應(yīng)用灰色聚類法進行鉆頭優(yōu)選研究

武興勇，鄧 平，排祖拉，王 崢，杜洪韜, 朱忠喜

(1. 新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2. 油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏技術(shù)研究室，長江大學(xué)（武漢校區(qū)）石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

應(yīng)用灰色聚類法進行鉆頭優(yōu)選研究

武興勇1，鄧 平1，排祖拉1，王 崢1，杜洪韜2, 朱忠喜2

(1. 新疆油田公司工程技術(shù)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；2. 油氣鉆井技術(shù)國家工程實驗室防漏堵漏技術(shù)研究室，長江大學(xué)（武漢校區(qū)）石油工程學(xué)院，湖北 武漢 430100）

根據(jù)新疆油田夏子街組砂礫巖、泥質(zhì)粉砂巖的鉆頭鉆速低、鉆頭選型難的情況，針對已使用的鉆頭進行統(tǒng)計歸納后，使用灰色聚類法對該地層的鉆頭進行鉆頭優(yōu)選,主要應(yīng)用是將夏子街組使用過的鉆頭作為聚類對象集，根據(jù)鉆頭進尺、機械鉆速、純鉆時間、鉆頭成本等作為聚類標準集，求出其聚類系數(shù)，并通過聚類系數(shù)大小比較鉆頭優(yōu)劣。在優(yōu)選出最優(yōu)鉆頭以后，再將該地層使用過的另外一只鉆頭以及與最優(yōu)鉆頭同一型號的鉆頭等效果進行對比，證明其合理性。通過新疆油田夏子街組上資料表明，該方法優(yōu)選出來的鉆頭能有效提高鉆速。

灰色聚類；鉆頭優(yōu)選；白化函數(shù)；聚類系數(shù)

在鉆井操作過程中，合理選擇鉆頭不但可以提高鉆井進尺和機械鉆速等，而且同時也可以節(jié)約鉆井成本。近年來國內(nèi)外鉆頭優(yōu)選的方法很多[1-3]，但由于影響鉆頭選型的因素較多，目前沒有準確而科學(xué)的評選方法，各種方法都有其自身的優(yōu)勢與不足，對于鉆頭優(yōu)選這個系統(tǒng)來說，有些因素其數(shù)值是不確知的，有些因素是確知的，這也是一個典型的灰色系統(tǒng)，運用灰色系統(tǒng)理論[4,5]中的灰色類聚法[5]評選鉆頭類型是實用可行的，因此本文采用該方法對新疆油田紅153區(qū)塊的鉆頭進行鉆頭優(yōu)選。

根據(jù)新疆油田某區(qū)塊鉆頭使用統(tǒng)計資料評選鉆頭，前提是聚類對象是某一特定層位所使用的各種鉆頭，將鉆頭總進尺、機械鉆速、鉆頭純鉆時間、鉆頭成本等可以反映鉆頭效果并且便于收集的因素作為聚類對象。對鉆頭各項標準初值化處理后，確定聚類標準函數(shù)，聚類系數(shù)，構(gòu)造聚類系數(shù)構(gòu)造聚類向量，通過比較聚類向量里聚類系數(shù)大小，可以區(qū)分優(yōu)、良、差的鉆頭[6]。

1 灰色聚類法

灰色聚類法是以灰色統(tǒng)計為基礎(chǔ)，建立在灰色關(guān)聯(lián)矩陣[4]或者灰數(shù)的白化函數(shù)[5]生成基礎(chǔ)上的方法，即是將聚類應(yīng)用灰色聚類法進行鉆頭優(yōu)選研究對象對于不同聚類指標所擁有的白化函數(shù)，對于鉆頭選型而言，即是給出每個鉆頭性能指標優(yōu)、良。差標準函數(shù)后，求其聚類標準的聚類系數(shù)，比較聚類系數(shù)大小的一種方法[7]。本文主要應(yīng)用后者來分析鉆頭優(yōu)劣，確定聚類系數(shù)是該方法的關(guān)鍵，其公式如下：

聚類權(quán)的計算公式如下：

2 鉆頭優(yōu)選

表1 5口相同地層井所用鉆頭數(shù)據(jù)Table 1 Drill bit data used in 5 wells of the same formation

鉆頭數(shù)據(jù)資料從新疆油田某區(qū)塊井史資料中提取，選取時需要其指標[9]互相獨立不覆蓋，可以從不同層面反映鉆頭使用效果。不同的鉆頭適用不同地層巖石，所以在分析時選取相同地層使用的鉆頭分析[10]，表1給出新疆油田5口井相同地層鉆頭使用數(shù)據(jù)。

取以上5個鉆頭作為聚類對象，而聚類指標則選進尺、鉆速、純鉆時間、鉆頭成本等能夠說明鉆頭效果的數(shù)據(jù)。取優(yōu)、良、差作為聚類判別灰數(shù)。將5個鉆頭4個指標列出樣本矩陣如下：

運用初值化變換對樣本進行無量綱處理可得：

處理后的數(shù)值，按照值得大小確定效果優(yōu)、良、差的聚類標準函數(shù)如下：

鉆頭進尺效果優(yōu)的聚類函數(shù)為

機械鉆速效果優(yōu)的聚類函數(shù)為

純鉆時間效果優(yōu)的聚類函數(shù)為

鉆井成本效果優(yōu)的聚類函數(shù)為

鉆頭進尺效果良的聚類函數(shù)為

機械鉆速效果良的聚類函數(shù)為

純鉆時間效果良的聚類函數(shù)為

鉆井成本效果良的聚類函數(shù)為

鉆頭進尺效果差的聚類函數(shù)為

機械鉆速效果差的聚類函數(shù)為

純鉆時間效果差的聚類函數(shù)為

鉆井成本效果差的聚類函數(shù)為

按式（2）計算各聚類指標對應(yīng)的各聚類權(quán)可得：

圖1 效果“優(yōu)”的白化函數(shù)Fig.1 “Good”whitening function

圖2 效果“良”的白化函數(shù)Fig.2 “Mediocre”whitening function

圖3 效果“差”的白化函數(shù)Fig.3 “Bad”whitening function

按式（1）計算各灰類聚類系數(shù)，并構(gòu)造聚類向量，結(jié)果如表2。

表2 各鉆頭的聚類向量Table 2 Cluster vectors of each drill bit

從以上數(shù)據(jù)分析得出，井號 4的鉆頭 D對于“優(yōu)”“良”“差”的三個檔次中，分別其聚類系數(shù)分別為0.906 9，0.873 1，0.056 9。其中在“優(yōu)”的分類里面，數(shù)值最大，根據(jù)灰色聚類法，可以認為鉆頭D的效果最優(yōu)，以此類推，鉆頭C和鉆頭E使用效果良好，鉆頭A和鉆頭B使用效果最差。

3 現(xiàn)場應(yīng)用實例

為了驗證該方法的可行性與科學(xué)性，選出同一區(qū)塊同一地層的兩口井中兩個鉆頭，其中一個是跟D鉆頭同一型號，以下稱之D2鉆頭，另一個是鉆頭F。與上面七個鉆頭進行比較，D2鉆頭與F鉆頭數(shù)據(jù)如表3。

表3 D2與F鉆頭數(shù)據(jù)表Table 3 Drill bit data sheet of D2 and F

井號6的鉆頭D2與井號7的鉆頭F相比，其中，鉆頭D2比鉆頭F進尺提高188%，鉆速比鉆頭F提高238%，而在純鉆時間上，鉆頭F比鉆頭D2多20.34 h，且鉆頭D2的成本比鉆頭F高出27 580元，綜合考慮，鉆頭D2的效果最佳。

井號4的最優(yōu)鉆頭D與使用效果中等的鉆頭C相比，鉆頭D比鉆頭C的進尺提高34%，鉆速提高151%，鉆頭C的純鉆時間比鉆頭D提高87%，鉆頭C的成本比鉆頭D高出54%，綜合考慮，鉆頭D的效果最佳；鉆頭D與鉆頭E相比，鉆頭D比鉆頭E進尺提高154%，鉆速提高126%，純鉆時間提高13%，鉆頭E的成本比鉆頭D成本低23%，綜合考慮，依然是鉆頭D的效果最佳。

4 結(jié) 論

目前國內(nèi)研究出的鉆頭選型方法有很多，但是由于其本身的復(fù)雜性導(dǎo)致還沒有一種確切的方法優(yōu)選鉆頭，灰色聚類法在鉆頭選型的應(yīng)用主要考慮選取四個指標相互獨立且極為重要的指標，分別為機械鉆速、進尺、純鉆時間、鉆頭成本，符合現(xiàn)代鉆井基本要求。根據(jù)灰色聚類法得出的新疆油田某區(qū)塊的鉆頭選型結(jié)果，將其結(jié)果進一步的與相同區(qū)塊的同一地層的鉆頭進行對比驗證，所選出的鉆頭基本是現(xiàn)場使用效果較好的鉆頭，說明在鉆頭選型方面灰色聚類法是有效的。

［1］ 張輝，高德利.鉆頭選型通用方法研究[J].中國石油大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2005,29（6）:45-49．

［2］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.

［3］白萍萍,步玉環(huán),李作會.鉆頭選型方法的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].西部探礦工程,2013（11）：79-82.

［4］王俊良,劉明.用灰色關(guān)聯(lián)分析評價和優(yōu)選鉆頭[J].石油鉆采工藝,1994,16(5):14-18.

［5］王越之.用灰色聚類法評選鉆頭選型[J].石油鉆采工藝,1991,6（4）:19-24.

［6］劉思峰,黨耀國.灰色系統(tǒng)理論及其應(yīng)用[M].5版.北京:科學(xué)出版社,2010.

［7］張輝,陳庚緒.基于改進灰色聚類的鉆頭優(yōu)選新方法及其應(yīng)用[J].石油機械,2013,41（2）:20-27．

［8］劉德華,王越之.灰色系統(tǒng)理論在石油工業(yè)中的應(yīng)用[M].北京:石油工業(yè)出版社,1995:177-185.

［9］楊進,李文武,高德利.灰關(guān)聯(lián)聚類在鉆頭選型中的應(yīng)用[J].石油鉆采工藝,1999,21（4）:48-52.

［10］ 鄒德永,尹宏錦.PDC鉆頭鉆進的巖石可鉆性研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1993,17(1):31-35.

走好農(nóng)藥產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化科技成果的最后一公里

我國近年來對于農(nóng)藥行業(yè)的關(guān)注力度逐漸加大，各種新的政策措施被不斷頒布落實，但在這過程中，如何走好科技成果轉(zhuǎn)化的“最后一公里”一直是一個重要難點。

科研機構(gòu)和高等院校是我國科技創(chuàng)新成果的重要來源，匯聚著我國約 85%的科技創(chuàng)新力量，但多年來，卻一直存在著科技成果轉(zhuǎn)化難的頑疾。據(jù)國家教育部相關(guān)資料統(tǒng)計，我國高校每年科技成果在6000項到8000項之間，但真正實現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化與產(chǎn)業(yè)化的不到10%。

值得注意的是，雖然我國科技成果轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)政策體系已經(jīng)構(gòu)建完成，但政策具體落實的過程中，不少科研機構(gòu)和高等院校還面臨著難題。眾多科研成果鎖在文件柜中，很難走出實驗室。在農(nóng)藥行業(yè)，這個問題也是明顯存在的。

Selection of Drilling Bits by Grey-Clustering Method

WU Xing-yong1,DENG Ping1,PAI Zu-la1,WANG Zheng1,DU Hong-tao2,ZHU Zhong-xi2

（1. Xinjiang Oilfield Company Engineering Technology Research Institute, Xinjiang Karamay 834000，China；2. National Engineering Laboratory of Petroleum Drilling Technology, Leak Resistance & Sealing Technology Research Department, Yangtze University, Hubei Wuhan 430100，China）

According to the situation that it was difficult to select drilling bit and the ROP was low in conglomerate and shale powder sandstone reservoir in Xiazijie formation of Xinjiang oilfield, based on the statistics of the used drill bits, the grey clustering method was used to optimize the drilling bit of the formation. In this paper, using the used drill bits as the cluster object in Xiazijie formation, the footage, ROP, net drilling time and drilling cost as the standard of clustering set, the clustering coefficient was obtained, by comparing the size of clustering coefficient, all kinds of drilling bit types were sorted. After selecting the best drilling bit, selected drilling bit was compared with the same type of used drilling bit to prove its rationality. According to the data from Xiazijie formation of Xinjiang oil field, the results show that the drilling bit chosen by proposed method can effectively improve the drilling speed.

Grey clustering; Selection of drilling bit; Xinjiang oilfield; Whitening function; Clustering coefficient

TE 357

A

1671-0460（2017）04-0748-04

國家自然科學(xué)基金項目（51202024和51474036）、中國石油科技創(chuàng)新基金項目（2013D-5006-0307）和非常規(guī)油氣湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心創(chuàng)新基金項目（HBUOG-2014-4）資助。

2016-10-21

武興勇（1980-），男，工程師，主要從事石油鉆井工程設(shè)計方面的研究工作。E-mail：wuxingyong@petrochina.com.cn。

朱忠喜（1978-），男，副教授，主要從事油井鉆井、井漏檢測，井筒流體方面研究工作。E-mail：zhuzhongxi@126.com。