馬曉勇，樓一珊，黃萬龍 （長江大學(xué)油氣鉆采工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長江大學(xué)石油工程學(xué)院，湖北 武漢430100）

朱亮，李忠慧

張藝馨 （長江大學(xué)地球環(huán)境與水資源學(xué)院，湖北 武漢430100）

塔河油田是塔里木盆地迄今發(fā)現(xiàn)的最大整裝油氣田，其主要鉆探目的層位為三疊系、石炭系與奧陶系。從資料分析看，其鉆井施工具有如下特點(diǎn)：儲層埋藏深度大，井眼長；二疊系以下地層機(jī)械鉆速低。這嚴(yán)重影響了井下安全鉆進(jìn)，并制約了鉆井效率和勘探開發(fā)質(zhì)量。因此，對該區(qū)域進(jìn)行鉆頭優(yōu)選對于有針對性地制定鉆井技術(shù)措施、形成優(yōu)快鉆井技術(shù)具有重要意義。

1 鉆頭分段優(yōu)選研究

對塔河油田托甫臺區(qū)塊98口井的鉆頭按照不同層段進(jìn)行型號、尺寸、鉆速、鉆時(shí)、進(jìn)尺、鉆進(jìn)地層、生產(chǎn)廠家等相關(guān)信息的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：上部地層井眼較淺，地層容易鉆進(jìn)，鉆頭普遍進(jìn)尺大，機(jī)械鉆速快，表層第四系Q段內(nèi)平均機(jī)械鉆速達(dá)到60.16m/h，庫車組段內(nèi)平均機(jī)械鉆速為30.24m/h；而對于二疊系以下深部地層，鉆井深度較大，目的層奧陶系地層埋深平均在6000m以上，平均機(jī)械鉆速低，在1.0～2.0m/h之間。

在鉆井現(xiàn)場進(jìn)行鉆頭優(yōu)選時(shí)，對于上部淺層和下部深層所考慮的因素是不同的，表層主要考慮機(jī)械鉆速，而下部地層在考慮機(jī)械鉆速的同時(shí)還要考慮鉆頭進(jìn)尺、磨損情況等因素。因此，不適合采用單一方法完成鉆頭選型，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取分段優(yōu)選法：在表層采用機(jī)械鉆速法[1]進(jìn)行鉆頭優(yōu)選，而在下部地層則運(yùn)用主成分分析法[2，3]優(yōu)選鉆頭。

1.1 機(jī)械鉆速法

機(jī)械鉆速是指鉆井中鉆頭在單位時(shí)間內(nèi)的鉆進(jìn)進(jìn)尺[4]，計(jì)算公式如下：

式中：v為機(jī)械鉆速，m/h；L為收集整理的該層位所有使用的鉆頭進(jìn)尺之和，m；t為收集整理的該層位所有使用鉆頭純鉆時(shí)間之和，h。

機(jī)械鉆速法就是用某一鉆頭的機(jī)械鉆速與段內(nèi)所用全部鉆頭的平均機(jī)械鉆速相比，顯然大于該層位平均機(jī)械鉆速的鉆頭使用效果較好，其他的鉆頭使用效果相對較差。對于淺部地層，適合應(yīng)用機(jī)械鉆速法選擇鉆頭。

1.2 主成分分析法

主成分分析是把分析問題所需的變量綜合在一起，把給定的一組變量線性變換成一組新變量，盡量多地考慮可能會對分析結(jié)果造成影響的因素，達(dá)到綜合評價(jià)的目的。主成分分析法優(yōu)選鉆頭就是同時(shí)選取多個(gè)鉆頭使用參數(shù)作為評價(jià)的指標(biāo)，綜合評價(jià)鉆頭的使用效果。為了提高結(jié)果的可比性，比較所用的數(shù)據(jù)應(yīng)相同，即地層層位相同、巖性相同、鉆頭尺寸相同。把所求得的主分量按其貢獻(xiàn)率綜合成一個(gè)新的綜合指標(biāo)F，它可以全面反映鉆頭在鉆進(jìn)期間的使用效果：鉆頭的F值越大，則說明該鉆頭的使用效果越好，反之則說明鉆進(jìn)效果越差。如果一種鉆頭重復(fù)出現(xiàn)，則應(yīng)對其綜合指標(biāo)求平均值，這樣就可以評價(jià)出這種鉆頭在該地區(qū)的使用效果。該指標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中：ei為方差貢獻(xiàn)率；Fi為第i個(gè)主成分。

2 實(shí)例應(yīng)用

依據(jù)上述原理，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，主要針對二疊系及以下地層鉆進(jìn)難度大、機(jī)械鉆速低等問題，進(jìn)行鉆頭優(yōu)選分析。應(yīng)用Matlab軟件對該構(gòu)造鉆頭進(jìn)行了主成分分析，所采用的主要參數(shù)是進(jìn)尺、平均機(jī)械鉆速、純鉆時(shí)間、使用個(gè)數(shù)等，結(jié)果如表1所示。

表1 使用鉆頭的主成分分析結(jié)果

按層位對托甫臺區(qū)塊可鉆性級值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，表2列出了二疊系及二疊系以下地層牙輪鉆頭和PDC鉆頭的可鉆性級值，并對地層的軟硬程度進(jìn)行了劃分。根據(jù)巖石可鉆性級值以及巖石力學(xué)參數(shù)，依據(jù)IADC編碼[4，5]的要求，歸納總結(jié)出了與地層特性相對應(yīng)鉆頭的IADC編碼，結(jié)果如表2所示。

表2 托甫臺地區(qū)地層可鉆性級值及推薦使用鉆頭

把托甫臺地區(qū)各層位優(yōu)選出來的鉆頭與表2所推薦的鉆頭進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)推薦的鉆頭中包含本方法優(yōu)選的鉆頭。據(jù)此，選擇出適用于二疊系及二疊系以下地層使用的鉆頭：MS1952SS、HA517G、FS2563BG、MS1952SS、HJ517G、HJ517L、FM3643Z。

使用上述方法優(yōu)選的鉆頭，2012上半年完鉆的5口井與2012年以前所鉆井的鉆井周期對比發(fā)現(xiàn)，二疊系以下地層鉆井周期比以往減少了7.22%，使用效果較好，節(jié)省了鉆井成本，提高了鉆井效率。

3 結(jié) 論

1）針對不同深度的地層，采用不同的鉆頭選型方法，分段優(yōu)選法適用于該地區(qū)地層特性。

2）優(yōu)選出的鉆頭在托甫臺地區(qū)取得了較好的鉆進(jìn)效果?，F(xiàn)場使用效果表明，所選鉆頭提高了機(jī)械鉆速，有效縮短了鉆井周期。

[1]張輝，高德利 .鉆頭選型通用方法研究 [J].石油大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2005，29（6）：45～49.

[2]張輝，高德利 .用主成分投影法評價(jià)和優(yōu)選鉆頭 [J].石油鉆探技術(shù)，2006，34（1）：39～41.

[3]夏宏南，孫繼明，王小建，等 .主成分鉆頭評價(jià)方法的研究 [J].西部探礦工程，2005，17（11）：161～162.

[4]陳庭根，管志川 .鉆井工程理論與技術(shù) [M].東營：中國石油大學(xué)出版社，2000.

[5]《鉆井手冊 （甲方）》編寫組 .鉆井手冊 （甲方）[M].北京：石油工業(yè)出版社，1990.