發布時間：2021-08-20所屬分類：免費文獻瀏覽：1次
摘 要： 中國科技論文
《鉆井水力參數對鉆頭優選的影響》論文發表期刊：《中國科技論文》；發表周期：2021年05期
《鉆井水力參數對鉆頭優選的影響》論文作者信息：第一作者：謝靜（1994-），女，碩土研究生，主要研究方向為油氣井工程。通信作者：吳惠梅，講師，主要研究方向為巖石力學在井壁穩定中的應用。
摘要：準噶爾盆地瑪湖區塊三疊系百口泉組地層鉆頭選型困難，嚴重制約著瑪湖區塊致密油的開發進度。針對常規因子分析法優選鉆頭過度注重機械破巖參數而忽略水力參數影響的問題，提出水力參數排量與泵壓同時作為主要因子參與優選鉆頭，并在瑪18井區驗證了純理論最優排量模型，給出了瑪湖區塊百口泉組最佳水力參數范圍，即排量為15~18 L/s，泵壓為18~28 MPa，現場實例證明：在瑪131井區百口泉組地層中，當MS1613和MD513鉆頭排量與泵壓在最佳水力參數范圍內時，其平均機械鉆速分別為5.45m/h和5.96 m/h，比在最佳水力參數范圍外分別高出0.74 m/h和3.55 m/h，平均機械鉆速分別提高了16%和60%，這表明該組最佳水力參數范圍也適合于瑪131井區百口泉組，對瑪湖區塊百口泉組地層現場優選鉆頭具有一定的指導意義。
關鍵詞：因子分析;水力參數;鉆頭優選;機械鉆速;準噶爾盆地
Abstract: Difficulties in bit selection in the Triassic Baikouquan formation of the Mahu block in Junggar basin have seriously restricted the development of tight oil in the Mahu block. According to the conventional factor analysis method, the optimized dril bit only focuses on mechanical rock breaking parameters, while ignoring the effect of hydraulic parameters. It is proposed that displacement and pump pressure are also the main factors to participate in the optimized drill bit. Practice in the Mal8 well area has verified the theoretical optimal displacement model. The optimal range of hydraulic parameters of Baikouquan formation in Mahu block is given, with displacement of 15-18 L/s and pump pressure of 18-28 MPa. Field examples show that when the displacement and pump pressure of MS1613 and MD1513 bit are within the optimal hydraulic parameters range in the Baikouquan for mation in the Mal31 well area, the average mechanical drilling rate is 5. 45 m/h and 5. 96 m/h respectively, which are 0. 74 m/h and 3. 55 m/h higher than those outside the optimal hydraulic parameters range, and the average mechanical drilling rate is increased by 16% and 60% respectively. The results show that the optimal hydraulic parameters range of this formation is also suitable for Baikouquan formation in the Mal31 well area, which has certain guiding significance for optimizing the drilling bit in the formation site of Baikouquan formation in the Mahu block
Keywords: factor analysis; hydraulic parameters; bit optimization; penetration rate; Junggar basin
近年來，國內外對優選鉆頭的關注度逐漸加大，投入的研究力度也隨之增大。隨著鉆頭品種的增多，地層優選鉆頭類型日益受到重視，鉆頭的合理選型對提高鉆進速度、降低鉆井綜合成本起著重要作用[-3]。文獻[4-5]指出：迄今為止，國內外學者就優選鉆頭得出了一系列的選型方法，例如基于神經網絡優選鉆頭、主成分分析法等。但由于影響因素的復雜性，鉆頭選型模型的適用性受到嚴重制約。文獻[6-8]指出，由于常規因子分析法優選鉆頭時過度注重機械破巖參數而忽略水力參數，導致現場使用的鉆頭與所在地層的匹配程度較差，鉆進速度緩慢。
文獻[9-14]指出，水力參數中排量與泵壓的變化對鉆頭鉆進影響重大，在優選鉆頭時，排量與泵壓的影響不應忽視。本文運用因子分析法優選鉆頭，因子分析的可旋轉性使得因子分析的解并不唯一，有利于解釋變量的含義，并且在考慮變量間的內部關系時，也更加貼近實際情況[15]
因此，水力參數的選擇是鉆井的核心問題之一，尤其是水力參數排量與泵壓的改變直接影響到優選鉆頭的最終結果、鉆井的工期乃至工程的成敗。本文針對瑪湖區塊鉆井特點，提出水力參數排量與泵壓作為主要因子參與優選鉆頭，最終給出瑪湖區塊百口泉組地層最佳水力參數排量與泵壓范圍，并現場驗證其可靠性。
1優選鉆頭
1.1區塊概況
新疆油田公司近年來對于準噶爾盆地瑪湖油田進行了重點技術攻關，但是在開發過程中還存在著許多技術瓶頸，尤其是瑪湖區塊三疊系百口泉組地層機械鉆速低下，嚴重制約了瑪湖區塊致密油的開發進度。位于百口泉組的致密砂礫巖儲層物性差，機械鉆速極低，可鉆性變差，一般聚晶金剛石復合片(polycrystalline diamond compact，PDC)鉆頭無法成功穿過底礫巖就會致使鉆頭報廢，因此百口泉組地層將是重點攻關提速層位[-1，基于此，研究瑪湖區塊瑪18井區鉆頭的優選將有助于瑪湖區塊致密油氣井鉆井的提速增效。
1.2 優選分析
首先統計出瑪湖區塊瑪18井區百口泉組的現場鉆頭資料，按照型號和尺寸大小進行歸類整理，建立鉆頭數據庫。鉆頭優選分析的主要參數分別為鉆頭尺寸、進尺、機械鉆速、鉆壓、鉆速、排量和泵壓。
該研究重點內容是對比增添水力參數排量和泵壓后對鉆頭優選結果的影響程度。優選鉆頭的整體流程如圖1所示。
根據圖1所示的鉆頭優選流程，計算得到2種優選結果，分別見表1和表2。對比這2種優選結果發現：在瑪18井區百口泉組地層中，水力參數排量和泵壓的引入導致了最終優選的鉆頭出現差異，由表2結果可知改進優選的鉆頭機械鉆速均高于常規優選的鉆頭;表1和表2中的綜合得分大小代表該只鉆頭的現場使用效果，改進優選的鉆頭綜合得分均高于常規優選的鉆頭。因此可見改進優選的鉆頭更加適合百口泉組，與該地層的匹配程度更高。
為了研究增添水力參數排量和泵壓后對優選鉆頭結果的影響程度，將常規和改進優選鉆頭的機械鉆速及綜合得分進行對比，機械鉆速對比結果如圖2所示，綜合得分對比結果如圖3所示。
由圖2看出，在百口泉組中，改進優選的鉆頭型號出現SF44H3和SD1513這2種不同于常規優選的鉆頭。但是這2種型號的鉆頭相比常規優選鉆頭SF54H3和SF44的機械鉆速分別高出0.73m/h和0.86 m/h.
圖3綜合得分情況表明：水力參數排量和泵壓的引入對優選結果造成影響;當考慮排量和泵壓參與優選時，所選鉆頭得分比常規優選鉆頭得分高，說明改進優選的鉆頭在百口泉組使用效果更佳。
2水力參數影響分析
選擇合理的水力參數是提高機械鉆速的一個重要前提，分析水力參數對優選鉆頭的影響可為現場鉆井提供數據支撐。其中，水力參數排量與泵壓是影響機械鉆速的主要因素。噴射鉆井常規的水力參數優選方法[s]是首先確定計算井深與優選標準，然后對排量進行優選，最后依據排量和壓耗關系得到對應的最優噴嘴截面積。鉆進成本作為衡量鉆進效果好壞的目標函數，該模式的基本點在于鉆進中各種技術措施的組合，只要能取得最低的鉆進成本，則這種措施便是最合理的鉆進措施[)。
2.1 最優排量模型
胡明君等[2]利用多元鉆速模式，結合泥漿泵的工作狀態，以鉆速為目標函數，建立了噴射鉆井的最大鉆速工作方程。其中，關于水力參數影響的最大鉆速方程為
排量變化影響著泥漿泵的工作狀態，在不同泥 漿泵的工作狀態下，泵功率和泵壓隨排量變化的規 律不同，當泥漿泵處于額定泵壓狀態時，Ps=Pr，鉆 頭水功率可以表達為
根據式(4)可計算具體井深處的對應排量大小，此時該排量即為該井深處獲取最大鉆速的最優排量。根據最優排量表達式(式(4))可知，用最大鉆速工作方式優選水力參數排量可以提高鉆速，這說明可通過調整水力參數達到最佳工作狀態。由于最優排量表達式(式(4))僅為理論推導所得，缺乏實踐檢驗，因此，將該模型應用在瑪湖區塊進行實踐檢驗。
2.2排量和泵壓分析
為了檢驗最優排量模型的可靠性，采用瑪18井區的鉆井參數進行分析。收集整理現場鉆頭所使用的鉆井水力參數排量與泵壓，再根據理論模型與瑪18井區現場數據相結合，可反映出機械鉆速、排量及泵壓三者的關系。首先，通過因子分析將優選得到的鉆頭按照機械鉆速大小進行排列;其次，選取大于平均機械鉆速的鉆頭并研究其排量與泵壓的變化范圍;最后，得出瑪18井區最佳排量為15~18 L/s，最佳泵壓為18~28 MPa，具體變化如圖4和圖5所示。
3實例應用
為了驗證給出的最佳水力參數范圍是否對瑪湖其他區塊同樣有效，統計了瑪湖區塊瑪131井區在百口泉組地層現場使用的鉆頭。首先，收集整理瑪131井區百口泉組地層所使用的鉆頭，主要對該層位鉆頭的水力參數排量與泵壓進行分析;其次，將該批鉆頭分成2個部分進行研究，一部分在給出的最佳水力參數范圍內，另一部分則不在給定的水力參數范圍內;最后，整理出每種類型鉆頭的機械鉆速情況，并對比水力參數范圍內外鉆頭的整體平均機械鉆速大小。
瑪131井區百口泉組鉆頭統計結果見表3，可見型號為MS1613，MDI513的鉆頭與瑪18井區優選出的鉆頭相同。
再對比瑪131井區百口泉組最佳水力參數范圍內外鉆頭的平均機械鉆速，如圖6所示，可見當MS1613鉆頭、MD1513鉆頭的排量與泵壓在最佳水力參數范圍內時，其平均機械鉆速分別為5455.96 m/h，比不在最佳水力參數范圍內時分別高出0.74.3.55 m/h，平均機械鉆速分別提高了16%、60%，這表明了最佳水力參數排量為15~18 L/s、最佳泵壓為18~28 MPa也適用于瑪131井區，說明該組最佳水力參數對瑪湖區塊百口泉組地層現場優選鉆頭具有一定參考意義。
4結 論
1)通過現場檢驗純理論推導的最優排量模型證 實了該模型的可靠性，通過調整水力參數達到最佳工作狀態，使其機械鉆速最大化。
2)水力參數排量和泵壓作為主要影響因子對優選鉆頭至關重要，給出的最佳水力參數范圍排量為15-18 L/s，壓為18~28 MPa，適用于瑪湖區塊百口泉組地層，對現場優選鉆頭有一定的指導意義。
3)在瑪18井區百口泉組地層，最佳水力參數范圍內的最低平均機械鉆速比最佳水力參數范圍外高出2.11 m/h，這表明水力參數對機械鉆速的影響較大，在進行鉆頭優選時，排量與泵壓不應忽視。
[參考文獻](References)
[1]張厚美，張良萬，劉天生，鉆頭選型方法研究[J].天然氣工業，1994，14(5)：38-41.
ZHANG H M，ZHANG L.W，LIU T S.Study on the method of selecting bit[J].Natural Gas Industry，1994(5)：38-41.(in Chinese)
[2]張輝，高德利，鉆頭選型通用方法研究[].石油大學學報(自然科學版)，2005(6)：45-49.
ZHANG H，GAO D L.Study on universal method of bit selection[J].Journal of the University of Petroleum，China，2005(6);45-49.(in Chinese)
[3]BRUYAKA V A.A technique of selecting the optimal values of the parameters of the hydraulic monitoring holes of drilling bit[J].Chemical and Petroleum Engineering，2015，51(5/6)：420-425.
[4]彭剛，楊世軍，先齊，輪古區塊深井復雜地層鉆頭選型研究與應用[J].石油鉆采工藝，2011，34(5)：28-30.
PENG G，YANG S J，XIAN Q.Research and application of bit type selection methods in deep complex formation of Lungu block[J].Drilling&.Production Technology，2011，34(5)：28-30.(in Chinese)
[5]于潤橋，劉春緣，楊永利.PDC鉆頭鉆進影響因素分析[J].石油鉆采工藝，2002(2)：31-33.
YU R Q，LIU C Y，YANG Y L.Analysis of influen cing factors of PDC bit drilling[J].Oil Drilling&.Production Technology，2002(2)：31-33.(in Chinese)
[6]李祖光，因子分析在深井鉆頭優選中的應用[J].科技創新導報，2013(12)：96-97，
LI Z G.Application of factor analysis in deep well bit selection[J].Science and Technology Innovation Her ald，2013(12)：96-97.(in Chinese)
[7]王平，影響PDC鉆頭鉆進的因素分析[J].石油鉆采工藝，1998(4)：46-50.
WANG P.Analysis of factors affecting PDC bit drilling J].Oil Drilling&.Production Technology，1998(4)：46-50.(in Chinese)
[8]王文，劉小剛，竇蓬，等，基于神經網絡的深層機械鉆速預測方法[J].石油鉆采工藝，2018，40(S1)：121-124，
WANG W，LIU XG，DOU P，et al.A ROP prediction method based on neutral network for the deep layers[J].Oil Drilling&.Production Technology，2018，40(S1)：121-124.(in Chinese)
[9]馬曉勇，樓一珊，黃萬龍，等，塔河油田托甫臺區塊深部地層鉆頭優選[J].石油天然氣學報，2013，35
(3)：150-152.
MA X Y，LOU Y S，HUANG W L，et al.Optimization of deep formation drill bit in Tuofutai block of Tahe oilfield[J].Journal of Oil and Gas Technology，2013，35(3)：150-152.(in Chinese)
[10]YANG M H.A new approach for oil drilling bit selection with fractal theory[J].Advanced Materials Research，2012，(524/525/526/527)：1227-1231.
[11]朱海燕，王錫洲，劉時英.PDC鉆頭水力學研究最新進展[1].石油鉆采工藝，2009，31(5)：23-28.
ZHU H Y，WANG XZ，LIU S Y.The latest developr ments of the hydraulics research on PDC bit[J].OilDrilling&.Production Technology，2009，31(5)：23-28.(in Chinese)
[12]孫永華，申衡，吳桐，等，慶深氣田鉆頭類型與鉆井參數優選研究[J].鉆采工藝，2007(1)：21-24.
SUN Y H，SHEN H，WU T，et al.Study on drill bit type and optimization of drilling parameters in Qingshen gas field[J].Drilling&.Production Technology，2007(1)：21-24.(in Chinese)
[13]況雨春，馬青松，王勤，等，鉆井水力參數優化方法及應用現狀[J].石油礦場機械，2010，39(7)：1-4.
KUANG Y C，MA QS，WANG Q，et al.Optimization method and application status of drilling hydraulic parameters[J].Oil Field Equipment，2010，39(7)：1-4.(in Chinese)
[14]王寧.PDC鉆頭鉆井鉆井水力參數優選設計探討[J].石油鉆采工藝，1991(2)：15-20.
WANG N.Optimization design of hydraulic parameters for PDC bit drilling[J].Oil Drilling&.Production Technology，1991(2)：15-20.(in Chinese)
[15]張林泉，因子分析中特征向量和主成分的應用研究[J].數學的實踐與認識，2015，45(2)：204-210，
ZHANG I.Q.Application of eigenvectors and principal components based on factor[J].Journal of Mathematics in Practice and Theory，2015，45(2)：204-210.(in Chinese)
[16]路宗羽，趙飛，雷鳴，等，新疆瑪湖油田砂礫巖致密油水平井鉆井關鍵技術[J].石油鉆探技術，2019，47(2)：9-14.
LU Z Y，ZHAO F，LEI M，et al.Key technologies for drilling horizontal wells in glutenite tight oil reservoirs in the Mahu oilfield of Xinjiang[J].Petroleum Drilling Techniques 2019，47(2)：9-14.(in Chinese)
[17]王海濤，張偉，王國斌，等，準爾盆地環瑪湖凹陷鉆井提速技術[J].石油鉆采工藝，2014，36(4)：30-33.
WANG H T.ZHANG W，WANG G B，et al.ROP enhancing technology for circum-mahu lake depression in Junggar basin[J].Oil Drilling&.Production Technology，2014，36(4)：30-33.(in Chinese)
[18]AL-RASHIDI A F，BILGESU H I.AMINIAN K.et al.A new approach for drill-bit selection[J].Jour nal of Petroleum Technology，2000，52(12)：27-28.
[19]陳庭根，管志川，鉆井工程理論與技術[M].東營：石油大學出版社，2000：133-136.
CHEN T G.GUAN Z C.Drilling engineering theory and technology[M].Dongyin：University of Petroleum Publishing House，2000：133-136.(in Chinese)
[20]胡明君，李業紅，噴射鉆井最大鉆速工作方式的探討[J].鉆采工藝，1993(3)：13-17，
HU M J，LI Y H.Discussion on the working mode of maximum drilling speed of jet drilling[J].Drilling&.Production Technology，1993(3)：13-17.(in Chinese)
