考慮鉆頭指標修正的鉆頭評價優選技術

王越之

(長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

曹光福，陳松平，李君

(中石油新疆油田分公司勘探事業部，新疆 克拉瑪依 834000)

?

考慮鉆頭指標修正的鉆頭評價優選技術

王越之

(長江大學石油工程學院，湖北 武漢 430100)

曹光福，陳松平，李君

(中石油新疆油田分公司勘探事業部，新疆 克拉瑪依 834000)

鉆頭是破碎巖石的工具，直接影響鉆井的經濟效益和鉆井成敗。首先對國內外鉆頭優選的兩種方法進行了介紹與評價，針對運用鉆頭使用參數統計分析優選鉆頭存在規律性不強、優選難度大的問題，提出了對鉆頭使用參數按照鉆頭新舊程度系數進行預處理的思想，給出了利用IADC鉆頭磨損分級標準處理的詳細方法和計算公式。將該預處理方法運用到目前常用的兩種鉆頭統計方法(鉆頭比能法和鉆頭使用效果圖形優選法)中，并對沒有進行數據預處理和進行預處理的兩種結果進行了比較分析。結果表明：統計方法優選鉆頭應對參數數據進行預處理，以保證鉆頭使用新舊程度相同。運用預處理數據統計分析的結果，評價更科學和容易，結果也更集中。

鉆頭；鉆頭優選；鉆頭參數；數據預處理

1 問題的提出

鉆頭是鉆井工程的重要工具，決定著鉆井速度的快慢，井眼軌跡的控制，井身質量的優劣，甚至直接影響鉆井的經濟效益和鉆井的成敗。因此，鉆頭類型的優選和鉆頭使用參數優化一直是現場工程技術人員極為重視的技術，同時也是鉆井科研工作者不斷探索，以求很好解決的問題。由于鉆頭使用的好壞，受鉆井地層和鉆頭兩個方面的影響，仍是一個沒有很好解決而又迫切需要解決的難題。

國內外鉆頭優選方法綜合起來主要有2大類[1]：

一類是根據所鉆地層的特性入手，通過室內巖心進行可鉆性試驗確定所鉆地層的可鉆性級值，建立可鉆性級值與測井聲波時差之間的函數關系，利用測井資料建立所鉆地層縱向上的連續可鉆性數據，據此選擇鉆頭類型。該方法由于所選擇的巖心數量有限，且巖心的不均質，試驗結果離散，使得試驗數據代表性不夠。同時巖石可鉆性不只與測井聲波特性有關，運用聲波時差建立的可鉆性剖面誤差較大。

另一類就是運用已鉆鉆頭的數據，按井徑分層位進行統計分析，其統計分析的方法有關聯分析法、聚類分析法、神經網絡法等方法[2]。

目標函數有每米成本法、比能法等。這類方法需要大量的數據，有時會出現同一種鉆頭型號既是最優鉆頭又是最差的鉆頭，或者運用不同方法得出不同結果的問題。

通過大量的分析計算比較，發現統計分析方法出現篩選的鉆頭相互矛盾的原因之一是已鉆鉆頭數據沒有進行預處理，普遍認為每只鉆頭使用后的新舊程度相同，而實際上由于施工的需要，如鉆到目標層需要起鉆，鉆井復雜情況需要起鉆等使得同種鉆頭起出的新度不同，如果不考慮鉆頭的新舊程度就會誤導統計結果。筆者針對這一問題，對進行統計分析的鉆頭數據先進行新舊程度的預處理，通過預處理的數據再參與計算分析，旨在解決統計的不確定性。

2 鉆頭新舊程度的預處理方法

按照三大石油公司對鉆井井史的要求，井隊技術員對起出的每一只舊鉆頭都要進行描述并記錄。描述與記錄的依據就是IADC鉆頭磨損分級標準[3]。該標準規定，起出鉆頭的描述由8個部分組成，分別為內排齒+外排齒+鈍化特征+鈍化位置+軸承密封+直徑變化+其他鈍化特征+起出原因。

在這8個部分中有的是用0～8的數值表示，有些是用字母表示，通過字母可以判斷鉆頭的情況，如果已經損壞，不能再使用，通過字母可以判斷。比如：鉆頭泥包、牙輪裂紋、頓鉆和溜鉆等非正常使用的鉆頭，這些鉆頭就不應該參與數據統計分析，數據應該剔除。對正常使用鉆頭中磨損分級用數值表示：0表示為未磨損的新鉆頭；8表示已經完全磨損，使用程度為100%。分析時應該選出這些數值最大的一個，按照如下公式計算描述鉆頭的新舊程度系數K：

(1)

式中：K為新舊程度系數，無量綱；m為該鉆頭磨損分級中最大的數值，無量綱。

考慮鉆頭新舊程度就是要對評價鉆頭的數據進行預處理，處理數據的原則是：通過鉆頭新舊程度系數K將鉆頭的使用參數都轉化成鉆頭相同的新舊程度，一般轉化為鉆頭使用程度為100%的情況。例如：機械鉆速就需要乘以K，鉆頭總進尺和鉆頭純鉆進時間都需要除以K。通過鉆頭參數計算的參數就不用再進行修正，如比能值。

3 鉆頭使用效果評價優選方法

3.1 比能法

3.1.1 原理與方法

比能是 1964 年由R.Teale 提出在巖石鉆進中的概念[4]，即鉆開單位體積巖石所做的功。由鉆壓和扭矩破碎單位體積巖石所需的機械能。其計算公式為：

(2)

式中：SE為比能，MJ/m3；W為鉆壓，kN；D為鉆頭直徑，mm；N為轉速，r/min；Tb為鉆頭扭矩，kN·m；R為機械鉆速，m/h。

文獻[5]指出，可以采用簡化的比能計算式計算比能，公式為：

(3)

考慮鉆頭新舊程度系數的比能計算，就是將機械鉆速R乘以K后進行計算。

3.1.2 新舊比能法實例計算比較

選用在新疆油田準噶爾盆地南緣地區幾口鄰井直徑為311.2mm井段使用的鉆頭用比能進行評價，鉆頭新舊程度系數需要查看井史中鉆頭起出分析內容，對每只鉆頭確定新舊程度系數，同時對非正常損壞的鉆頭數據進行剔除。

由表1可知，在鉆進直徑為311.2mm井眼時，運用舊比能法對鉆頭進行評判，同種型號鉆頭的比能值有大有小，沒有規律，選擇困難?？紤]鉆頭新舊程度系數，去掉非正常損壞鉆頭數據，計算的鉆頭比能值相對要集中一些，便于優選。則鉆頭使用效果由好到差的順序為PDC鉆頭選FS2463Z，牙輪鉆頭選HAT127X、HAT127和HJT517。

3.2 鉆頭使用效果圖形優選鉆頭

鉆頭使用效果評價指標有純鉆時間、機械鉆速、鉆頭進尺等，這3個參數相互制約，因此實質上鉆頭使用效果評價指標只有2個，筆者選取機械鉆速與鉆頭純鉆時間為參考指標。

1)對一個區塊地層進行地層巖性與可鉆性分析，按地層巖性、可鉆性、相似性將一口井分為若干段。

2)對每個井段分別做一張以純鉆時間為X軸、機械鉆速為Y軸的鉆頭使用效果圖。做圖方法是先將一口井鉆頭的機械鉆速與純鉆時間參數按每個井段在電子表格中分別創建一個工作表。對每個工作表按鉆頭型號進行排序，做出機械鉆速與純鉆時間的散點圖。這個圖可以比較不同鉆頭使用的總體情況，如果在圖的右上部分有一個型號的鉆頭分布較多，則說明該鉆頭有較好的使用效果，可考慮加入鉆頭推薦序列。

3)如果一只鉆頭穿過幾個層段，在每一段做圖時機械鉆速只取該段內的機械鉆速和純鉆時間的平均值。

按照上述方法，將表1的數據中預處理前的機械鉆速與純鉆時間做圖，如圖1所示；機械鉆速進行預處理后機械鉆速與純鉆時間關系圖，如圖2所示。

表1 新疆南緣地區?311.2mm鉆頭比能計算比較

圖1 原始數據鉆頭效果評選結果

圖2 數據預處理后鉆頭效果評選結果

圖中粗實線為統計數據的平均值，粗實線將數據區域分成4部分，右上角的鉆頭數據為2個指標均超過平均值的鉆頭，優選的鉆頭型號應在此區域。從圖1可以看出，沒有進行預處理的鉆頭數據，在圖1右上角的機械鉆速高、純鉆時間長的鉆頭型號不集中，不容易判斷。而圖2是運用筆者方法對鉆頭數據進行預處理后的評選結果圖，在圖2右上角的型號比較集中，容易優選，且選取結果與3.1結果一致。

4 結論

1)根據實鉆鉆頭使用參數統計分析優選鉆頭的方法，應對參數數據進行預處理，以保證鉆頭使用新舊程度相同。

2)對鉆頭使用參數進行預處理，運用預處理后的數據采用常用統計分析方法優選鉆頭，該評價方法更科學、更容易，結果也更集中。

[1]張輝，高德利. 鉆頭選型方法綜述[J].石油鉆采工藝，2005，27(4)：1～5.

[2]路小帥，王越之，雷滿，等.利用數理統計方法對鉆頭進行優選及評價[J].斷塊油氣田，2007，14(6)：63～65.

[3]SY/T 5415—2003，鉆頭使用基本規則和磨損評價方法[S].

[4]Teale R. The concept of specific energy in rock drilling[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts，1965，2(1)：57～73 .

[5]景寧，樊洪海，翟應虎，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態監測方法[J].斷塊油氣田，2011,18(4)：538～540.

[編輯] 帥群

2016-06-02

國家自然科學基金(51174036)。

王越之(1964-)，男，博士，教授，主要從事鉆井工程的教學與科研工作，cjdxwyz@126.com。

TE921;TE24

A

1673-1409(2016)32-0082-04

[引著格式]王越之，曹光福，陳松平，等.考慮鉆頭指標修正的鉆頭評價優選技術[J].長江大學學報(自科版),2016,13(32):82～85.