基于相關系數法的潿西南凹陷潛山地層提速技術

馬濤 張超 王巍 韓成 魏佳

中海石油（中國）有限公司湛江分公司 廣東 湛江 524057

南海西部北部灣盆地潿西南凹陷的勘探開發逐步邁向深層，而深部潛山地層以灰巖為主，地層硬度大，對鉆井參數敏感性高，機械鉆速慢，導致鉆井周期長，鉆井成本高。提高機械鉆速以降低鉆井周期，是解決制約經濟勘探開發的有效手段。但鉆井參數數據量大，種類多，需要綜合分析評價潛山地層難鉆原因。業內主要采用聚晶金剛石復合片鉆頭（PDC鉆頭）與輔助提速、破巖工具相配合，進行深部潛山地層提速[1-4]，本文基于相關系數法，分析影響潛山地層難鉆的主控因素，推薦合理鉆井參數，并結合鉆頭優化設計和提速工具選用，提出針對性的提速措施。

1 北部灣盆地潛山地層巖性特點和提速要求

北部灣盆地潿西南凹陷前古近系潛山巖性以褐灰色灰巖、白云質灰巖為主，局部富含泥質紋層；基巖巖性以下石炭統灰巖、泥質灰巖及白云巖為主；風化帶巖性以砂礫巖、粗砂巖為主，夾少量灰巖，砂礫巖中常含白堊[5]。通常井身結構設計將其和上部長流組作為同一井段，長流組以褐紅色厚層狀砂礫巖、粗砂巖為主，夾褐紅色泥巖、粉砂質泥巖，該地層抗壓強度達到6000～14000psi，硬度大，機械鉆速慢，且有一定的非均質性，見圖1、圖2。鉆頭優選要求抗研磨性強，并兼顧一定攻擊性，增加鉆頭吃入地層能力。鉆井參數選擇則既要保證鉆頭有效吃入，同時要延長鉆頭使用壽命。

圖1 潿西南凹陷典型潛山井地層抗壓強度

圖2 潿西南凹陷典型潛山井地層抗壓強度和機械鉆速

2 機器學習優選鉆井參數

鉆井過程中會產生大量的鉆井參數，分析鉆井參數和機械鉆速的關系，找出主控因素，有利于采用合理鉆井參數提高機械鉆速。但由于鉆井參數數量和種類多，機械鉆速影響因素復雜，現場觀察難以找到影響趨勢。基于現場大數據，通過機器學習能夠以圖表和數值的形式直觀體現并量化各個特征值間的相關性大小，分析機械鉆速和鉆井參數關系，并進行優化以提高機械鉆速[6]。

相關系數（Correlation Coefficient）是一項用來反映變量之間關系密切程度的統計指標，計算上以兩變量與各自平均值的離差為基礎，通過兩個離差相乘來反映變量之間的相關度。相關系數值的變化范圍在-1到+1之間且可以是此范圍內的任何值。當相關系數值達到+1的時候，表示這兩個變量間完全正相關；當值為0時，表示這兩個變量無關，且值越接近0，兩變量的關聯程度越弱；當值為-1時表示這兩個變量完全負相關（即其中一個變量增加時，另一個變量減少），且值越接近-1，兩變量的負相關性越大。

相關系數的計算公式為：

其中rxy表示樣本相關系數，Sxy表示樣本協方差，Sx表示x的樣本標準差，Sy表示y的樣本標準差。

其中協方差Sxy和樣本標準差Sx和Sy的計算公式如下：

由于是樣本協方差和樣本標準差，因此分母均為n-1。

對潛山灰巖地層鉆井參數與機械鉆速進行相關分析，熱力圖如圖3所示。

圖3 鉆井參數與機械鉆速相關性分析結果

由圖3所示，潛山灰巖地層鉆壓、轉速、排量、扭矩與機械鉆速呈正相關，其中鉆壓、轉速和排量相關性較大。主要原因在于，高鉆壓可以增加鉆頭對地層的吃入和剪切力度，提高轉速可以增加單位時間破壞巖石的速度，高排量有利于加快將鉆屑帶離井底，減少重復切削。因此，潿西南凹陷潛山地層的提高機械鉆速方向為盡可能的提高鉆壓和轉速，并提高排量。由表1可知：盡管灰巖基體強度較高，但由于潛山風化帶是由淋濾、溶蝕、構造、充填等作用形成，發育溶洞、裂縫、砂礫（巖）填充物、網狀方解石脈，對鉆頭總體磨損并不強。

表1 潿西南潛山灰巖部分地層鉆頭出井磨損情況

表2 應用井和鄰井對比情況

3 潿西南潛山灰巖地層提速措施

根據相關性分析，提高鉆壓、轉速和排量是提高潛山灰巖機械鉆速的有效途徑。結合現場情況和現有手段，提出以下3項提速措施和配套工具優化：

強化鉆井參數：將鉆壓從3 0 k l b s 提高到40klbs，轉速從60～80rpm提高到120rpm，排量從1800lpm提到2000lpm（8.5”井眼）。

優選提速工具：使用復合沖擊器見圖4，將鉆井液水力能量轉換為80%的周向和20%的軸向復合沖擊能量，在加大鉆壓同時可以緩沖鉆頭沖擊，更好保護鉆頭；工具采用一體化設計，大幅縮短工具與鉆頭總長度，更適用于定向鉆井；減少鉆柱憋鉆和跳鉆現象，降低管柱疲勞；消除黏滑效應，有利于鉆頭均勻切削；現場應用發現復合沖擊器可以減少起下鉆次數，節約鉆井成本。

圖4 復合沖擊器

優化鉆頭：設計13mm齒6刀翼PDC鉆頭見圖5，前排選用抗沖擊性更強的斧形齒，并提高布齒密度，后排選用錐形齒。后排錐型齒配合工具高頻軸向沖擊敲擊破巖，前排斧形齒配合工具周向高頻沖擊犁削地層，鉆頭吃入地層更高效，綜合破巖效率高，同時能夠有效降低鉆進扭矩，鉆頭在井底工作更平穩。

圖5 13mm齒6刀翼鉆頭

4 應用效果

根據鉆頭優選和提速工具設計鉆具組合：8-1/2″ 13mm齒6刀翼PDC鉆頭+6-1/2″復合沖擊器+6-1/2″浮閥+8-3/8″倒劃眼扶正器+8-1/2″短鉆鋌+8-1/2″倒劃眼扶正器+6-1/2″鉆鋌+6-3/4″震擊器+5-1/2″加重鉆桿+5-1/2″鉆桿，試用于WZ11-X井，入井深度3040m，出井深度3640m，機械鉆速19m/h，出井鉆頭API磨損評級為：1-1-WT-A-X-I-NO-TD，見圖6。該井在潛山層位相比于WZ11-Y井機械鉆速提高41%，提速效果良好。

圖6 WZ11-X井潛山層位出井鉆頭照片

5 結束語

潿西南灰巖基體強度較高，但由于微裂縫和溶洞發育，對鉆頭總體磨損并不強，可通過強化鉆井參數提高機械鉆速；

分析機器學習結果，潿西南凹陷灰巖鉆壓、轉速、排量、扭矩與機械鉆速呈正相關，其中鉆壓、轉速和排量相關性較大，可作為提高機械鉆速優先選擇；

復合沖擊器將鉆井液水力能量轉換為80%的周向和20%的軸向復合沖擊能量施加給鉆頭，可以提高破巖效率，適當保護鉆頭，有利于提高潿西南凹陷潛山地層的機械鉆速；改進的13mm齒、6刀翼PDC鉆頭對潿西南凹陷潛山地層有良好的提速作用。