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(fā)逐步邁向深層，而深部潛山地層以灰?guī)r為主，地層硬度大，對鉆井參數(shù)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(jīng)濟勘探開發(fā)的有效手段。但鉆井參數(shù)數(shù)據(jù)量大，種類多，需要綜合分析評價潛山地層難鉆原因。業(yè)內(nèi)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(guān)系數(shù)法，分析影響潛山地層難鉆的主控因素，推薦合理鉆井參數(shù)，并結(jié)合鉆頭優(yōu)化設(shè)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?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，局部富含泥質(zhì)紋層；基巖巖性以下石炭統(tǒng)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r及白云巖為主；風化帶巖性以砂礫巖、粗砂巖為主，夾少量灰?guī)r，砂礫巖中常含白堊[5]。通常井身結(jié)構(gòu)設(shè)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(zhì)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(zhì)性，見圖1、圖2。鉆頭優(yōu)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(shù)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(yōu)選鉆井參數(shù)

鉆井過程中會產(chǎn)生大量的鉆井參數(shù)，分析鉆井參數(shù)和機械鉆速的關(guān)系，找出主控因素，有利于采用合理鉆井參數(shù)提高機械鉆速。但由于鉆井參數(shù)數(shù)量和種類多，機械鉆速影響因素復雜，現(xiàn)場觀察難以找到影響趨勢?；诂F(xiàn)場大數(shù)據(jù)，通過機器學習能夠以圖表和數(shù)值的形式直觀體現(xiàn)并量化各個特征值間的相關(guān)性大小，分析機械鉆速和鉆井參數(shù)關(guān)系，并進行優(yōu)化以提高機械鉆速[6]。

相關(guān)系數(shù)（Correlation Coefficient）是一項用來反映變量之間關(guān)系密切程度的統(tǒng)計指標，計算上以兩變量與各自平均值的離差為基礎(chǔ)，通過兩個離差相乘來反映變量之間的相關(guān)度。相關(guān)系數(shù)值的變化范圍在-1到+1之間且可以是此范圍內(nèi)的任何值。當相關(guān)系數(shù)值達到+1的時候，表示這兩個變量間完全正相關(guān)；當值為0時，表示這兩個變量無關(guān)，且值越接近0，兩變量的關(guān)聯(lián)程度越弱；當值為-1時表示這兩個變量完全負相關(guān)（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(guān)性越大。

相關(guān)系數(shù)的計算公式為：

其中rxy表示樣本相關(guān)系數(shù)，Sxy表示樣本協(xié)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(xié)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(xié)方差和樣本標準差，因此分母均為n-1。

對潛山灰?guī)r地層鉆井參數(shù)與機械鉆速進行相關(guān)分析，熱力圖如圖3所示。

圖3 鉆井參數(shù)與機械鉆速相關(guān)性分析結(jié)果

由圖3所示，潛山灰?guī)r地層鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、扭矩與機械鉆速呈正相關(guān)，其中鉆壓、轉(zhuǎn)速和排量相關(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速，并提高排量。由表1可知：盡管灰?guī)r基體強度較高，但由于潛山風化帶是由淋濾、溶蝕、構(gòu)造、充填等作用形成，發(fā)育溶洞、裂縫、砂礫（巖）填充物、網(wǎng)狀方解石脈，對鉆頭總體磨損并不強。

表1 潿西南潛山灰?guī)r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?guī)r地層提速措施

根據(jù)相關(guān)性分析，提高鉆壓、轉(zhuǎn)速和排量是提高潛山灰?guī)r機械鉆速的有效途徑。結(jié)合現(xiàn)場情況和現(xiàn)有手段，提出以下3項提速措施和配套工具優(yōu)化：

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

優(yōu)選提速工具：使用復合沖擊器見圖4，將鉆井液水力能量轉(zhuǎn)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(shè)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(xiàn)象，降低管柱疲勞；消除黏滑效應，有利于鉆頭均勻切削；現(xiàn)場應用發(fā)現(xiàn)復合沖擊器可以減少起下鉆次數(shù)，節(jié)約鉆井成本。

圖4 復合沖擊器

優(yōu)化鉆頭：設(shè)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(wěn)。

圖5 13mm齒6刀翼鉆頭

4 應用效果

根據(jù)鉆頭優(yōu)選和提速工具設(shè)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(jié)束語

潿西南灰?guī)r基體強度較高，但由于微裂縫和溶洞發(fā)育，對鉆頭總體磨損并不強，可通過強化鉆井參數(shù)提高機械鉆速；

分析機器學習結(jié)果，潿西南凹陷灰?guī)r鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、扭矩與機械鉆速呈正相關(guān)，其中鉆壓、轉(zhuǎn)速和排量相關(guān)性較大，可作為提高機械鉆速優(yōu)先選擇；

復合沖擊器將鉆井液水力能量轉(zhuǎn)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。