基于工程地質(zhì)一體化數(shù)據(jù)庫(kù)的鉆頭優(yōu)選應(yīng)用實(shí)踐

錢浩東, 張治發(fā), 王 鵬

中國(guó)石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院

0 前言

在石油鉆井工程中,鉆頭是破巖的主要工具,當(dāng)鉆頭和地層不匹配會(huì)造成鉆井效率低、鉆頭壽命短等問(wèn)題,因此鉆頭的合理選型對(duì)提高鉆進(jìn)速度、降低鉆井綜合成本具有重要作用，特別是近年來(lái)的鉆井實(shí)踐證明，鉆頭是鉆井提速最主要手段之一，也是安全鉆井減少事故復(fù)雜的重要保證。國(guó)內(nèi)外鉆頭優(yōu)選方法很多，大致有利用鉆頭應(yīng)用效果統(tǒng)計(jì)分析選型法、通過(guò)巖石力學(xué)參數(shù)分析選型法、綜合對(duì)比分析選型法、模糊分析、聚類分析、機(jī)械比能及最早的巖石可鉆性分析等方法。

統(tǒng)計(jì)分析選型法[1- 2]是基于鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的選型方法,基于鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)的鉆頭選型方法很多，但受制于鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的質(zhì)量、數(shù)據(jù)類型以及優(yōu)選方法的制約，導(dǎo)致針對(duì)地層或某個(gè)井眼尺寸的優(yōu)選效果并不理想。

通過(guò)巖石力學(xué)參數(shù)分析選型法[2- 3]是通過(guò)綜合分析巖石的研磨性基礎(chǔ)上得出巖石的可鉆性指數(shù)，進(jìn)行鉆頭選型，需要借助一些巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)完成，雖然效果較好，但費(fèi)用高且周期也長(zhǎng)，在實(shí)際選型應(yīng)用中不具經(jīng)濟(jì)適用性，特別是對(duì)那些開(kāi)采周期要求特別短的區(qū)塊不適合。

綜合對(duì)比分析選型法[2- 4]主要是利用測(cè)井資料(橫波時(shí)差和地層抗壓強(qiáng)度)完成地層可鉆性分析，但針對(duì)各區(qū)域同等可鉆性都滿足的鉆頭進(jìn)一步優(yōu)選還是需要借助鉆頭應(yīng)用數(shù)據(jù)。

近年來(lái)隨著人工智能技術(shù)和大數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)的興起，利用模糊分析、聚類分析等方法也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆頭優(yōu)選，但這類優(yōu)選中都需要對(duì)樣本做聚類分析的標(biāo)定，如果樣本過(guò)多，數(shù)據(jù)標(biāo)定的工作量將非常大，做到實(shí)時(shí)分析很難。

總之目前優(yōu)選鉆頭的理論方法都很多，優(yōu)選方式各有特點(diǎn)，但是國(guó)內(nèi)利用鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)直接進(jìn)行優(yōu)選的實(shí)用鉆頭程序卻非常少見(jiàn)，目前,隨著鉆井智能信息系統(tǒng)(EISS)推廣和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展,井筒工程中能夠產(chǎn)生大量與地層和鉆頭相關(guān)的數(shù)據(jù),從而給利用工程地質(zhì)綜合信息優(yōu)化鉆頭選型方法帶來(lái)了可能。所以有必要建立一種快捷、方便的手段,充分利用井筒工程地質(zhì)一體化數(shù)據(jù)庫(kù)資源,建立出一種精準(zhǔn)快捷的鉆頭選型方法。

1 優(yōu)選方法的建立

1.1 優(yōu)選樣本基礎(chǔ)

傳統(tǒng)的鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)只有鉆井過(guò)程信息無(wú)錄井和測(cè)井信息，所以直接用鉆井?dāng)?shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)展鉆頭優(yōu)選很大程度受制于數(shù)據(jù)質(zhì)量和數(shù)據(jù)類型的影響，通常需要人工反復(fù)干預(yù)和確認(rèn)后才能獲得一個(gè)相對(duì)理想的結(jié)果，但若有些區(qū)塊樣本太多，僅僅數(shù)據(jù)“清洗”就是一個(gè)人工難以完成的龐大工作量；目前中石油正在推廣的工程作業(yè)智能支持系統(tǒng)(EISS)涵蓋全井筒相關(guān)的各專業(yè)并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)一體化管理，數(shù)據(jù)庫(kù)主體技術(shù)框架設(shè)計(jì)由兩條主線構(gòu)成，第一條是以井的生命周期為主線，通過(guò)井這條主線，把井的物理屬性進(jìn)行了詳細(xì)的描述，井的各種物理變化數(shù)據(jù)通過(guò)井進(jìn)行有效串聯(lián)，能充分滿足成果數(shù)據(jù)的管理；第二條是以作業(yè)為主線，把圍繞井筒的鉆井、錄井、測(cè)井等多專業(yè)作業(yè)事件也進(jìn)行了有效關(guān)聯(lián)，通過(guò)關(guān)聯(lián)把井筒工程的各個(gè)專業(yè)數(shù)據(jù)緊密地整合在一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，井筒工程數(shù)據(jù)庫(kù)得到最大化擴(kuò)充，同時(shí)提高了數(shù)據(jù)庫(kù)的靈活性，能滿足各專業(yè)深度的數(shù)據(jù)挖掘的需求[5- 8],本次優(yōu)選方法就是基于EISS系統(tǒng)的井筒工程信息，開(kāi)展鉆頭選型。

1.2 優(yōu)選流程

基于EISS系統(tǒng)的井筒工程信息，建立了優(yōu)選方法流程，如圖1。

圖1 優(yōu)選方法流程圖

流程說(shuō)明：巖石可鉆性是預(yù)測(cè)鉆速的重要指標(biāo),研磨性是評(píng)判鉆頭使用壽命的關(guān)鍵參數(shù)，為提高鉆頭使用效果，實(shí)現(xiàn)安全、快速、高效鉆井的目的，就需對(duì)鉆遇地層的巖石可鉆性和研磨性有正確認(rèn)識(shí)，選出目標(biāo)構(gòu)造和地層，利用一體化中的測(cè)井資料分析計(jì)算出本構(gòu)造該地層的可鉆性級(jí)別，分析方法如下：

(1)利用測(cè)井資料建立與地層特性關(guān)系數(shù)學(xué)模型，即巖石縱波波速與地層力學(xué)特性參數(shù)建立關(guān)系式，見(jiàn)式(1)，巖石橫波波速與地層力學(xué)特性參數(shù)關(guān)系式見(jiàn)式(2)：

(1)

(2)

式中：Vp—巖石縱波波速，m/s;Vs—巖石橫波波速，m/s;E—彈性模量，MPa;μ—泊松比;ρ—體積密度，g/cm3。

(2)建立巖石聲波時(shí)差與巖石可鉆性關(guān)系的模型，得到目標(biāo)層的可鉆性系數(shù),模型見(jiàn)式(3)：

Kd=aebΔtp

(3)

式中：Kd——巖石可鉆性;Δtp——縱波時(shí)差，μs/m;a、b——線性回歸系數(shù)。

(3)利用巖石可鉆性數(shù)據(jù)并結(jié)合鉆頭廠家的使用說(shuō)明，對(duì)目標(biāo)構(gòu)造的地層所使用的鉆頭進(jìn)行“清洗”，得到優(yōu)選樣本，見(jiàn)圖2。根據(jù)地層巖石可鉆性數(shù)據(jù)和廠家提供的鉆頭適用條件和相應(yīng)參數(shù)，通過(guò)非線性變換的方式映射到一個(gè)高緯的特征空間，并在這個(gè)高緯空間中找出最優(yōu)線性分界超平面，將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行二分類，可進(jìn)行若干次二分類，篩選出適合目標(biāo)地層的鉆頭類型。

圖2 鉆頭篩選方法圖

(4)再利用樣本數(shù)據(jù)所鉆目標(biāo)地層的井段，在錄井?dāng)?shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)出樣本在本段的機(jī)械鉆速和進(jìn)尺，采用黃金分割優(yōu)選方法[9]，建立黃金分割曲線圖(圖3)，將(3)篩選出的目標(biāo)地層鉆頭使用情況點(diǎn)入圖中，根據(jù)平均單只鉆頭進(jìn)尺和平均機(jī)械鉆速，畫(huà)出黃金分割線，黃金分割線以上的鉆頭即為優(yōu)選鉆頭。如果樣本數(shù)量多，優(yōu)選出的鉆頭型號(hào)仍然較多，可對(duì)優(yōu)選出的鉆頭采用相同方法，進(jìn)行再次優(yōu)選，直到滿意為止。

圖3 黃金分割線樣圖

黃金分割點(diǎn)值h的確定：

h=V平×L平/0.618

(4)

黃金分割線任意一點(diǎn)X值的確定：

Xn=nVmax/m

(5)

黃金分割線任意一點(diǎn)Y值的確定：

Yn=h/Xn

(6)

式中:V平—目標(biāo)地層整體平均機(jī)械鉆速，m/h;L平—目標(biāo)地層整體平均單只鉆頭進(jìn)尺，m/只;Vmax—目標(biāo)地層最高單只鉆頭平均機(jī)械鉆速，m/h;m—黃金分割線點(diǎn)的數(shù)量，保證黃金分割線圓滑即可;Xn、Yn—黃金分割線第n點(diǎn)的X值和Y值。

根據(jù)黃金分割線上的鉆頭結(jié)合其使用情況的穩(wěn)定性，即鉆頭使用數(shù)量，最終確定優(yōu)選鉆頭。

2 應(yīng)用實(shí)例

GS-MX井區(qū)二疊系—寒武系地層是該區(qū)域制約鉆井效率的瓶頸地層，為此利用一體化中的測(cè)井資料采用巖石可鉆性的回歸公式對(duì)該區(qū)域地層進(jìn)行巖石可鉆性預(yù)測(cè)分析，得到巖石可鉆性數(shù)據(jù)(表1)。

從表1可以看出，GS-MX區(qū)域二疊系—寒武系地層巖石硬度高(抗壓強(qiáng)度195～347 MPa)，屬粗玄巖硬度，具有耐磨、抗壓性強(qiáng)、壓碎值低等特征，即可鉆性差，研磨性強(qiáng)。根據(jù)地層巖石可鉆性和研磨性，結(jié)合已鉆井鉆頭使用情況，對(duì)鉆頭型號(hào)進(jìn)行了“清洗”和篩選，得出了該區(qū)域二疊系～寒武系地層的鉆頭樣本，見(jiàn)表2。

表1 GS-MX區(qū)域二疊系—寒武系地層巖石可鉆性數(shù)值表

表2 GS-MX區(qū)域二疊系—寒武系地層鉆頭優(yōu)選樣本

通過(guò)“清洗”后的鉆頭普遍應(yīng)用較好，再利用一體化井筒工程數(shù)據(jù)，采用黃金分割法進(jìn)一步優(yōu)選鉆頭(圖4)，對(duì)鉆頭使用效果的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性等綜合性能進(jìn)行了優(yōu)中選優(yōu)。

圖4 基于黃金分割法的鉆頭優(yōu)選

基于井筒工程數(shù)據(jù)的鉆頭優(yōu)選方法的應(yīng)用，目前GS-MX區(qū)塊?215.9 mm井眼二疊系—寒武系層段，以采用GS1605R、KPM1633RT、KPM1642DRT、DF1606BIU這四種鉆頭為主(HP524、GS1605、DFS1606BU三種鉆頭使用數(shù)量少，其性能穩(wěn)定性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證)，平均使用鉆頭只數(shù)比優(yōu)選前減少2.25只，平均機(jī)械鉆速提高49.33%。GS1605R為16 mm齒、5刀翼鋼體PDC鉆頭，具有強(qiáng)攻擊特征；DF1606BIU是16 mm齒、6刀翼胎體PDC鉆頭，具有強(qiáng)保徑耐磨的特征；而KPM1633RT和KPM1642DRT是復(fù)合鉆頭，具有強(qiáng)攻擊、保徑耐磨和倒劃眼功能。以上四種型號(hào)鉆頭的成功應(yīng)用正好征印證了GS-MX區(qū)塊二疊系～寒武系層段可鉆性差、研磨性強(qiáng)的特征。

3 結(jié)論

(1)充分利用井筒工程地質(zhì)一體化信息資源，提供了一種全新的優(yōu)中選優(yōu)的鉆頭優(yōu)選方法,即利用測(cè)井資料獲取地層可鉆性，結(jié)合不同廠家鉆頭適用性初步篩選出鉆頭樣本，再根據(jù)樣本的使用情況，采用黃金分割優(yōu)選方法實(shí)現(xiàn)鉆頭優(yōu)選，通過(guò)工程作業(yè)智能支持系統(tǒng)(EISS)在川渝地區(qū)的推廣應(yīng)用取得了較好的效果。

(2)EISS中井筒工程信息非常豐富，為大數(shù)據(jù)挖掘應(yīng)用打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，鉆頭優(yōu)選取得的較好效果，也為其它工程參數(shù)的優(yōu)選提供了一種新思路。