钻头优选方法

钻头优选方法杨牧1(1.西南石油大学机电工程学院硕士2015级2班201521000474)摘要：钻头的合理选型对提高钻进速度、降低钻井综合成本起着重要作用。对近年来国内外钻头选型的主要方法进行了总结与评述。目前，钻头选型方法大致可概括为3种：一是钻头使用效果评价法；二是岩石力学参数法；三是综合法。目前的提出的各种优选方法，都很难做到准确、快速的确定最优的钻头选型。关键词：钻头优选方法0前言*在钻井过程中，钻头是破碎岩石的主要工具，井眼是由钻头破碎岩石而形成的。一个井眼形成得好坏，所用时间的长短，除与所钻地层岩石的特性和钻头本身的性能有关外，更与钻头和地层之间的相互匹配程度有关。如何优选出既与所钻地层相适应又比较经济的钻头，以实现安全、高效、优质钻井，一直是人们长期致力研究的课题[1]。目前，钻头选型方法大致可以分为3类：第1类是钻头使用效果评价法，该方法从某地区已钻的钻头资料入手，分地层对钻头的使用情况进行统计，把反映钻头使用效果的一个或多个指标作为钻头选型的依据；第2类是岩石力学参数法，该方法根据待钻地层的某一个或几个岩石力学参数，结合钻头厂家的使用说明进行头选型；第3类是综合法，该方法把钻头使用效果和地层岩石力学性质结合起来进行选型。在对大量文献资料调研分析的基础上，通过介绍各种选型方法的基本原理，分析各种方法存在的不足，指出钻头选型方法研究应立足于PDC钻头的优选。1钻头使用效果评价法1.1每米钻井成本法自以钻头的每米钻井成本作为钻头选型的依据【2】，其计算模型为()BrTCCTTCF其中C为每米钻井成本，BC为钻头费用，rC为钻机运转作业费，T为钻头纯钻时间，TT为起下钻、循环钻井液及接单根时间，F为钻头总进尺。但是需要指出的是由于影响钻井成本因素并不都与钻头选择有关，因而成本分析法不能直接反映钻头方案的好坏。1.2比能法比能法的定义为：钻头从井底地层上钻掉单位体积岩石所需要做的功。其计算公式为224BCkNTWSDDR其中，CS为比能，BT为钻头扭矩，N为转速，R为机械钻速，W为钻压，D为钻头直径，k为常系数。该方法将钻头比能作为衡量钻进效果好坏的主要因素。钻头比能越低，表明钻头的破岩效率越高，钻头使用效果越优【3】。该方法在原理上很简单，但在现场应用时，钻头扭矩不易计算和直接测量。1.3经济效益指数法2根据钻头进尺、机械钻速、钻头成本3个因素的综合指标来评价钻头的使用效果，其评价结果与每米钻井成本法总体上是一致的。其计算公式为BBFRECBE为钻头经济效益指数，BE越大，钻头使用效果越优。1.4灰类白化权函数聚类法灰类白化权函数聚类法是指将钻头进尺、纯钻时间、机械钻速和钻头成本作为钻头使用效果的评价指标，应用灰类白化权函数法，根据聚类值的大小对钻头的优劣进行评价【4】1.5综合指数法选择机械钻速、牙齿磨损量、轴承磨损量、钻头进尺、钻头工作时间、钻压、转速、泵压、泵排量及井深10项指标，应用主成分分析法，综合钻头的使用效果和使用条件，得到优选PDC钻头的“综合指数法”。该方法的优点是综合考虑了钻头的使用效果和使用条件，把手段与结果统一起来，解决了钻头指标缺乏可比性的问题。其不足之处为，没有考虑地质条件对钻速的影响，在不同地区使用该方法时，必须重新确定表达式中的各项系数。1.6模糊综合评判法模糊综合评判法是利用模糊数学原理，避开了每米钻井成本法必须确定而又难以求准的起下钻时间和钻机作业费的计算，给出了钻头的多因素模糊综合评判法[5]。该方法以所研究的所有牙轮钻头作为评判对象集，选择机械钻速、纯钻时间及深度、钻头成本以及钻头新度组成因素集，在此基础上根据隶属函数对每个对象作单因素评判，形成单因素评判矩阵，然后再结合各因素权重对各评判对象进行优劣排序。1.7灰关联分析法将钻头进尺、纯钻时间、机械钻速和钻头成本作为钻头使用效果的评价指标，应用灰关联分析法，根据关联度的大小对钻头进行优劣排序1.8神经网络法利用3层反馈神经网络进行钻头优选。该方法使用几个不同的神经网络模型决定地层、钻头性能和作业参数之间的复杂关系【6】。该方法输入参数为：钻头尺寸、钻头总过流面积、起钻井深、进尺、机械钻速、最大和最小钻压、最大和最小转盘转速以及钻井液返速；输出参数为钻头型号1.9属性层次分析法属性层次分析法是将属性识别理论和层次分析方法相结合，在属性测度的基础上，通过分析判断准则和属性判断矩阵，建立了钻头优选属性层次模型[13]。该方法考虑钻头进尺、钻头寿命、平均机械钻速和单位进尺钻头成本(钻头单价/钻头进尺)等4个指标，根据钻头记录，按层位为新井选择钻头型号。2岩石力学参数法2.1模糊聚类法模糊聚类法是以地层岩石力学性质中影响钻头钻速及磨损的主要指标(岩石可钻性、研磨性、硬度、塑性系数和抗压强度)为研究对象，按各地层间对应岩性的相似程度进行模糊动态聚类，建立好动态聚类图后，根据所钻地层与已知地层的亲疏关系，结合钻头厂家的使用说明进行选型。这种方法综合考虑了对钻头影响较大的几种地层岩性下的地层分类问题，比较符合实际情况。如果事先知道新区地层3的岩石力学参数，用这种方法可以对新区待钻地层进行分类，进而进行钻头选型【7】。但是，这种方法急需解决的问题是把地层分为几类比较合理。2.2岩石内摩擦角法研究表明，岩石研磨性和内摩擦角有很好的相关性，根据岩石内摩擦角可确定地层研磨性【8】。岩石内摩擦角低于40°，则认为地层研磨性不太强，可以选用一般的PDC钻头钻进。如果岩石内摩擦角高于40°，则认为地层研磨性比较强，宜选用耐磨性好的特殊加工的PDC钻头或天然金刚石钻头。3综合法3.1岩石声波时差法岩石声波时差法的原理为，统计某区块所有已钻井的牙轮钻头资料，按层段挑选出使用效果最好的牙轮钻头，借助声波时差曲线得到最优钻头所对应的的横波时差的界限，进一步得出整个地区以横波时差优选牙轮钻头的选型模板，用以指导新井的钻头选型【9】。这种方法的优点是，只要知道对应井段的横波时差就可很快优选出适合该井段的牙轮钻头。缺点是，横波时差计算方法比较烦琐，对于混合岩性的井段横波时差不易求准。此外，只能在对待钻井岩性了解很详细的情况下进行优选，如果待钻井的岩性和预期的相差较大，优选工作就会出现很大误差。3.2剪切强度法剪切强度是利用剪切强度和单位进尺钻井成本的关系来进行PDC钻头选型的方法[10]。该方法以一个建成的PDC钻头使用资料库为基础，该数据库包括钻头型号、所钻井段地层的平均剪切强度、单位进尺钻井成本等指标。在选型时，通过所钻区块邻井的测井资料计算出不同井深各间隔点的地层剪切强度，从需要进行钻头选型的井段开始，确定计划钻井段地层剪切强度的平均值。以此平均值为基点，在合理的偏差范围内，从数据库中选择PDC钻头，单位进尺钻井成本最低的PDC钻头为优选结果。3.3有围压岩石抗压强度法有围压岩石抗压强度法是根据井底有围压抗压强度进行PDC钻头选型的方法[28～29]。该方法将使用效果最佳的PDC钻头的有围压抗压强度范围作为选型的依据。这种钻头选型方法由于考虑了围压对岩石强度的影响，因而更能真实地反映钻头钻进时井底岩石的状况。但是，横波时差不易求准限制了该方法的应用。4总结钻头的合理选型对提高钻进速度、降低钻井成本是至关重要的，但是由于地球地质环境的多样性、复杂性，导致在钻井过程中每口井每个层段都有其自身的一些特性，对钻井的各项参数的要求都各不相同。这就对钻头的优选提出了挑战，而目前的提出的各种优选方法，都很难做到准确、快速的确定最优的钻头选型。各类选型方法都有自身的一些缺陷。第1类方法是用已钻井的实际使用效果来作为钻头的选型依据。其缺陷为：(1)以邻井钻头使用资料为基础,当邻井钻头本身选用不当,或该设计井与邻井地质条件相差较大时,该方法不能给出理想的选型结果；(2)对新探区,钻头使用资料比较少时,该选型方法存在较大盲目性；(3)评价指标的选取具有4主观性。第2类方法是从岩石的力学性质入手,根据厂家的钻头使用说明寻求与岩石的力学性质相匹配的钻头。其缺陷是：(1)当与某地层相适应的钻头若干类时,选择哪种型号钻头就无所适从；(2)当地层岩石的力学性质未知时,钻头选型无法进行。如何把地层进行合理细致地分类是问题的关键。第3类方法将钻头使用效果和地层的岩石力学性质结合起来进行选型。钻头在井下受多种力学因素的影响,单凭一个或几个力学参数很难选出真正适合本地区的钻头。地层综合系数法虽然综合考虑了多种岩石力学特性参数,但只是针对某一区块进行的,受区域限制。参考文献[1]张辉,高德利.钻头选型方法综述[J].石油钻采工艺,2005,04:1-5+89.[2]高德利,潘起峰,张武辇.南海西江大位移井钻头选型技术研究[J].石油钻采工艺,2004,01:1-4+81.[3]樊顺利,郭学增.用比能法评判钻头[J].石油钻采工艺,1993,02:20-24.[4]张辉,陈庚绪.基于改进灰色聚类的钻头优选新方法及其应用[J].石油机械,2013,02:20-23+27.[5]张海平.评选钻头的新方法[J].石油钻采工艺,1988,03:33-40+48.[6]冯定.神经网络在钻头选型中的应用研究[J].石油钻探技术,1998,01:45-47+64.[7]周德胜,夏宇文.为钻头选型的地层模糊聚类研究[J].西南石油学院学报,1994,04:74-78.[8]陈德光,田军,王治中,孙颖,张绍云.钻井岩石力学特性预测及应用系统的开发[J].石油钻采工艺,1995,05:12-16+105.[9]张传进,路保平,鲍洪志,秦红祥.利用测井资料优选钻头类型技术方法[J].钻采工艺,1997,03:14-17.[10]幸雪松,楼一珊.一种PDC钻头选型新方法研究[J].钻采工艺,2004,02:29-30+4.