基于工程地质一体化数据库的钻头优选应用实践

钱浩东, 张治发, 王 鹏

中国石油川庆钻探工程有限公司钻采工程技术研究院

0 前言

在石油钻井工程中,钻头是破岩的主要工具,当钻头和地层不匹配会造成钻井效率低、钻头寿命短等问题,因此钻头的合理选型对提高钻进速度、降低钻井综合成本具有重要作用，特别是近年来的钻井实践证明，钻头是钻井提速最主要手段之一，也是安全钻井减少事故复杂的重要保证。国内外钻头优选方法很多，大致有利用钻头应用效果统计分析选型法、通过岩石力学参数分析选型法、综合对比分析选型法、模糊分析、聚类分析、机械比能及最早的岩石可钻性分析等方法。

统计分析选型法[1- 2]是基于钻井数据库的选型方法,基于钻井数据库的钻头选型方法很多，但受制于钻井数据库数据的质量、数据类型以及优选方法的制约，导致针对地层或某个井眼尺寸的优选效果并不理想。

通过岩石力学参数分析选型法[2- 3]是通过综合分析岩石的研磨性基础上得出岩石的可钻性指数，进行钻头选型，需要借助一些岩石力学实验来完成，虽然效果较好，但费用高且周期也长，在实际选型应用中不具经济适用性，特别是对那些开采周期要求特别短的区块不适合。

综合对比分析选型法[2- 4]主要是利用测井资料(横波时差和地层抗压强度)完成地层可钻性分析，但针对各区域同等可钻性都满足的钻头进一步优选还是需要借助钻头应用数据。

近年来随着人工智能技术和大数据挖掘技术的兴起，利用模糊分析、聚类分析等方法也可以实现对钻头优选，但这类优选中都需要对样本做聚类分析的标定，如果样本过多，数据标定的工作量将非常大，做到实时分析很难。

总之目前优选钻头的理论方法都很多，优选方式各有特点，但是国内利用钻井数据库直接进行优选的实用钻头程序却非常少见，目前,随着钻井智能信息系统(EISS)推广和数据采集技术的发展,井筒工程中能够产生大量与地层和钻头相关的数据,从而给利用工程地质综合信息优化钻头选型方法带来了可能。所以有必要建立一种快捷、方便的手段,充分利用井筒工程地质一体化数据库资源,建立出一种精准快捷的钻头选型方法。

1 优选方法的建立

1.1 优选样本基础

传统的钻井数据库只有钻井过程信息无录井和测井信息，所以直接用钻井数据库开展钻头优选很大程度受制于数据质量和数据类型的影响，通常需要人工反复干预和确认后才能获得一个相对理想的结果，但若有些区块样本太多，仅仅数据“清洗”就是一个人工难以完成的庞大工作量；目前中石油正在推广的工程作业智能支持系统(EISS)涵盖全井筒相关的各专业并实现数据一体化管理，数据库主体技术框架设计由两条主线构成，第一条是以井的生命周期为主线，通过井这条主线，把井的物理属性进行了详细的描述，井的各种物理变化数据通过井进行有效串联，能充分满足成果数据的管理；第二条是以作业为主线，把围绕井筒的钻井、录井、测井等多专业作业事件也进行了有效关联，通过关联把井筒工程的各个专业数据紧密地整合在一个数据库中，井筒工程数据库得到最大化扩充，同时提高了数据库的灵活性，能满足各专业深度的数据挖掘的需求[5- 8],本次优选方法就是基于EISS系统的井筒工程信息，开展钻头选型。

1.2 优选流程

基于EISS系统的井筒工程信息，建立了优选方法流程，如图1。

图1 优选方法流程图

流程说明：岩石可钻性是预测钻速的重要指标,研磨性是评判钻头使用寿命的关键参数，为提高钻头使用效果，实现安全、快速、高效钻井的目的，就需对钻遇地层的岩石可钻性和研磨性有正确认识，选出目标构造和地层，利用一体化中的测井资料分析计算出本构造该地层的可钻性级别，分析方法如下：

(1)利用测井资料建立与地层特性关系数学模型，即岩石纵波波速与地层力学特性参数建立关系式，见式(1)，岩石横波波速与地层力学特性参数关系式见式(2)：

(1)

(2)

式中：Vp—岩石纵波波速，m/s;Vs—岩石横波波速，m/s;E—弹性模量，MPa;μ—泊松比;ρ—体积密度，g/cm3。

(2)建立岩石声波时差与岩石可钻性关系的模型，得到目标层的可钻性系数,模型见式(3)：

Kd=aebΔtp

(3)

式中：Kd——岩石可钻性;Δtp——纵波时差，μs/m;a、b——线性回归系数。

(3)利用岩石可钻性数据并结合钻头厂家的使用说明，对目标构造的地层所使用的钻头进行“清洗”，得到优选样本，见图2。根据地层岩石可钻性数据和厂家提供的钻头适用条件和相应参数，通过非线性变换的方式映射到一个高纬的特征空间，并在这个高纬空间中找出最优线性分界超平面，将所有数据进行二分类，可进行若干次二分类，筛选出适合目标地层的钻头类型。

图2 钻头筛选方法图

(4)再利用样本数据所钻目标地层的井段，在录井数据中统计出样本在本段的机械钻速和进尺，采用黄金分割优选方法[9]，建立黄金分割曲线图(图3)，将(3)筛选出的目标地层钻头使用情况点入图中，根据平均单只钻头进尺和平均机械钻速，画出黄金分割线，黄金分割线以上的钻头即为优选钻头。如果样本数量多，优选出的钻头型号仍然较多，可对优选出的钻头采用相同方法，进行再次优选，直到满意为止。

图3 黄金分割线样图

黄金分割点值h的确定：

h=V平×L平/0.618

(4)

黄金分割线任意一点X值的确定：

Xn=nVmax/m

(5)

黄金分割线任意一点Y值的确定：

Yn=h/Xn

(6)

式中:V平—目标地层整体平均机械钻速，m/h;L平—目标地层整体平均单只钻头进尺，m/只;Vmax—目标地层最高单只钻头平均机械钻速，m/h;m—黄金分割线点的数量，保证黄金分割线圆滑即可;Xn、Yn—黄金分割线第n点的X值和Y值。

根据黄金分割线上的钻头结合其使用情况的稳定性，即钻头使用数量，最终确定优选钻头。

2 应用实例

GS-MX井区二叠系—寒武系地层是该区域制约钻井效率的瓶颈地层，为此利用一体化中的测井资料采用岩石可钻性的回归公式对该区域地层进行岩石可钻性预测分析，得到岩石可钻性数据(表1)。

从表1可以看出，GS-MX区域二叠系—寒武系地层岩石硬度高(抗压强度195～347 MPa)，属粗玄岩硬度，具有耐磨、抗压性强、压碎值低等特征，即可钻性差，研磨性强。根据地层岩石可钻性和研磨性，结合已钻井钻头使用情况，对钻头型号进行了“清洗”和筛选，得出了该区域二叠系～寒武系地层的钻头样本，见表2。

表1 GS-MX区域二叠系—寒武系地层岩石可钻性数值表

表2 GS-MX区域二叠系—寒武系地层钻头优选样本

通过“清洗”后的钻头普遍应用较好，再利用一体化井筒工程数据，采用黄金分割法进一步优选钻头(图4)，对钻头使用效果的稳定性、经济性等综合性能进行了优中选优。

图4 基于黄金分割法的钻头优选

基于井筒工程数据的钻头优选方法的应用，目前GS-MX区块Ø215.9 mm井眼二叠系—寒武系层段，以采用GS1605R、KPM1633RT、KPM1642DRT、DF1606BIU这四种钻头为主(HP524、GS1605、DFS1606BU三种钻头使用数量少，其性能稳定性还有待进一步验证)，平均使用钻头只数比优选前减少2.25只，平均机械钻速提高49.33%。GS1605R为16 mm齿、5刀翼钢体PDC钻头，具有强攻击特征；DF1606BIU是16 mm齿、6刀翼胎体PDC钻头，具有强保径耐磨的特征；而KPM1633RT和KPM1642DRT是复合钻头，具有强攻击、保径耐磨和倒划眼功能。以上四种型号钻头的成功应用正好征印证了GS-MX区块二叠系～寒武系层段可钻性差、研磨性强的特征。

3 结论

(1)充分利用井筒工程地质一体化信息资源，提供了一种全新的优中选优的钻头优选方法,即利用测井资料获取地层可钻性，结合不同厂家钻头适用性初步筛选出钻头样本，再根据样本的使用情况，采用黄金分割优选方法实现钻头优选，通过工程作业智能支持系统(EISS)在川渝地区的推广应用取得了较好的效果。

(2)EISS中井筒工程信息非常丰富，为大数据挖掘应用打下了坚实基础，钻头优选取得的较好效果，也为其它工程参数的优选提供了一种新思路。