塔里木油田开发井钻头使用分析评价研究

中国石油大学（北京）硕士学位论文塔里木油田开发井钻头使用分析评价研究姓名：蔡正伟中请学位级别：硕士专业：油气井工程指导教师：王克雄20080401摘要本文在综合国内外地评价钻头和钻头选型方法研究基础上，提出了 利用钻井资料分析评价钻头和选型的新方法，并开发了一套利用钻井资 料分析评价钻头的软件。这种方法以数理统计理论为基础，通过对现场得来的钻井资料，运 用数理统计的数学方法，建立了一套为钻井服务的分析评价钻头的软件 系统，主要包括以下内容：1、 对塔中、哈得两区块已钻井井史资料分析，初步了解塔中、哈 得区块的地质情况和钻头使用情况；2、 建立数学模型。根据数据资料，建立原始数据矩阵。釆用加权 主成分分析方法，进而用特征值求取钻头评价指标；3、采用Access建立了钻头数据库；4、采用VB6.0编写了评价选型钻头应用系统软件。利用该软件对塔里木油田塔中、哈得钻井得来的数据进行了评价钻 头的应用研究，所优选的钻头型号与该地区使用效果较好的钻头型号基 本吻合，说明用本方法建立的分析评价钻头软件能够满足现场钻井施工 的需要，对现场应用具有重要的指导意义，是一种可行的分析评价钻头 和选型方法。关键词：主成分分析方法矩阵钻头数据库钻头评价Research on the evaluation of the bits in Tarim Oil FieldAbstractMany bits were used in the developed field and were recorded in the data of drilled well. According to these bits, we can evaluate them and optimize the bits with preferable use effect which can be used in the following exploitation well to raise the drilling speed, decrease the drilling cost and speed up the development rate in the Tarim oilfield.The means is based on the statistics and the date coming from the drilling well construction . A software according to the method is also programed to service for the drilling well . The task mainly include the following:1. Analyse the bits used in the drilled Tazhong and Hade district, and know the character of the layer and the better bits for use.2. Construct the math model. The original matrix need to be set up by these drilling well data , which depend on the statistics . A comprehensive index will be got to reflect the result of these bits use.3. A database system for the bits analyse should be established by using the “Access”.4. A software system should be developed by using 44vb 6.0” programme.The software has been applied to Tazhong and Hade district in the Tarim oilfield . The outcome which the software gave has mostly coincided with the practice . It is proved that the analysis way can be meet the need of drilling well . So , we can say，it is a kind of construction guide and a useable means.Keywords: principal component analysis； matrix； bit database；bits appraisal；第 1章前言第1章前言 1.1论文研究的目的和意义我国油气的勘探开发任务越来越艰巨钻井施工向更复杂的地 质情况挑战，需在更复杂的地质环境中钻井；并且钻井向更深的方向发 展，在更深的地层中寻找油气。因此导致钻井难度加大，钻井周期变长, 钻井成本由此而不断上升。在今后的钻井过程中，为提高经济效益，评 价并选择合适的钻头是重要的突破口之一。现场钻井实践表明，钻头的 使用效果对实现高效优化钻井具有重要意义，而钻头的使用效果又首先 决定于钻头类型的选择。要想进行合理的钻头选型，首先要了解地层岩 性状况，然后才能根据各种条件选择与之最佳匹配的钻头。钻井资料蕴 含着大量的钻头特性和性质，结合现场资料运用合理的数学方法对其进 行处理和分析，正确地评价钻头对其所钻地层的适应性，评价各种钻头 使用的优劣，为后续开发井提供钻头优选。钻井过程中选择合适的钻头。 正确地使用各种钻头，不仅可以有效地减少钻头磨损，延长其使用寿命， 减少钻头的使用数量，获得更大进尺，有效提高钻头的机械钻速，而且 可以加快钻井速度，缩短钻井周期，加快油田勘探幵发速度，提高经济 效益。本文提出利用钻井资料进行钻头评价的研究具有重要的现场指导 意义和经济实用价值，特别是对钻井现场进行科学的钻井设计和施工具 有重要的意义。在论文研究的理论基础上同时开发了一套钻头评价软 件，该系统可以实现钻头的即时选型，对现场实时钻井具有很强实用性 和指导意义。1.2钻头概述目前石油钻井中使用的钻头分为牙轮钻头、金刚石材料钻头及刮刀 钻头三大类 111。其中牙轮钻头使用较多，按完成的钻进进尺，牙轮钻头 约占总进尺的7080%左右。金刚石材料钻头按破岩元件材料分为天然金第I章前言刚石钻头(Natural Diamond Bit),常称金刚石钻头;聚晶金刚石复合 片钻头(Polycrystalline Diamond Compact Bit),简称 PDC 钻头；以 及热稳定性聚晶金刚石钻头，简称TSP钻头。1.牙轮钻头国内外对牙轮钻头都进行了系统的分类，命名了型号编码，对每类 钻头都基本上表明了所适用的地层，是指导钻头选型的依据。江汉钻头股份有限公司所生产的牙轮钻头品种齐全，共有9个标准 系列25种规格500多个品种，可适用于软到极硬的各类不同地层，占 领了国内牙轮钻头的大部分市场。本文将以江钻牙轮钻头为例來说明牙 轮钻头的分类和型号。江钻牙轮钻头型号由四部分组成：钻头直径代号、钻头系列代号、 钻头分类号和钻头附加结构特征代号。钻头直径代号：用数字（整数或分数）表示，其数字表示钻头直径 英寸数。钻头系列代号：对于三牙轮钻头，按其轴承及密封结构主要特征， 分为9个系列。除轴承和密封外，钻头结构上比较大的改进作为特殊结 构，标准系列与特殊结构或特殊结构的组合组成特殊系列。对于单牙轮 钻头，钻头系列代号以“YX”表示，“Y”指一个牙轮，“X”为设计编 号，代表不同的钻头设计特征，钻头系列代号见表1一1。钻头分类号：在全世界，牙轮钻头生产厂家众多，类型和结构繁杂, 为便于牙轮钻头的使用和选用，国际钻井承包商协会（IADC)于1987 年公布了最新的牙轮钻头分类及编号方法。IADC规定，每一类钻头用四 位字码进行分类及编号，第一位字码为系列代号，用数字18分别表示 8个系列，表示钻头牙齿特征及所适用的地层；第二位字码为岩性级别 代号，用数字广4分别表示在第一位数码表示的钻头所适用的地层中再 从软到硬分为的四个等级。第三位字码为钻头结构特征代号，用数字广9 计9个数字表示，其中广7表示钻头轴承及保径特征，8与9留待未来 的新结构特征钻头用。第四位字码为钻头附加结构特征代号，用以表示 前面三位数字无法表达的特征，用英文字母表示。江钻牙轮钻头分类号第 1章前言也采用了 IADC的规定，由三位数字组成，首位数为切削结构类别及地 层系列号，第二位为地层分级号，末位数为钻头结构特征代号。钻头附加结构特征代号：为了满足钻井及地层的某些特殊需要，钻头需 改进或加强时，则在分类号后加附加结构特征，采用1个或多个字母表/J、o2.金刚石材料钻头IADC于1987年制定了一个适用于金刚石钻头的“固定切削钻头分 类标准”。这个标准主要根据钻头的结构特点进行分类，并没有象牙轮 钻头那样考虑钻头所适用的地层。但这个在世界范围内的统一标准对金 刚石钻头的分类、设计、制造、选型和使用都具有重要的意义。标准采用四位字码描述各种型号的固定切削齿钻头以下7个方面的 结构特征（图1一1):切削齿种类、钻头体材料、钻头剖面形状、水眼 (水孔）型式、液流分布方式、切削齿大小和切削齿密度。1.3钻头的选型原则 |1.牙轮钻头研磨性地层研磨性地层会使牙齿过快磨损，机械钻速降低很 快，钻头进尺少，特别会磨损钻头的规径齿以及牙轮背锥与爪尖，使钻 头直径磨小轴承外露，加速钻头的磨损，这时最好选用加强保径的镶齿 钻头。浅井段与深井段为了达到更好的经济效果，在浅井段应选用 机械钻速较高类型的钻头，深井段应考虑使用寿命长的钻头。深部软地层最好使用低固相优质轻泥浆，选择中硬地层钻头 类型。易井斜地层通过理论分析和实验得出，移轴类型的钻头，在 倾斜地层钻进时易造成井斜，所以应选用不移轴或移轴量很小的钻头， 同时，保证移轴小的前提下，还应选比地层岩石较软类型的钻头，这样 可以在较低的钻压下提高机械钻速。软硬交错地层 一 般选择镶齿钻头中加高楔形齿或加高锥球第 1章前言齿，这样既在软地层中有较高的机械钻速，也能保证对付硬地层。2.金刚石材料钻头 金刚石钻头的适用条件 /需要钻头长时间在井底工作：/使用油基泥浆体系；/在非水化地层使用水基泥浆体系（优先)；/高速旋转钻进；/井底温度很高；/需要用较低钻01控制井斜井段；/过平衡压力钻进。金刚石材料钻头适用的地层 /天然/热稳定聚晶金刚石钻头（TSP)今中等强度，适度研磨性和易变形、硬化的中等深度的碎肩、 沉积岩（如碳酸盐岩、石膏、粉质粘土岩)；今较高强度和研磨性、较硬的岩石（如砂质页岩、钙质砂岩、 石灰岩)；今高强度和高研磨性、较硬可塑的地层（如硬质砂岩、溴化物 等/聚晶金刚石复合片钻头（PDC)今极软、易碎、深度较浅的沉积物（如砂岩、粉砂、粘土等)； 今低强度、非致密、易碎、非醋磨性的碎屑岩（如硬石裔、泥 灰岩等)；今中等强度，适度研磨性和易变形、硬化的中等深度的碎肩、 沉积岩（如硅质页岩、石膏、粉质粘土岩)。1.4钻头选型国内外的研究现状尽管国内外近期对钻头选型方法2H3H4的研究较多，但目前现场采 用的钻头选型方法仍可大致归为两大类，即定性和定量选择方法21。 定性选择方法就是从岩石的力学性能入手，寻求与岩石的力学性能相第 1章前言匹配的钻头。定量选择方法是从某地区己经钻的钻头资料入手，分地 层对钻头的使用情况进行评价，依据一定的模型，经过量化后确定钻 头型号，其实质是用已钻井的钻头使用效果（如钻头进尺、钻头寿命、 平均机械转速、单位进尺成本等）来作为待钻井钻头选型依据 561。表 1 一 1江 钻油 用牙 轮钻 头系 列代 号表特 殊 系 列序 号 轴 承 及 密 封 主 要 结 构 特 征 标 准 系 列 T D B (双 流 道(特 别 保 径 ） (等 磨 损 齿 ） 低 喷 嘴 座 ）1 滑 动 轴 承 橡 胶 密 封 H HTHD HB2 滑 动 轴 承 橡 胶 密 封 改 进 型 HA HATHAD HAB3 滑 动 轴 承 金 厲 密 封 HJ HJTHJD HJB4 滑 动 轴 承 浮 动 密 封 HF HFTHFD HFB5 浮 动 轴 承 橡 胶 密 封 改 进 型 FA FATFAD FAB6 滚 动 轴 承 橡 胶 密 封 改 进 型 GA GATGAD GAB7 滚 动 轴 承 金 屈 密 封 GJ GJTGJD GJB8 滚 动 轴 承 浮 动 密 封 GF GFTGFD GFB9 非 密 封 滚 动 轴 承 W10 滑 动 轴 承 橡 胶 密 封 单 牙 轮钻 头 YA一位 字码 第 二 位 字 码 第 三 位 字 码 第 四 位 字 码图 1 一 1固 定切 削齿 钻头 IADC分类 编码 意义 （1987年 ）对于定性选择方法而言，岩石力学参数包括岩石强度、岩石抗压 强度、岩石抗剪强度、岩石的可钻性等。他们反映了岩石抗破碎的特第 1章前言征。钻头选型的工作就是选择与地层类型相匹配的钻头，因此地层岩 石的力学性质是研究钻头选择的基础。准确地获取岩石的力学性能， 将是准确推荐钻头的基础和前提。对于岩石力学参数的获取，目前可 以通过室内岩心实验 lnm求出地层可钻性、抗压强度、抗剪强度、硬度 等参数，然后对地层岩石进行分级、对比，建立岩石力学参数和钻头 类型的关系。另外还可以通过测井资料计算岩石力学参数 8,国内外 许多学者提出新的方法來采取岩石的可钻性和其它的力学参数。上世 纪80年代我国在探矿工程领域开展了应用岩石纵波进行岩石可钻性 分级的研究 19,并建立了岩石声波速度和岩石可钻性的函数关系； 90 年代初原地矿部钻井研究所提出了一种利用测井声波时差求取岩石可 钻性的方法一一声波时差法幵辟了利用测井资料求取岩石可钻 性级数的新途径。定量选型方法适用一个已幵发的区块，因为使用过很多不同类型， 不同型号的钻头。所以在这样的地区，可以对已经使用过的钻头进行 评价，找出每一个地层中使用效果最好的钻头，从而达到钻头选型的 目的。在钻井行业中，评价钻头使用最多的就是钻头单位进尺成本 |1, 其公式为：(1-1)式中：cpm单位深度的钻井成本；cb钻头成本；Cl一钻机作业费用；V起下钻和接单根时间； tb钻头实际纯钻时间；H钻头进尺。按照上面的公式，计算出每个地层每种钻头的成本，成本最低的就是 使用效果最好的钻头。1998年杨进、高德利提出钻头评价的新方法一钻头效益指数法 31。 它是根据钻头进尺、钻头机械钻速和钻头成本三个因素的综合指标来评价钻头使用效果。第1章前 RC =