基于因子分析法的玉北區(qū)塊鉆頭優(yōu)選及應(yīng)用*

程昊禹 張艷 樓一珊 謝靜 劉哲

(長江大學(xué)石油工程學(xué)院)

0 引 言

隨著鉆井工藝技術(shù)的不斷進步、材料和機械制造工業(yè)的發(fā)展以及各種新技術(shù)在鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造上的應(yīng)用[1-3]，鉆頭的設(shè)計、制造和使用都有了很大的發(fā)展，鉆頭的品種和使用范圍都在不斷擴大，鉆頭的技術(shù)和經(jīng)濟指標在不斷提高。然而在鉆井過程中，由于影響鉆頭合理使用的因素很多，如鉆頭類型、鉆進參數(shù)、鉆井液性能和操作工藝等，鉆頭選型方法的研究仍然是鉆井工程中的一個重要課題[4]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者就鉆頭優(yōu)選得出了一系列方法，但由于影響因素的復(fù)雜性，鉆頭選型模型的適用性受到嚴重制約。現(xiàn)有文獻指出，在井底充分清潔的條件下,鉆頭類型與地層的匹配程度占鉆速總變異的85%以上，其中射流速度是影響PDC鉆頭機械鉆速的主要因素，鉆井工藝中機械破巖參數(shù)(鉆壓和鉆速)的配合已降至次要地位[5]。機械鉆速隨鉆頭水功率的增加而升高，隨后再增大鉆頭水功率，機械鉆速基本無上升趨勢；立管壓力和排量也不能無限增大，需要結(jié)合實際地層的特點考慮變化范圍[5-7]。現(xiàn)場使用的鉆頭與所鉆地層的匹配程度較差，導(dǎo)致鉆井速度緩低，有學(xué)者在常規(guī)優(yōu)選鉆頭的基礎(chǔ)上對因子選取進行補充，考慮了水力參數(shù)對鉆頭選型的影響[8-14]。

本文采用因子分析方法對吐哈盆地玉北區(qū)塊實鉆鉆頭進行了選型，選型中增添了水力參數(shù)(排量、立管壓力、噴射速度及鉆頭水功率)作為影響因子，并與僅考慮破巖參數(shù)作為優(yōu)選鉆頭結(jié)果進行對比，分析了增添水力參數(shù)后對鉆頭選型產(chǎn)生的影響。

1 鉆頭選型

1.1 區(qū)域概況

玉北區(qū)塊位于吐哈盆地，其中桃東溝組及以下地層機械鉆速低，開發(fā)進度緩慢。梧桐溝組儲層物性差，克拉瑪依組中上部泥巖強度低，可鉆性較好，但進入克拉瑪依組較厚底礫巖后，可鉆性變差，一般PDC鉆頭無法成功穿過底礫巖，可能使鉆頭報廢，因此深部地層將是重點攻關(guān)提速層位[15]。基于此，筆者以深部地層特性研究為基礎(chǔ)，開展鉆頭優(yōu)選研究，以解決超深井提速技術(shù)瓶頸，為進一步掌握吐哈盆地玉北區(qū)塊深部地層特性，制定安全高效的鉆井技術(shù)方案提供支撐。

該區(qū)塊自下而上發(fā)育為二疊系桃東溝群、下蒼房溝群，三疊系上蒼房溝群、小泉溝群，侏羅系水西溝群、三間房組、七克臺組、齊古組、喀拉扎組，白堊系吐谷魯群、庫木塔克組及新生界地層。其中桃東溝組地層的巖性橫向變化較大，縱向夾層多，砂礫巖粒徑大小不均勻，鉆頭選型十分不易[16-19]。因此，桃東溝組及以下地層的鉆頭選型研究十分關(guān)鍵。

1.2 選型對比

統(tǒng)計玉北區(qū)塊現(xiàn)場所有鉆頭資料，按照同一地層、同一尺寸的鉆頭進行歸類整理并建立數(shù)據(jù)庫，為鉆頭選型做準備。通過相關(guān)資料歸納整理得出鉆頭常規(guī)優(yōu)選結(jié)果，如表1所示。添加水力參數(shù)后鉆頭改進優(yōu)選結(jié)果如表2所示。表2中Q表示排量，ps表示立管壓力，v1表示噴射速度，P表示水功率。對比兩種優(yōu)選結(jié)果發(fā)現(xiàn)，增添了水力參數(shù)導(dǎo)致最終優(yōu)選的鉆頭類型發(fā)生改變，從克拉瑪依組至桃東溝組每一層位優(yōu)選的兩種鉆頭類型中，都有不同的鉆頭型號產(chǎn)生。

對比常規(guī)優(yōu)選和改進優(yōu)選的鉆頭型號，結(jié)果如圖1所示。改進優(yōu)選的GT55DK、GT65DS和U419S 3種型號鉆頭的機械鉆速均高于常規(guī)優(yōu)選的3種型號鉆頭。對于主要層位，克拉瑪依組改進后優(yōu)選的鉆頭機械鉆速比常規(guī)優(yōu)選的鉆頭機械鉆速高出2.73 m/h，梧桐溝組高出3.51 m/h，桃東溝組高出1.86 m/h。由此可以得出，改進后優(yōu)選的鉆頭更加適合該地層，其鉆頭與該區(qū)塊的匹配程度優(yōu)于常規(guī)優(yōu)選出的鉆頭。

表1 玉北區(qū)塊鉆頭常規(guī)優(yōu)選結(jié)果Table 1 Conventional bit selection in Yubei block

表2 玉北區(qū)塊改進優(yōu)選鉆頭結(jié)果Table 2 Improved bit selection in Yubei block

圖1 鉆頭常規(guī)優(yōu)選與改進優(yōu)選結(jié)果對比Fig.1 Comparison of results of conventional and improved bit selection

2 機械鉆速與水力參數(shù)的關(guān)系

選擇合理的水力參數(shù)是提高鉆井速度的一個重要前提，分析增添水力參數(shù)對鉆頭優(yōu)選的影響可為現(xiàn)場鉆井提供數(shù)據(jù)支撐[20-22]。研究鉆頭選型的目的是實現(xiàn)提速增效，因此弄清水力參數(shù)如何影響機械鉆速至關(guān)重要。水力參數(shù)中排量、立管壓力、噴射速度和鉆頭水功率對機械鉆速影響較大[23-26]。為此，針對改進優(yōu)選的鉆頭做具體分析，控制單一變量分析4個水力參數(shù)是如何對機械鉆速產(chǎn)生影響的。例如桃東溝組型號為U419S的鉆頭，在鉆壓、鉆速、排量、噴射速度及鉆頭水功率一定時，機械鉆速v隨立管壓力的變化曲線如圖2所示。

由圖2可知：機械鉆速隨立管壓力的增大而升高，與立管壓力呈線性關(guān)系；立管壓力從19 MPa升至29 MPa時，機械鉆速提升了3.05 m/h，在立管壓力達到29 MPa時，機械鉆速出現(xiàn)最大值6.33 m/h。

圖2 桃東溝組機械鉆速隨立管壓力的變化曲線Fig.2 Variation of ROP with standpipe pressure in Taodonggou Formation

同樣位于桃東溝組，保持鉆壓、轉(zhuǎn)速、立管壓力、噴射速度及鉆頭水功率一定時，機械鉆速隨排量的變化曲線如圖3所示。由圖3可知：機械鉆速隨著排量增加而上升，與排量呈二次多項式關(guān)系；排量從14 L/s增大至18 L/s，機械鉆速升高2.36 m/h，當(dāng)排量為18 L/s時，機械鉆速達到最大值6.33 m/h。

圖3 桃東溝組機械鉆速隨排量的變化曲線Fig.3 Variation of ROP with displacement in Taodonggou Formation

當(dāng)鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、立管壓力及鉆頭水功率一定時，噴射速度對機械鉆速的影響如圖4所示。由圖4可知：隨著噴射速度加快，機械鉆速呈指數(shù)上升；噴射速度從42 m/s變化至66 m/s，機械鉆速上升2.4 m/h；當(dāng)噴射速度為66 m/s，機械鉆速達到最大值6.31 m/h。由于桃東溝組砂礫巖儲層含泥巖夾層，在水平段鉆遇泥巖易垮塌和發(fā)生卡鉆事故，分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)噴射速度在58～66 m/s時，該組不曾出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象。

圖4 桃東溝組機械鉆速隨噴射速度的變化曲線Fig.4 Variation of ROP with jet velocity in Taodonggou Formation

當(dāng)鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、立管壓力和噴射速度一定時，鉆頭水功率對機械鉆速的影響如圖5所示。由圖5可知:隨著鉆頭水功率增大，機械鉆速呈對數(shù)增長；鉆頭水功率從29.85 kW升至58.63 kW，機械鉆速升高3.06 m/h；當(dāng)鉆頭水功率為58.63 kW時，機械鉆速達到最大值6.31 m/h。

圖5 桃東溝組機械鉆速隨鉆頭水功率的變化曲線Fig.5 Variation of ROP with bit hydraulic horsepower in Taodonggou Formation

根據(jù)改進優(yōu)選鉆頭的機械鉆速以及對應(yīng)的水力參數(shù)關(guān)系，可得出每一地層的最佳水力參數(shù)，給出的最佳鉆井水力參數(shù)可為相同地層區(qū)塊的鉆井作業(yè)提供數(shù)據(jù)支撐。克拉瑪依組和梧桐溝組水力參數(shù)與機械鉆速之間變化的規(guī)律同桃東溝組一致，同理可給出相對應(yīng)的最佳鉆井水力參數(shù)，如表3所示。

表3 克拉瑪依組和梧桐溝組最佳鉆井水力參數(shù)Table 3 The optimal hydraulic parameters for Karamay Formation and Wutonggou Formation

3 現(xiàn)場應(yīng)用

為了驗證給出的最佳水力參數(shù)是否有效，選擇鄰近區(qū)塊相同層位的LJ-1和LJ-2井作為對比，以YB-1井作為試驗井，即在YB-1井上使用給出的最佳水力參數(shù)進行鉆井。此外，在鉆頭選型時保持鉆進參數(shù)(鉆壓、轉(zhuǎn)速)不變，僅鉆井水力參數(shù)在給定的范圍內(nèi)優(yōu)選。最后與相同層位的鄰井實鉆數(shù)據(jù)進行對比，結(jié)果見表4。

表4 試驗井與鄰井實鉆數(shù)據(jù)對比Table 4 Comparison of actual drilling data between test wells and offset wells

由表4可以看出：3個地層均是試驗井(YB-1井)的機械鉆速最高，鄰井(LJ-1和LJ-2井)機械鉆速最低；在克拉瑪依組試驗井平均機械鉆速為7.12 m/h，鄰井整體平均機械鉆速為5.32 m/h，前者提高了25.35%；在梧桐溝組試驗井平均機械鉆速為6.62 m/h，鄰井平均機械鉆速4.86 m/h，前者提高了26.58%；在桃東溝組試驗井平均機械鉆速為4.51 m/h，鄰井平均機械鉆速為3.49 m/h，前者提高了22.61%。

4 結(jié) 論

(1)本文基于因子分析法對常規(guī)的鉆頭選型做了補充，增添了水力參數(shù)(排量、立管壓力、噴射速度和鉆頭水功率)作為影響因子。分析了鉆井水力參數(shù)對機械鉆速產(chǎn)生的影響，得出一套適合玉北區(qū)塊深部地層的鉆井水力參數(shù)范圍。其中機械鉆速與立管壓力呈線性關(guān)系，與排量呈二次多項式關(guān)系，與鉆頭水功率呈對數(shù)關(guān)系，與噴射速度呈指數(shù)關(guān)系。

(2)應(yīng)用給定的鉆井水力參數(shù)在YB-1井進行了試驗，試驗結(jié)果表明，克拉瑪依組、梧桐溝組和桃東溝組平均機械鉆速分別達到7.12、6.62和4.51 m/h，與鄰井同一地層相比分別提高了25.35%、26.58%和22.61%。