基于因子分析法的玉北区块钻头优选及应用*

程昊禹 张艳 楼一珊 谢静 刘哲

(长江大学石油工程学院)

0 引 言

随着钻井工艺技术的不断进步、材料和机械制造工业的发展以及各种新技术在钻头结构设计与制造上的应用[1-3]，钻头的设计、制造和使用都有了很大的发展，钻头的品种和使用范围都在不断扩大，钻头的技术和经济指标在不断提高。然而在钻井过程中，由于影响钻头合理使用的因素很多，如钻头类型、钻进参数、钻井液性能和操作工艺等，钻头选型方法的研究仍然是钻井工程中的一个重要课题[4]。

目前，国内外学者就钻头优选得出了一系列方法，但由于影响因素的复杂性，钻头选型模型的适用性受到严重制约。现有文献指出，在井底充分清洁的条件下,钻头类型与地层的匹配程度占钻速总变异的85%以上，其中射流速度是影响PDC钻头机械钻速的主要因素，钻井工艺中机械破岩参数(钻压和钻速)的配合已降至次要地位[5]。机械钻速随钻头水功率的增加而升高，随后再增大钻头水功率，机械钻速基本无上升趋势；立管压力和排量也不能无限增大，需要结合实际地层的特点考虑变化范围[5-7]。现场使用的钻头与所钻地层的匹配程度较差，导致钻井速度缓低，有学者在常规优选钻头的基础上对因子选取进行补充，考虑了水力参数对钻头选型的影响[8-14]。

本文采用因子分析方法对吐哈盆地玉北区块实钻钻头进行了选型，选型中增添了水力参数(排量、立管压力、喷射速度及钻头水功率)作为影响因子，并与仅考虑破岩参数作为优选钻头结果进行对比，分析了增添水力参数后对钻头选型产生的影响。

1 钻头选型

1.1 区域概况

玉北区块位于吐哈盆地，其中桃东沟组及以下地层机械钻速低，开发进度缓慢。梧桐沟组储层物性差，克拉玛依组中上部泥岩强度低，可钻性较好，但进入克拉玛依组较厚底砾岩后，可钻性变差，一般PDC钻头无法成功穿过底砾岩，可能使钻头报废，因此深部地层将是重点攻关提速层位[15]。基于此，笔者以深部地层特性研究为基础，开展钻头优选研究，以解决超深井提速技术瓶颈，为进一步掌握吐哈盆地玉北区块深部地层特性，制定安全高效的钻井技术方案提供支撑。

该区块自下而上发育为二叠系桃东沟群、下苍房沟群，三叠系上苍房沟群、小泉沟群，侏罗系水西沟群、三间房组、七克台组、齐古组、喀拉扎组，白垩系吐谷鲁群、库木塔克组及新生界地层。其中桃东沟组地层的岩性横向变化较大，纵向夹层多，砂砾岩粒径大小不均匀，钻头选型十分不易[16-19]。因此，桃东沟组及以下地层的钻头选型研究十分关键。

1.2 选型对比

统计玉北区块现场所有钻头资料，按照同一地层、同一尺寸的钻头进行归类整理并建立数据库，为钻头选型做准备。通过相关资料归纳整理得出钻头常规优选结果，如表1所示。添加水力参数后钻头改进优选结果如表2所示。表2中Q表示排量，ps表示立管压力，v1表示喷射速度，P表示水功率。对比两种优选结果发现，增添了水力参数导致最终优选的钻头类型发生改变，从克拉玛依组至桃东沟组每一层位优选的两种钻头类型中，都有不同的钻头型号产生。

对比常规优选和改进优选的钻头型号，结果如图1所示。改进优选的GT55DK、GT65DS和U419S 3种型号钻头的机械钻速均高于常规优选的3种型号钻头。对于主要层位，克拉玛依组改进后优选的钻头机械钻速比常规优选的钻头机械钻速高出2.73 m/h，梧桐沟组高出3.51 m/h，桃东沟组高出1.86 m/h。由此可以得出，改进后优选的钻头更加适合该地层，其钻头与该区块的匹配程度优于常规优选出的钻头。

表1 玉北区块钻头常规优选结果Table 1 Conventional bit selection in Yubei block

表2 玉北区块改进优选钻头结果Table 2 Improved bit selection in Yubei block

图1 钻头常规优选与改进优选结果对比Fig.1 Comparison of results of conventional and improved bit selection

2 机械钻速与水力参数的关系

选择合理的水力参数是提高钻井速度的一个重要前提，分析增添水力参数对钻头优选的影响可为现场钻井提供数据支撑[20-22]。研究钻头选型的目的是实现提速增效，因此弄清水力参数如何影响机械钻速至关重要。水力参数中排量、立管压力、喷射速度和钻头水功率对机械钻速影响较大[23-26]。为此，针对改进优选的钻头做具体分析，控制单一变量分析4个水力参数是如何对机械钻速产生影响的。例如桃东沟组型号为U419S的钻头，在钻压、钻速、排量、喷射速度及钻头水功率一定时，机械钻速v随立管压力的变化曲线如图2所示。

由图2可知：机械钻速随立管压力的增大而升高，与立管压力呈线性关系；立管压力从19 MPa升至29 MPa时，机械钻速提升了3.05 m/h，在立管压力达到29 MPa时，机械钻速出现最大值6.33 m/h。

图2 桃东沟组机械钻速随立管压力的变化曲线Fig.2 Variation of ROP with standpipe pressure in Taodonggou Formation

同样位于桃东沟组，保持钻压、转速、立管压力、喷射速度及钻头水功率一定时，机械钻速随排量的变化曲线如图3所示。由图3可知：机械钻速随着排量增加而上升，与排量呈二次多项式关系；排量从14 L/s增大至18 L/s，机械钻速升高2.36 m/h，当排量为18 L/s时，机械钻速达到最大值6.33 m/h。

图3 桃东沟组机械钻速随排量的变化曲线Fig.3 Variation of ROP with displacement in Taodonggou Formation

当钻压、转速、排量、立管压力及钻头水功率一定时，喷射速度对机械钻速的影响如图4所示。由图4可知：随着喷射速度加快，机械钻速呈指数上升；喷射速度从42 m/s变化至66 m/s，机械钻速上升2.4 m/h；当喷射速度为66 m/s，机械钻速达到最大值6.31 m/h。由于桃东沟组砂砾岩储层含泥岩夹层，在水平段钻遇泥岩易垮塌和发生卡钻事故，分析发现，当喷射速度在58～66 m/s时，该组不曾出现卡钻现象。

图4 桃东沟组机械钻速随喷射速度的变化曲线Fig.4 Variation of ROP with jet velocity in Taodonggou Formation

当钻压、转速、排量、立管压力和喷射速度一定时，钻头水功率对机械钻速的影响如图5所示。由图5可知:随着钻头水功率增大，机械钻速呈对数增长；钻头水功率从29.85 kW升至58.63 kW，机械钻速升高3.06 m/h；当钻头水功率为58.63 kW时，机械钻速达到最大值6.31 m/h。

图5 桃东沟组机械钻速随钻头水功率的变化曲线Fig.5 Variation of ROP with bit hydraulic horsepower in Taodonggou Formation

根据改进优选钻头的机械钻速以及对应的水力参数关系，可得出每一地层的最佳水力参数，给出的最佳钻井水力参数可为相同地层区块的钻井作业提供数据支撑。克拉玛依组和梧桐沟组水力参数与机械钻速之间变化的规律同桃东沟组一致，同理可给出相对应的最佳钻井水力参数，如表3所示。

表3 克拉玛依组和梧桐沟组最佳钻井水力参数Table 3 The optimal hydraulic parameters for Karamay Formation and Wutonggou Formation

3 现场应用

为了验证给出的最佳水力参数是否有效，选择邻近区块相同层位的LJ-1和LJ-2井作为对比，以YB-1井作为试验井，即在YB-1井上使用给出的最佳水力参数进行钻井。此外，在钻头选型时保持钻进参数(钻压、转速)不变，仅钻井水力参数在给定的范围内优选。最后与相同层位的邻井实钻数据进行对比，结果见表4。

表4 试验井与邻井实钻数据对比Table 4 Comparison of actual drilling data between test wells and offset wells

由表4可以看出：3个地层均是试验井(YB-1井)的机械钻速最高，邻井(LJ-1和LJ-2井)机械钻速最低；在克拉玛依组试验井平均机械钻速为7.12 m/h，邻井整体平均机械钻速为5.32 m/h，前者提高了25.35%；在梧桐沟组试验井平均机械钻速为6.62 m/h，邻井平均机械钻速4.86 m/h，前者提高了26.58%；在桃东沟组试验井平均机械钻速为4.51 m/h，邻井平均机械钻速为3.49 m/h，前者提高了22.61%。

4 结 论

(1)本文基于因子分析法对常规的钻头选型做了补充，增添了水力参数(排量、立管压力、喷射速度和钻头水功率)作为影响因子。分析了钻井水力参数对机械钻速产生的影响，得出一套适合玉北区块深部地层的钻井水力参数范围。其中机械钻速与立管压力呈线性关系，与排量呈二次多项式关系，与钻头水功率呈对数关系，与喷射速度呈指数关系。

(2)应用给定的钻井水力参数在YB-1井进行了试验，试验结果表明，克拉玛依组、梧桐沟组和桃东沟组平均机械钻速分别达到7.12、6.62和4.51 m/h，与邻井同一地层相比分别提高了25.35%、26.58%和22.61%。