艾池，徐海粟，馮福平 （提高油氣采收率教育部重點實驗室（東北石油大學(xué)），黑龍江 大慶163318）

李靜 （中石油大慶油田有限責任公司第一采油廠，黑龍江 大慶163001）

李玉偉，趙萬春 （提高油氣采收率教育部重點實驗室（東北石油大學(xué)），黑龍江 大慶163318）

巖石研磨性是進行鉆頭結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)選、確定鉆井消耗和合理起下鉆時機的重要依據(jù)。目前巖石研磨性的確定方法主要有2種：一種是通過室內(nèi)研磨性試驗測定，室內(nèi)測定結(jié)果能夠反映巖石的礦物組成和膠結(jié)特性對鉆頭的摩擦磨損機理及磨損規(guī)律，但無法體現(xiàn)井下復(fù)雜工況下巖石對鉆頭的磨損性能，由于室內(nèi)試驗與現(xiàn)場條件下巖石對鉆頭的磨損機理不同，使得室內(nèi)研磨性評價結(jié)果與現(xiàn)場實際研磨性差距很大；另一種是通過現(xiàn)場實際鉆頭磨損情況反演巖石研磨性，該方法需要大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出，由于無法體現(xiàn)巖石的特性對鉆頭磨損的機理，故而具有較大的應(yīng)用局限性。現(xiàn)場鉆頭磨損是在巖石中的硬質(zhì)礦物對鉆頭的摩擦磨損、沖擊振動、熱應(yīng)力以及疲勞磨損的共同控制下發(fā)生的，評價巖石的研磨性需要綜合考慮這些因素的共同影響。

筆者針對室內(nèi)試驗和現(xiàn)場研磨性所反映出的各自的缺陷，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法綜合考慮了巖石自身性能和鉆頭使用條件對其研磨性的影響，提出了通過室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)確定現(xiàn)場巖石研磨性的方法，更真實地反映井下工況條件下巖石對鉆頭的磨損性能。

1 室內(nèi)試驗測量研磨性的方法與研磨機理分析

室內(nèi)巖石研磨性測定方法大致可分為標準件測定法、磨削法、摩擦磨損法以及微鉆頭鉆進法［1］。標準件測定法、磨削法、摩擦磨損法都是通過一定的標準件或硬質(zhì)材料，在穩(wěn)定的接觸壓力和轉(zhuǎn)速下，計算出單位時間內(nèi)標準件的磨損質(zhì)量或體積來表征巖石的研磨性，這幾種方法無法反映具有特殊結(jié)構(gòu)外形的鉆頭與巖石的研磨特征。微鉆頭鉆進法采用小尺寸鉆頭模擬鉆進，在固定的鉆進參數(shù)下，測出給定時間內(nèi)鉆頭切削刃的外形磨損。相較于其他方法，微鉆頭鉆進法能夠較好地模擬現(xiàn)場實際鉆井過程。

室內(nèi)試驗巖石與研磨工具接觸摩擦?xí)r，二者的微凸體相互接觸，研磨工具在巖石的堅硬礦物顆粒的研磨下，達到物體的極限強度，使工具表面的材料以微粒的形式“脫?！毕聛?。由于被研磨下來的微粒可被清水沖洗帶走，不參與工具和巖石表面間的磨損工作，故鉆磨完成后，工具磨損面呈拋光的形式，表現(xiàn)為受力穩(wěn)定、摩擦均勻的摩擦磨損，這種摩擦磨損恰好能夠反映巖石的礦物組成和膠結(jié)特性對工具的磨損特征及機理［2］。

圖1 室內(nèi)微牙輪鉆頭

圖2 微PDC鉆頭磨損表面

圖3 牙輪鉆頭牙齒磨損及崩齒

由于室內(nèi)研磨環(huán)境較為穩(wěn)定，受力相對均勻，磨損時間較短，很難形成因長時間研磨才會造成的疲勞磨損，或者因散熱不良造成的熱損傷以及沖擊磨損。室內(nèi)微牙輪鉆頭磨損（圖1）產(chǎn)生了相對均勻的摩擦磨損，無沖擊作用造成的斷齒和掉齒現(xiàn)象。微PDC鉆頭（圖2）由于硬度較高，牙齒磨損量非常小，無疲勞磨損、脆性碎裂產(chǎn)生的崩齒（圖3）以及熱損傷形成的石墨化現(xiàn)象（圖4）發(fā)生，即室內(nèi)試驗巖石對鉆頭的磨損機理主要為相對平穩(wěn)的摩擦磨損。

圖4 PDC鉆頭切削齒石墨化、碎裂及胎體磨損

2 現(xiàn)場測量巖石研磨性的方法與研磨機理分析

對比室內(nèi)的微牙輪鉆頭與微PDC鉆頭，在油田現(xiàn)場這2種鉆頭在工作條件與研磨機理上和室內(nèi)試驗有著很大差別。在現(xiàn)場這2種鉆頭都受到與室內(nèi)試驗形式相同的摩擦磨損，但除此之外，由于油田現(xiàn)場地質(zhì)條件復(fù)雜，現(xiàn)場巖石大都是非均質(zhì)的，巖石中可能含有大塊的石英顆粒，會導(dǎo)致鉆頭在旋轉(zhuǎn)鉆進過程切削井底巖石時，造成受力不均，產(chǎn)生多種無規(guī)律有害的橫向振動、縱向振動、扭轉(zhuǎn)振動及各種耦合作用，造成沖擊疲勞效應(yīng)或者局部高溫。同時鉆頭破碎巖石產(chǎn)生的巖粉在沖洗液攜帶下對胎體及牙齒產(chǎn)生了沖蝕研磨作用，加速了鉆頭的磨損［3］。

牙輪鉆頭磨損的主要形式是井底清洗效果差，重復(fù)破碎牙齒，產(chǎn)生疲勞剝蝕和氧化；另外由于非常規(guī)的井眼或井斜原因造成鉆柱異常振動，高溫下產(chǎn)生的顆粒脫落。牙輪鉆頭牙齒主要是由碳化鎢及鈷組成。在摩擦功不大的情況下，碳化鎢只能產(chǎn)生疲勞剝蝕和氧化。在摩擦功較大的情況下，摩擦產(chǎn)生高溫，使鈷的硬度下降，無法很好地膠結(jié)碳化鎢，造成碳化鎢顆粒脫落。而脫落的碳化鎢顆粒在巖石與鉆頭的孔隙內(nèi)進一步地刻劃硬質(zhì)合金表面，導(dǎo)致硬質(zhì)合金磨損［4］。如圖3所示，牙輪鉆頭在研磨性地層內(nèi)鉆進時，常會發(fā)生鉆頭縮徑，雖然內(nèi)排齒磨損不嚴重，但外排齒和背錐齒嚴重磨損。牙輪鉆頭表現(xiàn)為齒高變短，牙齒變細，個別牙齒崩斷，在現(xiàn)場施工中容易產(chǎn)生跳鉆。

金剛石磨損的主要形式是摩擦過程中的熱損傷、機械振動作用下的碎裂和剝蝕、以及胎體過度磨損后的金剛石脫落［5］。當金剛石破碎巖石時，由于與巖石直接劇烈摩擦，產(chǎn)生大量的熱及大量巖粉。部分位于金剛石前端被壓實的巖粉不能立即被沖洗液沖走，導(dǎo)致散熱不良，金剛石刃尖溫度升高，高溫造成熱損傷，使金剛石石墨化。隨著鉆進的繼續(xù)進行，石墨脫落，露出的金剛石受高溫繼續(xù)石墨化。金剛石內(nèi)部本就存在的內(nèi)部顯微缺陷裂紋，在切向力的作用下，不斷承受張應(yīng)力而誘發(fā)裂紋發(fā)育，逐漸向金剛石外表連貫，產(chǎn)生了脆性碎裂。在鉆頭鉆進的過程中，由于被金剛石破碎下來的巖粉顆粒在鉆頭或沖洗液的帶動下不斷磨損或沖刷胎體表面的黏結(jié)金屬，使得黏結(jié)金屬首先被磨掉，金剛石顆粒裸露在外，得不到胎體的保護而脫落。脫落的金剛石顆粒留在巖石與金剛石所鉆的縫隙中，繼續(xù)研磨胎體，加劇金剛石的脫落。由圖4可以看出，現(xiàn)場PDC鉆頭牙齒有脆性裂紋的產(chǎn)生，同時牙齒表面被磨出許多平行于運動方向的溝槽，通常認為這是金剛石產(chǎn)生石墨化磨損的表現(xiàn)，胎體雖未脫落，但是已有明顯的刮痕。

現(xiàn)場施工時，隨著井深的增加，巖石性質(zhì)的改變，鉆頭切削刃磨損加劇，選取的鉆井參數(shù)以及水力參數(shù)也在變化。不同鉆壓、轉(zhuǎn)速以及水力參數(shù)對研磨性的影響是不同的。對比表1中的巖樣1和巖樣4可知，轉(zhuǎn)速越大，研磨性越小。對比巖樣2和巖樣3可知，鉆壓越大，研磨性越大。對比巖樣1和巖樣5可知，巖樣1鉆壓、轉(zhuǎn)速均小于巖樣5，但研磨性卻十分接近。這是由于單一因素對研磨性的影響權(quán)重是不相同的，每個因素對研磨性的影響并不一定能通過線性方程表示出來。當多個因素同時改變時，各單一因素影響比重不同，且各因素之間也可能存在相互影響的關(guān)系，因而很難通過幾個因素的增減變化定量地計算出研磨性系數(shù)，這就使得現(xiàn)場的研磨性與各影響因素之間的非線性關(guān)系不能直接通過計算表達出來［6］。

表1 部分巖樣現(xiàn)場研磨性對比

通過實驗室與現(xiàn)場巖石研磨性機理對比可以發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)研磨試驗載荷均勻，研磨工具和巖石只是表面接觸摩擦，沒有鉆進深度與胎體磨損，也沒有考慮熱效應(yīng)、鉆井液的潤滑和沖擊崩裂等因素的影響，沒有疲勞、剝蝕、氧化、熱損傷、脆性碎裂、脫粒等現(xiàn)象發(fā)生，與實際鉆井情況有較大的差別。鑒于機理以及試驗方法的不同，室內(nèi)試驗算得的研磨性與現(xiàn)場的實測值相差很大，室內(nèi)試驗測試結(jié)果不能直接用于現(xiàn)場。

3 室內(nèi)試驗與現(xiàn)場研磨性的轉(zhuǎn)換方法研究

由于室內(nèi)試驗條件與現(xiàn)場的實際工況差別巨大，室內(nèi)試驗與現(xiàn)場條件下巖石對鉆頭的磨損機理存在較大差別，同時研磨性的主要影響因素（如鉆壓、轉(zhuǎn)速、水力參數(shù)）對研磨性的影響增減不一，影響權(quán)重也不盡相同，造成了各因素對研磨性的影響是一種多變量的非線性關(guān)系，因而要準確建立一個能夠反映多種研磨機理的研磨性計算模型是十分困難的。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有良好的非線性映射能力和較強的學(xué)習(xí)功能，能夠通過對可預(yù)測的突變數(shù)據(jù)進行學(xué)習(xí)，實現(xiàn)對某些特殊情況的出現(xiàn)進行預(yù)測，同時神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⒍嗑S輸入?yún)?shù)通過降維計算出一個輸出值，一旦訓(xùn)練完成，輸入?yún)?shù)后即可輸出符合規(guī)定精度的預(yù)測輸出值，因此能夠用來描述現(xiàn)場工況下巖石對鉆頭多種磨損機理聯(lián)合作用下的磨損性能［7］。將影響研磨機理的主要因素對研磨性的影響理解為是一個多輸入單輸出的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過室內(nèi)測試結(jié)果反映巖石對鉆頭的摩擦磨損性能，現(xiàn)場的鉆壓、鉆速、泵排量和使用時間綜合反映鉆頭的沖擊磨損、熱磨損以及疲勞磨損特征，即將室內(nèi)測定的研磨性X1、鉆壓X2、轉(zhuǎn)速X3、排量X4、鉆頭使用時間X5作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入?yún)?shù)，設(shè)輸入?yún)?shù)為x，表示如下：

現(xiàn)場研磨性系數(shù)y為輸入?yún)?shù)x的函數(shù)：

當用NNE表示研磨性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法時，室內(nèi)研磨性以及現(xiàn)場研磨主要影響因素對現(xiàn)場研磨性的影響可以用下式表示：

通過上述關(guān)系式就得到了現(xiàn)場及室內(nèi)參量與研磨性之間的定量關(guān)系，研磨性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具體計算流程如圖5。

研磨性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可看成是從輸入到輸出的高維非線性映射。在開始訓(xùn)練時，網(wǎng)絡(luò)不斷地用每一個樣本進行訓(xùn)練，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。當每個樣本的誤差都達到精度要求時，則網(wǎng)絡(luò)收斂，網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練成功。再將未輸入過網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的巖石室內(nèi)研磨性以及現(xiàn)場施工的對應(yīng)巖層的鉆壓、排量、轉(zhuǎn)速及預(yù)期使用時間輸入訓(xùn)練完成的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過計算，即可輸出研磨性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的現(xiàn)場研磨性［8］。

圖5 研磨性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法流程圖

4 實例分析

室內(nèi)試驗采用微鉆頭鉆進法，使用微牙輪鉆頭以及微PDC鉆頭作為切削工具。選取了室內(nèi)試驗算得的研磨性，以及現(xiàn)場施工的對應(yīng)巖層的鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量及使用時間，通過85組基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行訓(xùn)練，再通過10組數(shù)據(jù)對網(wǎng)絡(luò)進行檢驗，最終取10塊巖石的室內(nèi)研磨性以及現(xiàn)場的鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、使用時間代入網(wǎng)絡(luò)，求出網(wǎng)絡(luò)研磨性預(yù)測值（表2）。

表2 室內(nèi)、現(xiàn)場及預(yù)測研磨性對比

由圖6、7可以看出，預(yù)測研磨性系數(shù)更加接近于現(xiàn)場實際研磨性系數(shù)，預(yù)測牙輪鉆頭研磨性系數(shù)與現(xiàn)場研磨性系數(shù)的符合率為87.5%，較之于微牙輪鉆頭研磨性系數(shù)與現(xiàn)場研磨性系數(shù)的符合率50.9%，提高了36.6個百分點；預(yù)測PDC鉆頭研磨性系數(shù)與現(xiàn)場研磨性系數(shù)的符合率為85.5%，較之于微牙輪鉆頭研磨性系數(shù)與現(xiàn)場研磨性系數(shù)的符合率33.6%，提高了51.9個百分點，因而能夠更加準確地滿足現(xiàn)場施工前鉆頭研磨性預(yù)測的需求，適合現(xiàn)場工程應(yīng)用，因此建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型具有良好的工程應(yīng)用性。

圖6 牙輪鉆頭研磨性對比圖

圖7 PDC鉆頭研磨性對比圖

5 結(jié)論

1）室內(nèi)試驗條件下巖石對鉆頭主要為相對平穩(wěn)的摩擦磨損，而現(xiàn)場條件下鉆頭的損壞是在摩擦磨損、熱磨損、疲勞磨損、沖擊磨損多種作用下聯(lián)合發(fā)生的，因此室內(nèi)研磨性測試結(jié)果與現(xiàn)場研磨性有較大的差別。

2）以室內(nèi)研磨性測試結(jié)果和現(xiàn)場實際鉆頭使用條件為輸入?yún)?shù)，綜合考慮了巖石自身性能和鉆頭使用條件對其研磨性的影響，建立了現(xiàn)場研磨性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，通過室內(nèi)試驗?zāi)軌虼_定現(xiàn)場工況下巖石對鉆頭的磨損性能。

3）現(xiàn)場研磨性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測的研磨性系數(shù)較之于室內(nèi)試驗，牙輪鉆頭研磨性系數(shù)符合率提高了36.6個百分點，PDC鉆頭研磨性系數(shù)符合率提高了51.9個百分點，能夠更加準確地滿足現(xiàn)場施工前鉆頭研磨性系數(shù)預(yù)測的需求，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場鉆頭的設(shè)計與選取以及鉆進規(guī)程的制定。

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