目标区域钻头优选方法研究

左 坤

中海石油（中国）有限公司深圳分公司 广东 深圳 518067

钻头是钻井过程中破碎岩石的主要工具。要想提高机械转速和降低钻井综合成本，其关键就是钻头选型是否合理。目前来说，大致可以分为以下三种钻头选型方法，分别为效果评价法、岩石力学参数法以及综合法。本文基于文献调研，介绍不同类型选型方法的原理和实现步骤，分析其优势和不足，总结出一种目标区域钻头优选方法的科学思路。

1 效果评价法

效果评价法是根据特定区域已钻资料，对具体的钻头使用情况进行分地层统计，将一个或多个反映钻头实际使用效果的指标作为选型依据，并按照一定的规则优选出符合条件的钻头类型。

1.1 米钻井成本法

这种方法是以钻头的单位进尺成本为钻头型号的选择依据[1]，具体的计算模型见式（1）。

式中：C——米钻井成本，元/ m；Cb——钻头费用，元/ 只；Cr——钻机运转作业费，元/ h；T——钻头纯钻时间，h；Tt——起下钻、循环钻井液及接立柱（单根）时间，h；F——钻头总进尺，m。

由于钻头型号选择并不是影响钻井成本的全部因素，因此并不能通过成本分析这种方式直接反映出钻头优选方案的好坏。

1.2 经济效益指数法

这种方法是重新将钻头进尺、机械转速以及钻头成本三个指标组合为一个新的指标并将其作为钻头使用效果的评价依据[2]，和米钻井成本法相比，该方法的评价效果本质上没有区别。此方法的计算模型见式（2）。

式中：Eb——钻头经济效益指数；α——系数；R——钻头机械钻速，m/ s。

Eb的大小表示的是钻头的实际使用效果优劣情况。这种方法因为计算简单，因此受到广泛应用，充分考虑到了钻头短期经济效益与长期效益，同时还能避免计算不易确定的钻井辅助时间，因此与米钻井成本法相比，具有更强的可行性。

1.3 比能法

比能指的是钻头从井底地层上破碎单位体积岩石所做的功[3]，因而该方法的计算模型见式（3）。

式中：Se——比能，MJ/ m3；W——钻压，kN；D——钻头 直 径，mm；N——转 速，r/ min；R——钻 速，m/ h；Tb——钻头扭矩，kN·m。

由于推力所做功只有扭矩功1%～2%，因此可以忽略，在后续的试验中发现，钻头扭矩与钻压及钻头直径之间的关系成正比。因此可以简化为公式（4）。

式中：K——常数，由实验确定。

1.4 灰色关联分析法

该方法的评价参数为机械钻速、纯钻时间、钻头进尺以及钻头成本，参考数列为钻头最佳指标，比较数列为待评价钻头使用效果，合理对权重进行分配，之后再根据计算所得出的关联度，排列钻头顺序[4]。

1.5 灰类白化权函数聚类法

1991 年，学者王越之提出应用灰类白化权函数法将机械钻速、纯钻时间、钻头进尺以及钻头成本作为评价钻头实际使用效果的指标，再根据聚类值的大小对钻头的好坏进行评价[5]。

1.6 综合指数法

综合指数法又称为主成分分析法或者主分量分析法，学者于润桥应用主成分分析法将轴承磨损量、钻头进尺、牙齿磨损量、钻头作用时间、机械钻速、钻压、泵压、转速、排量以及井深等10 项参数作为评价指标，提出了综合指数法[6]。其计算模型见式（5）。

式中：Hf——牙齿磨损量；Bf——轴承磨损量；F——钻头进尺，m；T——钻头工作时间，h；Q——泵排量，L/ s；Pm——立管压力，MPa；H——井深，m；a1，a2，…，a10——系数。

该方法优势是综合考虑了钻头的使用条件与使用效果，能够有效解决钻头指标可比性不足的问题。但是也存在没有考虑到地层因素对转速影响的缺点，因此需要根据不同区域地层来对公式中的各项系数进行重新确定。

2 岩石力学参数法

2.1 模糊聚类法

基于地层模糊聚类的钻头选型法为周德胜等[7]提出。这种方法主要研究对象是地层岩石力学性质中影响钻头转速和磨损较大的指标，通过对不同地层岩性的类似程度进行模糊动态聚类，并制作出相应的动态聚类图。之后再以已知的地层与所钻地层亲疏关系为依据，按照最接近的已知地层的钻头使用情况来进行钻头的选择。

2.2 灰关联聚类法

杨进等学者通过应用灰关联聚类分析的方式，把岩石类别中的抗压强度、抗剪强度、塑性系数以及可钻性和硬度系数等聚类为综合性岩石特性参数。再将该参数作为根据，对岩石力学特性的不同进行定量描述，以此作为依据进行钻头选型[8]。

3 综合法

综合法指的是结合岩石力学性质评价方法和钻头使用效果来进行综合评判，进而优选钻头。

3.1 岩石声波时差法

岩石的硬度、强度、可钻性和变形特征等参数，都可以通过声波时差反映，这样可以将声波时差作为依据来进行钻头选型[9]。该方法的优点是建立了目标钻头和横波时差的直接关系，缺点是一般横波时差计算过程繁杂，并且只能在对地层岩性十分了解的前提下来优选，如果地层岩性变化较大，误差就会很大。纵波优选钻头方法原理步骤大致相同，但纵波受岩性干扰较大。

3.2 剪切强度法

该方法需要先拥有一个已钻PDC 钻头数据资料库作为基础，之后再以单位进尺钻井成本和剪切强度两者的关系为依据，完成PDC 钻头选型[10]。这种方法的优点是充分考虑了PDC 钻头的剪切破坏特性。

3.3 YH 钻头优选法

该方法主要思路是将实钻数据灰色关联分析优选钻头的方式和基于测井资料计算地层岩石可钻性优选钻头的方式结合起来。通过岩石可钻性将待钻目标区域和已钻区域关联起来，这样即使缺少待钻目标区域资料，也可充分参考借鉴已钻区域资料来进行目标区域的钻头选型[11]。

3.4 地层可钻性综合系数法

地层可钻性综合系数法综合考虑了多个可能影响钻头实际使用效果的岩石力学参数，并将其标定为地层的可钻性综合值，以此作为反映该地层可钻性的难易度指标。与此同时，再引入标准井，根据地层可钻性综合值的大小比对标准井钻头来选择研究井钻头[12]。其假设条件为统计井每个成为都为相同的岩石力学特性参数，再将其作为建立标准井的条件。

该方法的钻头优选步骤是先根据实钻数据，利用效益指数法针对不同地层进行钻头排序，并以此为根据建立标准井；再通过计算得出研究井和标准井地层的可钻性综合值与岩石力学参数统计值，将该综合系数与1 进行比较判断，得出相较于标准井级别应使用的PDC 钻头。

4 各类钻头优选方法的对比分析

效果评价法以及岩石力学参数法、综合法各自都有其适用情况以及优缺点和需要解决的关键问题，具体如表1 所示。

表1 各类钻头优选方法对比分析

通过对上文中提到的三种钻头选型方法进行对比，可以得出其中综合法对钻头使用效果以及岩石力学参数都进行了充分的考虑，能够优选出经济成本较低同时还匹配目标区域地层特征的钻头，且具有较高的准确性，目前大多钻头选型方法是在该方法基础上进行优化和改进。通过对各种类型的钻头优选方法进行综合评价，现阶段较为科学合理的优选钻头思路为先通过岩性识别得出的目标区域地层岩石力学参数，再对地层岩石综合可钻性的级值进行计算，之后以地层岩性为参考依据，查找钻头库中符合对应地层特征的钻头，分别对其进行指标评价，最终选出与目标区域地层最匹配的钻头。

5 结语

（1）如何合理优选出与目标区域地层匹配的最佳钻头，并能够在现场作业中对钻头进行合理的运用，在有效控制钻井成本的同时，实现优质、快速、安全的钻井作业，是石油钻井工作中长期以来都在研究的重要课题，需要通过不断的实践摸索和发展。

（2）通过对比分析各类钻头优选方法，认为综合法综合考虑了地层岩石力学特性与钻头使用效果，具有较高的准确性，必将是钻头优选的发展方向和趋势。

（3）综合分析评价各类钻头优选方法，总结并给出了当前较为合理科学的目标区域钻头优选的方法和思路。