鉆井液的最優設計。表1是基于室內試驗所建立的基礎數據庫中的部分實驗數據，基漿為膨潤土-NaOH漿液，添加劑ABC分別代表為抑制劑PAM、高聚物VG、降濾失劑CMC。

文章以室內試驗所建立的數據庫為基本觀察數據，使用SPSS對數據庫中一系列參數分組進行了回歸分析。如不同水平的添加劑ABC組合與ND、API等控制指標的回歸關系。為了利于參數分析的均衡性，結合對實驗數據的直觀分析，這里對ND等控制指標的回歸分析采用權重估計。在“權重估計”界面中，選取添加劑ABC為自變量，其中C作為權重變量，ND作為因變量，如圖1。

此SPSS回歸分析所建立的模型，可應用到實驗數據庫中未涉及的同類別不同水平的添加劑組合，以預測其不同添加劑水平所形成的鉆井液體系中ND，API，N的性能水平。將此模型封裝成鉆井液優化軟件應用于鉆井液配方的優化設計，能避免繁復的室內試驗，高效快速地實現工程應用中的鉆井液設計，推進鉆掘工程的規范化設計，提升生產效率。

4 結束語

（1）通過經驗知識確定各代表地層的泥漿性能需求，確定了API、ND、n值、k值等主要控制參數。（2）通過室內試驗建立了主要添加劑的基本性能指標數據庫，并通過SPSS軟件建立數學模型分析了API、ND、n值、k值與添加劑劑量水平之間的作用關系。（3）基于室內試驗數據庫建立的加權回歸模型能避免繁復的室內試驗，快速高效地預測不同添加劑水平所形成的鉆井液體系的性能水平，將此模型以計算機軟件作為載體應用于工程實踐之中具有積極的實際意義。

參考文獻

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作者簡介：郭勇（1989-），男，湖南益陽人，鉆探工程師，畢業于中南大學地質工程專業，主要從事鉆探技術、工程勘察相關研究。