考虑钻头指标修正的钻头评价优选技术

王越之

(长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

曹光福，陈松平，李君

(中石油新疆油田分公司勘探事业部，新疆 克拉玛依 834000)



考虑钻头指标修正的钻头评价优选技术

王越之

(长江大学石油工程学院，湖北 武汉 430100)

曹光福，陈松平，李君

(中石油新疆油田分公司勘探事业部，新疆 克拉玛依 834000)

钻头是破碎岩石的工具，直接影响钻井的经济效益和钻井成败。首先对国内外钻头优选的两种方法进行了介绍与评价，针对运用钻头使用参数统计分析优选钻头存在规律性不强、优选难度大的问题，提出了对钻头使用参数按照钻头新旧程度系数进行预处理的思想，给出了利用IADC钻头磨损分级标准处理的详细方法和计算公式。将该预处理方法运用到目前常用的两种钻头统计方法(钻头比能法和钻头使用效果图形优选法)中，并对没有进行数据预处理和进行预处理的两种结果进行了比较分析。结果表明：统计方法优选钻头应对参数数据进行预处理，以保证钻头使用新旧程度相同。运用预处理数据统计分析的结果，评价更科学和容易，结果也更集中。

钻头；钻头优选；钻头参数；数据预处理

1 问题的提出

钻头是钻井工程的重要工具，决定着钻井速度的快慢，井眼轨迹的控制，井身质量的优劣，甚至直接影响钻井的经济效益和钻井的成败。因此，钻头类型的优选和钻头使用参数优化一直是现场工程技术人员极为重视的技术，同时也是钻井科研工作者不断探索，以求很好解决的问题。由于钻头使用的好坏，受钻井地层和钻头两个方面的影响，仍是一个没有很好解决而又迫切需要解决的难题。

国内外钻头优选方法综合起来主要有2大类[1]：

一类是根据所钻地层的特性入手，通过室内岩心进行可钻性试验确定所钻地层的可钻性级值，建立可钻性级值与测井声波时差之间的函数关系，利用测井资料建立所钻地层纵向上的连续可钻性数据，据此选择钻头类型。该方法由于所选择的岩心数量有限，且岩心的不均质，试验结果离散，使得试验数据代表性不够。同时岩石可钻性不只与测井声波特性有关，运用声波时差建立的可钻性剖面误差较大。

另一类就是运用已钻钻头的数据，按井径分层位进行统计分析，其统计分析的方法有关联分析法、聚类分析法、神经网络法等方法[2]。

目标函数有每米成本法、比能法等。这类方法需要大量的数据，有时会出现同一种钻头型号既是最优钻头又是最差的钻头，或者运用不同方法得出不同结果的问题。

通过大量的分析计算比较，发现统计分析方法出现筛选的钻头相互矛盾的原因之一是已钻钻头数据没有进行预处理，普遍认为每只钻头使用后的新旧程度相同，而实际上由于施工的需要，如钻到目标层需要起钻，钻井复杂情况需要起钻等使得同种钻头起出的新度不同，如果不考虑钻头的新旧程度就会误导统计结果。笔者针对这一问题，对进行统计分析的钻头数据先进行新旧程度的预处理，通过预处理的数据再参与计算分析，旨在解决统计的不确定性。

2 钻头新旧程度的预处理方法

按照三大石油公司对钻井井史的要求，井队技术员对起出的每一只旧钻头都要进行描述并记录。描述与记录的依据就是IADC钻头磨损分级标准[3]。该标准规定，起出钻头的描述由8个部分组成，分别为内排齿+外排齿+钝化特征+钝化位置+轴承密封+直径变化+其他钝化特征+起出原因。

在这8个部分中有的是用0～8的数值表示，有些是用字母表示，通过字母可以判断钻头的情况，如果已经损坏，不能再使用，通过字母可以判断。比如：钻头泥包、牙轮裂纹、顿钻和溜钻等非正常使用的钻头，这些钻头就不应该参与数据统计分析，数据应该剔除。对正常使用钻头中磨损分级用数值表示：0表示为未磨损的新钻头；8表示已经完全磨损，使用程度为100%。分析时应该选出这些数值最大的一个，按照如下公式计算描述钻头的新旧程度系数K：

(1)

式中：K为新旧程度系数，无量纲；m为该钻头磨损分级中最大的数值，无量纲。

考虑钻头新旧程度就是要对评价钻头的数据进行预处理，处理数据的原则是：通过钻头新旧程度系数K将钻头的使用参数都转化成钻头相同的新旧程度，一般转化为钻头使用程度为100%的情况。例如：机械钻速就需要乘以K，钻头总进尺和钻头纯钻进时间都需要除以K。通过钻头参数计算的参数就不用再进行修正，如比能值。

3 钻头使用效果评价优选方法

3.1 比能法

3.1.1 原理与方法

比能是 1964 年由R.Teale 提出在岩石钻进中的概念[4]，即钻开单位体积岩石所做的功。由钻压和扭矩破碎单位体积岩石所需的机械能。其计算公式为：

(2)

式中：SE为比能，MJ/m3；W为钻压，kN；D为钻头直径，mm；N为转速，r/min；Tb为钻头扭矩，kN·m；R为机械钻速，m/h。

文献[5]指出，可以采用简化的比能计算式计算比能，公式为：

(3)

考虑钻头新旧程度系数的比能计算，就是将机械钻速R乘以K后进行计算。

3.1.2 新旧比能法实例计算比较

选用在新疆油田准噶尔盆地南缘地区几口邻井直径为311.2mm井段使用的钻头用比能进行评价，钻头新旧程度系数需要查看井史中钻头起出分析内容，对每只钻头确定新旧程度系数，同时对非正常损坏的钻头数据进行剔除。

由表1可知，在钻进直径为311.2mm井眼时，运用旧比能法对钻头进行评判，同种型号钻头的比能值有大有小，没有规律，选择困难。考虑钻头新旧程度系数，去掉非正常损坏钻头数据，计算的钻头比能值相对要集中一些，便于优选。则钻头使用效果由好到差的顺序为PDC钻头选FS2463Z，牙轮钻头选HAT127X、HAT127和HJT517。

3.2 钻头使用效果图形优选钻头

钻头使用效果评价指标有纯钻时间、机械钻速、钻头进尺等，这3个参数相互制约，因此实质上钻头使用效果评价指标只有2个，笔者选取机械钻速与钻头纯钻时间为参考指标。

1)对一个区块地层进行地层岩性与可钻性分析，按地层岩性、可钻性、相似性将一口井分为若干段。

2)对每个井段分别做一张以纯钻时间为X轴、机械钻速为Y轴的钻头使用效果图。做图方法是先将一口井钻头的机械钻速与纯钻时间参数按每个井段在电子表格中分别创建一个工作表。对每个工作表按钻头型号进行排序，做出机械钻速与纯钻时间的散点图。这个图可以比较不同钻头使用的总体情况，如果在图的右上部分有一个型号的钻头分布较多，则说明该钻头有较好的使用效果，可考虑加入钻头推荐序列。

3)如果一只钻头穿过几个层段，在每一段做图时机械钻速只取该段内的机械钻速和纯钻时间的平均值。

按照上述方法，将表1的数据中预处理前的机械钻速与纯钻时间做图，如图1所示；机械钻速进行预处理后机械钻速与纯钻时间关系图，如图2所示。

表1 新疆南缘地区∅311.2mm钻头比能计算比较

图1 原始数据钻头效果评选结果

图2 数据预处理后钻头效果评选结果

图中粗实线为统计数据的平均值，粗实线将数据区域分成4部分，右上角的钻头数据为2个指标均超过平均值的钻头，优选的钻头型号应在此区域。从图1可以看出，没有进行预处理的钻头数据，在图1右上角的机械钻速高、纯钻时间长的钻头型号不集中，不容易判断。而图2是运用笔者方法对钻头数据进行预处理后的评选结果图，在图2右上角的型号比较集中，容易优选，且选取结果与3.1结果一致。

4 结论

1)根据实钻钻头使用参数统计分析优选钻头的方法，应对参数数据进行预处理，以保证钻头使用新旧程度相同。

2)对钻头使用参数进行预处理，运用预处理后的数据采用常用统计分析方法优选钻头，该评价方法更科学、更容易，结果也更集中。

[1]张辉，高德利. 钻头选型方法综述[J].石油钻采工艺，2005，27(4)：1～5.

[2]路小帅，王越之，雷满，等.利用数理统计方法对钻头进行优选及评价[J].断块油气田，2007，14(6)：63～65.

[3]SY/T 5415—2003，钻头使用基本规则和磨损评价方法[S].

[4]Teale R. The concept of specific energy in rock drilling[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts，1965，2(1)：57～73 .

[5]景宁，樊洪海，翟应虎，等.基于比能理论的钻头工作状态监测方法[J].断块油气田，2011,18(4)：538～540.

[编辑] 帅群

2016-06-02

国家自然科学基金(51174036)。

王越之(1964-)，男，博士，教授，主要从事钻井工程的教学与科研工作，cjdxwyz@126.com。

TE921;TE24

A

1673-1409(2016)32-0082-04

[引著格式]王越之，曹光福，陈松平，等.考虑钻头指标修正的钻头评价优选技术[J].长江大学学报(自科版),2016,13(32):82～85.