钻井液参数设计加权回归分析模型的研究

郭勇　陈跃　徐勇　苏宏岸

摘 要：针对钻井液在工程实际中的优化设计，在分析添加剂作用机理以及各典型地层钻进需求的基礎上，将添加剂性能指标以及地层参数予以量化，通过室内试验建立添加剂基本性能指标数据库，然后通过加权回归模型建立匹配规则，依靠模型运算法则对典型地层所需要的钻井液体系进行设计与优化控制，以提升生产效率和确保钻井液设计合理性。

关键词：钻井液；优化设计；数据库；加权回归模型

引言

合理的钻井液设计是成功进行钻井和降低钻井费用的关键，钻掘工程中，钻井液优化设计主要包括性能设计和配方优选等内容[1]。要设计一套匹配目标地层的最佳钻井液方案，首先必须明确目标地层的具体情况，选择合适的钻井液性能设计体系，然后依靠该体系进行钻井液的配方优化设计。随着我国钻掘工程技术逐渐与国际接轨以及计算机技术的普及，钻掘工程项目设计在规范化、计算机化和管理现代化等方面有了新的发展条件和需求。

目前，针对钻掘工程中钻井液主要由现场技术人员根据经验进行配方设计，设计因人而异，难以形成规范的工艺体系。参考国际先进技术体系，国内许多研究机构也对钻井液优化设计进行了相关研究，涉及体系主要包括范例模型[2]、正价优化实验、神经网络预测体系、数学参数控制体系以及专家预设计等[3]。文章参考数学参数控制体系和专家参数评分方法，结合因子分析方法和数学建模，建立了一种新的钻井液参数优化模型。

1 钻井液基本参数库的建立

1.1 地层的预处理

不同地层对钻井液性能的需求不尽相同，为了满足针对钻井液参数设计的建模需求，首先应对各工作地层进行预处理[4]。依靠专家经验知识划分钻井液指标优控区间，使地层区别反映到钻井液控制指标的参数选择上，这是地层预处理的主要手段。例如，由于软弱地层孔壁自稳能力较差，岩心保真困难，这就要求钻井液在动切力、动塑比等性能方面进行相应的综合控制，使之保持在各地层匹配的优控区间之内。通过地层的预处理，划分出的代表地层指标优控区间，是优化模型的进行运算匹配的特征参数。

1.2 添加剂性能指标的参数化

针对各类钻井液主要添加剂，将其对钻井液性能的影响参数化，并通过室内试验建立了优控模型基础参数库。现已纳入数据库的主要添加剂主要包括高聚物类降滤失剂CMC、高聚物类抑制剂PAM、植物胶、膨润土改型剂和碱度控制剂以及加重剂等。根据模型运算需求，实验设计包括了比重实验、六速旋转粘度实验、漏斗粘度实验、失水率以及泥皮实验等；其中CMC、PAM、植物胶等主要添加剂分剂量水平进行交叉组合，根据层次分析建库要求，录取相应实测性能数据。另外，由于各代表地层匹配的性能指标优控区间的划分主要依赖于专家知识经验，且粘度、比重、失水率等指标的控制区间选取具有不规范性，为了适应数学模型的运算需求，现通过运算处理，主要选取滤失水量API以及流变性参数n以及K值作为优控参数[5]。

2 参数的分析处理

钻井液表观粘度主要是由流体体系结构内的内摩擦作用和主辅剂高分子间交联所形成的空间网架结构所引起的，尤其在低剪切速率的情况中这种结构表现的更加明显。所以表观粘度的数值大小直接反映着冲洗液空间网架结构构型对冲洗液性能的影响程度，直观的表现就是排砂和携岩屑的效果。同样，无固相冲洗液的流体形式属于假塑性流体，流性指数n表示假塑性流体在一定剪切速率范围内所表现出的非牛顿性的程度和剪切稀释性的强弱。n值越小，曲线的曲率越大，流体的非牛顿性越强，剪切稀释性也越强，同样动塑比也说明了剪切稀释能力的强弱[6]，需要注意的是，n值并非越小越好，n值应与各地层需求匹配。这有助于冲洗液在环形空间产生较好的流核，形成平板层流，保证了冲洗液能有效地携带岩屑和保持井眼清洁[7]；K值与冲洗液的粘度、切力有关，其值越大，粘度越高，可有效包裹岩心，提高岩心采取率及取芯质量[8]，但K值的增大会导致动切力增大，不利于钻进效率的控制，因此对应各地层指标匹配规则的建立，有利于实现钻井液的最优设计。表1是基于室内试验所建立的基础数据库中的部分实验数据，基浆为膨润土-NaOH浆液，添加剂ABC分别代表为抑制剂PAM、高聚物VG、降滤失剂CMC。

文章以室内试验所建立的数据库为基本观察数据，使用SPSS对数据库中一系列参数分组进行了回归分析。如不同水平的添加剂ABC组合与ND、API等控制指标的回归关系。为了利于参数分析的均衡性，结合对实验数据的直观分析，这里对ND等控制指标的回归分析采用权重估计。在“权重估计”界面中，选取添加剂ABC为自变量，其中C作为权重变量，ND作为因变量，如图1。

此SPSS回归分析所建立的模型，可应用到实验数据库中未涉及的同类别不同水平的添加剂组合，以预测其不同添加剂水平所形成的钻井液体系中ND，API，N的性能水平。将此模型封装成钻井液优化软件应用于钻井液配方的优化设计，能避免繁复的室内试验，高效快速地实现工程应用中的钻井液设计，推进钻掘工程的规范化设计，提升生产效率。

4 结束语

（1）通过经验知识确定各代表地层的泥浆性能需求，确定了API、ND、n值、k值等主要控制参数。（2）通过室内试验建立了主要添加剂的基本性能指标数据库，并通过SPSS软件建立数学模型分析了API、ND、n值、k值与添加剂剂量水平之间的作用关系。（3）基于室内试验数据库建立的加权回归模型能避免繁复的室内试验，快速高效地预测不同添加剂水平所形成的钻井液体系的性能水平，将此模型以计算机软件作为载体应用于工程实践之中具有积极的实际意义。

参考文献

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9：483.

作者简介：郭勇（1989-），男，湖南益阳人，钻探工程师，毕业于中南大学地质工程专业，主要从事钻探技术、工程勘察相关研究。