（油气井工程专业论文）中原油田钻头综合选型研究及应用.pdf

s t u d ya n da p p l i c a t i o no fb i ts e l e c t i o n f o rz h o n g y u a no i lf i e l d b y z h a n g ，z h a o p i n g s u b j e c t ：o i l & g a se n g i n e e r i n g d i s s e r t a f i o ns u p e r v i s o r ：l i , g e n s h e n g ( p r o f e s s o r ) c h i n au n i v e r s i t yo fp e t r o l e u m a b s t r a c t c o r r e c tb i ts e l e c t i o ni so n eo ft h ek e yt e c h n i q u e st h a tc a ni m p r o v eb o t ht h ed r i l l i n g m t ea n df o o t a g el a r g e l yi n c r e a s e d am e t h o dt h a tb u i l tw i t l la d v a n c e dm o d e l sw h i c hc a n e v a l u a t et h ef o r m a t i o nc h a r a c t e r sa n ds e l e c td r i l lb i tp r o p e r l yi sw h a tt h ed r i l l i n gi n d u s t r y d e s i r e d o nt h eb a s i so f t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，l a be x p e r i m e n t sa n da p p l i c a t i o ni nz h o n g y u a n o i lf i e l d , t h i sd i s s e x t a t i o np r e s e n t san e wf o r m a t i o ne v a l u a t i o na n db i ts e l e c t i o nm e t h o d v i s u a lb a s i ca n dd e l p h iw e r es e l e c t e dt op r o g r a m m et h ef o r m a t i o ne v a l u a t i o na n db i t s e l e c t i o ns o f l w a r e s ，a n dt h ed e v e l o p e ds o f f w a r e sh a v e b e e na p p l i e di nr e a ld r i l l i n g m a n a g e m e n tt ov a l i d a t et h ed e v e l o p e dm o d e l n 他c o m p a r i s i o no ft h en e i g h b o rw e l l s d r i l l i n gd a t ap r o v e st h ef e a s i b i l i t ya n dt r u s t b i l i t yo ft h em o d e la n ds o f t w a r e n l em a i n c o n t e n ti n c l u d e s ： b a s e do nt h ee v a l u a t et h ef o r m a t i o nc h a r a c t e r sb yl o g g i n gd a t a , t h ef o r m a t i o n c l a s s i f i c a t i o nm e t h o dw a ss e tu p ，w h i c hc a na p p l yi no i lf i e l de a s i l ya n dl a yaf o u n d a t i o n o fb i ts e l e c t i o n , i n t e g r a t i n gt h ed i s c u s s i o no ft h ec l a s s i f i c a t i o nc r i t e r i o n c l a s s i f i c a t i o n m e t h o da n dq u e s t i o n si nt h ef o r m a t i o nc l a s s i f i c a t i o na tt h es a i r l et i m e b i ti n t e g r a t i o ni n d e xra n ds e l e c t i o nm e t h o dw a sa d v a n c c d ，w h i c hi n t e g r a t et h ea c t u a l w e l ld r i l l i n gd a t e ，b i tp a r a m e t e r s ，f o o t a g ea n dc o s tp e rm e t e r 砸sm e t h o dm a k e sb i t s e l e c t i o nm e a s u r a b l e t h r o u g ht h el a br o c ke x p e r i m e n t s ，a c o u s t i ct e s t sa n dc u t t i n gt e s t s ，t h ee x p e r i m e n t a l r e l a t i o n s h i pw a sb u i l tb e t w e e nt h er o c kd r i l l a b i l i t ya n ds o n i ci n t e r v a lt r a n s i tt i m e b yt i c r e l a t i o n s h i p ，t h ez h o n g y u a no i lf i e l dr o c kd r i l l a b i t i t yc a nb ec a l c u i a t e de a s i l y 眦t h e c u t t i n gt e s tt e c h n i q u ew a sp u tf o r w a r d ，w h i c hc a ne v a l u a t et h ef o r m a t i o nl a c ko f c o r ed a t a b a s e do nt h et h e o r ya n a l y s e so fr o c kb r e a k i n g ，w ee v a l u a t ef o r m a t i o nd r i l l i n g c h a r a c t e rw i t ht h et r i a x i a lc o m p r e s s i o ns t r e n g t h , g e tt h ee m p i r i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e n p d cb i tc u t t i n gs t r u c t u r ea n dt h et r i a x i a lc o m p r e s s i o ns t r e n g t h , a n de s t a b l i s ht h es e l e c t i o n m e t h o do f p d cb i tw i t l lt h et r i a x i a lc o m p r e s s i o ns t r e n g t h t h ef o r m a t i o ne v a l u a t i o na n db i ts e l e c t i o ni nz h o n g y u a no i lf i e l ds o t t w a r ew a s d e v e l o p e db yv i s u a lb a s i ca n dd e l p h il a n g u a g e w i t hf a u l tt o l e r a n c es t r o n g , a e c r r a t e c a l c u l a t i o n , s i m p l e ，i n t e r a c t i v en a t u r e ，a n db e t t e rp o r t a b i l i t y t h r o u g ht h ea p p l i c a t i o ni np u c h e n ga n dw e i c h e n gi nz h o n g y u a no i lf i e l d ，f o r m a t i o n e v a l u a t i o na n db i ts e l e c t i o nw e r ep e r f o r m e d c o m p a r e dw i t hs i m i l a rw e l l ，a na v e r a g e i n c r e a s eo f1 8 6 i nt h ef o o t a g eo fs i n g l eb i t , t h ea v e r a g ep e n e t r a t i o nr a t ei n c r e a s eo f 1 3 8 a na v e r a g eo f 7 1 t os h o r t e nt h ed r i l l i n gc y c l e k e yw o r d s ：f o r m a t i o nc h a r a c t e r , f o r m a t i o ne v a l u a t i o n , b i ts e l e c t i o n ，r o c ks t r e n g t h , e x p e r i m e n t a ls t u d y , s o f t w a r e ，z h o n g y u a no i lf i e l d 独创性声明 我呈交的学位论文是在导师指导下个人进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其它学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此声明。 声明人( 签孙狸犁泸月胛 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交学位论文的复印件，允许学位论文被查阅和借阅；学校可 以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存学位论文。特此说明。 说明人( 签名) ：指导教师( 签名) ：垄丝夥夏群o - 月，驴日指导教师( 签名) ：驾彬夏绛月，驴日 1 7 一 中原油田钻头综合选型研究及应用 创新点摘要 1 在地层特性参数测井评价的基础上，研究了利用聚类分析对地层特性进行分 层评价，提出了钻头综合“定量”选型方法，实现了钻头选型定量化。( 见第2 章) 2 利用岩心和岩屑测试方法对岩石可钻性、硬度、波速进行了实验测试。建立 了中原油田岩石可钻性与声波对差的经验关系式，同肘提出了岩屑适时测试技术，丰 富了缺乏取心数据或取心困难地区的地层特性评价手段。( 见第3 章) 3 提出并建立了利用三轴抗压强度优选p d c 钻头的方法。在岩石破碎理论分析 的基础上，提出将三轴抗压强度作为地层抗钻特性评价的重要参数，给出了p d c 钻 头切削结构参数与三轴抗压强度的经验关系式，建立了利用三轴抗压强度优选p d c 钻头的方法。( 见第4 章) 4 开发了“中原油田地层特性评价及钻头选型”软件。现场试验表明，濮城、卫 城地区宜选用适合“软一中软一中”多套岩石可钻性级别的p d c 钻头和新型复合式 p d c 钻头钻井，在沙河街组地层中采用转盘+ 螺杆钻井方式，配合p d c 钻头，有利 于获取较高钻井进尺、较快钻井速度，钻头使用效果明显。( 见第5 、6 章) 第1 章引言 第1 章引言 钻井作业的实施是通过钻头直接破碎地层岩石而得以实现的，降低钻井成本 最直接、有效的措施就是提高钻头进尺、加快钻井速度，通过合理的选择钻头类 型，提高钻头本身的性能是实现这一目标的有效途径。上世纪九十年代末，钻头 业经历了迅猛发展，各种系列、不同型号的牙轮钻头、人造聚晶金刚石复合片 ( p d c ) 钻头、天然金刚石钻头等层出不穷，且钻头制造工艺有了十分显著的进 步。面对众多的钻头，如何经济、高效的选用合适的钻头已成为提高钻井经济效 益的关键。 目前，中原油田在钻头优选方法上仍采用经验化( 即定性) 的选型模式，这 种钻头选型模式与方法在现场应用中往往容易造成( 1 ) 所选用钻头结构单一， 型号少，不能满足地层岩性变化的要求；( 2 ) 钻头破岩机械能量、水力破岩能量 严重不足；( 3 ) 容易产生重复破碎、钻头泥包；( 4 ) 钻头磨损严重，钻头耗损量 大。所有这些都严重影响钻井过程中机械钻速的提高，从而导致中原油田钻井速 度低、钻井周期长和钻井成本高的不利局面。 1 1 选题意义 在钻井过程中，钻头是破碎岩石的主要工具。钻头质量的优劣、钻头的使用 效果和钻头与所钻地层岩性是否适应对一口井的效益指标影响很大，对提高钻井 速度、降低钻井成本起着重要作用。尤其对于深井，所钻地层跨越的地质年代较 多，地层变化大，可钻性变差，岩石的硬度和强度相应增加每起下钻一次，所 耗费用大，因而提高钻头使用效率，就变得更为重要。 钻头的使用效果，又首先取决于钻头类型选择是否合理。合理选取钻头，可 以减轻钻头牙齿、轴承和直径的磨损，延长钻头在井下使用时间。当钻头类型与 所钻地层相适合时，钻头应该形成正常磨损，牙齿始终保持很锐利的形状，钻头 使用到后期的机械钻速仍较高。当钻头不适应地层岩性、加压过小或使用时间过 长时，钻头牙齿、直径易形成不正常磨损或磨光。不正常磨损将使牙齿与地层的 接触面积增加，导致机械钻速显著降低。当各圈牙齿磨损不均匀时，会在钻进中 出现憋、跳现象而起钻，影响施工效率。 1 第1 章引言 近十多年随着钻井技术、冶金和机械制造工业的发展，钻头设计、制造和使 用有了极大的革新，原有各类钻头使用范围不断扩大，增大了选型范围，如刮刀 钻头从在极软和软地层使用发展到极软、软和中硬地层使用；牙轮钻头从极软到 坚硬地层都有相应的品种和系列可供选用：金刚石钻头从坚硬和硬地层使用，发 展到坚硬、硬和中硬地层使用。 在开发的中晚期油田，为了提高开发效果，定向井钻井所占的比重将越来越 重，中原油田的情况尤其如此，近年来，中原油田每年所钻定向井数量占钻井总 数的8 0 以上。在目前的定肉井钻井中，所使用的钻头优选方法大都是广义的钻 头优选方法，在这些钻头优选方法中，都没有将定向钻井的特殊性考虑进去，从 而大大降低了钻头的优选效果。为了提高定向钻井的效率，降低钻井综合成本， 在广义钻头优选方法的基础上开展定肉井钻头优选方法的研究，具有十分重要的 现实意义，是论文所要研究和解决的主要问题。 1 2 钻头选型研究国内外研究现状 自从旋转钻井问世后，地层可钴性就引起人们的关注。1 9 2 7 年 1 1 i l l s o n 提出 岩石可钻性概念，它反映出钻进岩石的难易程度。对岩石可钻性传统的研究方法 是假设岩石是均匀介质，先设计一种岩石性质，然后研制测试工具，取样测定数 据，最后进行分级和应用。一般地说，地层变化不大时选择钻头类型效果明显。 随着钻头的改进，一只钻头要钻进几百米，甚至是几千米，穿透多套地层，岩石 性质变化大，这样一来就无法确定出钻速方程： 矿= 瓦互西毒矿。，8 胍，c e d m w 中的常数和系数。因此，只好用实 验经验选择钻头类型，而这种经典方法己不能适应科学钻并发展的需要。实际上， 地层是非均质的，各国相继开展了此项技术的研究，并成功地开发出多种形式的 钻头优选方法和技术卜8 1 。中国石油大学地应力研究室经过多年的试验研究，建 立了以地层的非均质为基础的统计地层可钴性，即地层宏观可钻性，也就是用实 验方法和数理统计的方法研究地层可钻性【9 】，完成钻头类型的优选问题。近七十 年的研究与发展，在钻头优选方法的研究领域大体上呈现出三大技术发展方向和 各自的研究领域，通过对其主要技术发展方向的研究。以及对各种钻头优选方法 上优劣性的评价，再结合实际现场应用状况分析，可以确定出一种综合性强、适 第1 章引言 合中原油田实际特点的钻头优选方法。 1 2 1 常用的钻头选型方法 1 9 2 7 年t i l l s o n 提出岩石可钻性概念，开辟了现代旋转钻井的岩石可钻性研 究应用领域。随着研究的深入，如何合理地选择钻头型号同岩石可钻性研究紧密 地联系起来，形成一系列至今仍不断采用的钻头选型方法【1 0 1 4 】： 1 根据邻井资料选型。对邻井相关资料逐地层逐钻头进行分析，以最优钻 速和进尺为标准，从中选出合适的钻头类型和钻井参数。但当邻井资料较少，邻 井所用钻头本身就不合适或设计井和邻井的地质条件相差悬殊时，根据这种方法 就得不到理想的结果。 2 根据钻头分类标准选型。因各钻头生产厂家所生产的各种类型钻头是根 据岩石的软硬特性设计的，这样一来就可根据所钻地层的软硬级别选用对应的钻 头类型。例如：根据国产钻头分类标准或i a d c 分类标准进行选型就属于这种方 法【1 5 】。该方法虽使用广泛，但如果与某一地层相对应的钻头有多种型号或有多 个厂家的产品，就不容易判断选用那种型号最合适。 3 根据统计方法选型。一般地，老油区有着丰富的钻头使用资料，对这些 资料进行统计分析，得到各类钻头的定量使用指标，如：机械钻速、钻头寿命、 钻头进尺、每米成本等，根据各项指标的高低进行对比完成钻头选型。 综上所述，常用的这几种钻头选型方法均依靠室内测定的岩石可钻性，一般 是在实验室内对大量的岩心进行测定，做大量的力学分析和实验研究，然后通过 统计分析得出岩石可钻性级数，随后按照岩石力学对岩石软硬程度进行划分，对 应不同岩性的钻头也用相应的软硬程度予以标志，再根据这个标志配以软硬程度 与之相对应的钻头，这即是目前现场采用较为普遍的钻头选型方法。由于岩石可 钻性表征了岩石抵抗钻头破碎的能力，是选择钻头、提高钻井速度的基础，因此 这类钻头选型方法在现场应用中具有很强的指导作用。但这类钻头选型方法由于 受主客观条件的限制，存在以下几点不足： 1 不能全面反映岩石在地下所处的高温高压情况： 2 难以全面反映不均匀地层岩石性质的变化； 3 由于经济和技术的原因，不可能对整个地层都取心，难以建立连续剖面； 4 在井下复杂、岩性变化大的区域，室内测定的数据对钻井缺乏对比性； 3 第1 章引言 5 为了全面掌握某一地区可钻性情况，必须进行大量的岩心测定，耗资费 力，工作量大。 因此，从2 0 世纪8 0 年代开始，国内外不少人便试图利用比能法和d c 指数 法对岩石可钻性进行研列1 6 - 2 0 ，但由于外界影响因素多，考虑的参数不足而难于 推广。应当特别指出的是，中原油田的地质状况特殊、断层复杂，且长期勘探开 发后地层高含水、强采强注后造成地层的岩性发生很大变化，采用此类钻头选型 方法在现场实施中的效果不佳。 1 2 2 利用数学分析进行钻头选型方法 由于影响钻头使用效果的因素是多方面的，在钻头工作过程中，诸如：钻头 磨损程度、岩石可钻性、岩石研磨性、轴承磨损系数等多个影响因素的可知程度 都很难确定。因此，有人便在研究过程中引入模糊数学和数值分析的理论，将这 些不可知因素进行有效的数学处理，求归出一种更合理的数学模型，从而在钻头 选型方法上更具指导意义，这当中较为著名的有【2 m 0 】： 聚类分析是数理统计研究中“物以类聚”的一种多元分析方法。由于事物在 许多情况下带有模糊性，因此用模糊数学方法进行聚类分析就能使分类更切合实 际。在地层岩石性质中影响钻头钻速及磨损的主要指标有可钻性、研磨性、硬 度、塑性系数和抗压强度，以常见的泥岩、页岩、灰岩、砂岩、花岗岩等五种岩 石性质为对象，综合分析地层间的亲疏关系，按各地层间对应岩性的相似程度可 建立对应的模糊相容矩阵，即： d b ，_ ) ：兰 其中：，一：如= 5 ) 分别表示第i 种地层的可钻性、研磨性、硬度、塑 性系数和抗压强度 规范化后求出各地层间的相关数珞为： 吩= 去d ，_ ) ( 1 - 2 ) 经过聚类分析之后，已知地层即是知道其岩性和所用钻头情况的地层，将所 钻地层( 按其五种岩性) 作为新地层加入已知地层的聚类中，通过模糊聚类分析 可确定其所属的类别及其最接近的已知地层。确定了所钻地层与各已知地层的分 4 第1 章引言 类情况后，就可参照与新地层最接近的某一或某几种已知地层的钻头选用情况选 择钻头。 这种钻头选型方法具有的优点是： 模糊聚类分析法是一种更全面的地层分析法，可将地层按其多种岩石性质进 行分类； 新地层可参照与其最接近的已知地层的钻头使用情况选择钻头，但是此方法 操作较为复杂，对参照地层较少、钻头使用较为单一、地层情况复杂多变的地层 区块来讲，其现场应用价值就不是很高。 1 2 3 神经网络算法的钻头选型方法 早在2 0 世纪5 0 年代，研究人员就开始模拟动物神经系统的某些功能，来进 行非线性模型的辨识，他们采用了软件与硬件，建立了许多以大量处理单元为结 点和处理单元之间互联的拓扑网络，并将上述模拟合称之为人工神经网络，目前 较为普遍的模型分类网络有6 种 3 1 - 3 5 ，如图1 1 所示： 模型辨识神经网络分类 二值输入连续值输入 有监督i 无监督 l 有监督il 无监督 h o p f i e l dl h a m m i n g i 广上 网l 网 c g 网 最优分 样本中心 类算法li 聚类算法 感知器 网 正态分 布算法 多层感 知器网 k 近邻 算法 k o h o n e n 网 k 均值 i 算法 图1 - 1 1 六种常用人工神经网络的分类树 用于钻头选型的神经网络模型比较多，但用什么模型最好目前尚无理论依 5 第1 章引言 据，目前在钻头选型方法上常采用前馈网络结构。 在运行钻头选型系统过程中，系统的推理过程是一个信息正向传播的过程， 其推理步骤： 1 获取钻头选型的各种信息； 2 利用神经网络专家系统知识库进行前向计算，得出决策型号序列； 3 按照型号序列计算其成本序列，如果序列的第一位对应型号不变，则终 止推理，转步骤( 5 ) ； 4 否则，计算综合指数，给出综合指数最大的钻头型号； 5 输出推理结果： 6 如果领域专家认为需要进行在线学习，则由专家给出训练信息进行学习， 将新的知识加入知识库中。 7 推理结果就是给出最优钻头的型号。 此类钻头综合选型方法解决了定性选型方法中的对地层岩性未知时无法选 型的缺陷。在新区钻头选型中，可将综合选型方法中1 3 种岩性全部选中，就是 在进行钻头选型时，将神经网络数据输入中的有关地层内容全部赋值为1 ，利用 这组数据就可进行选型。神经网络钻头选型方法还解决了钻头指标缺乏可比性的 问题，具有一定的先进性和适用性。 但这类钻头选型方法在进行钻头系列优化组合和针对钻头使用单一的情况 下的使用效果仍有待于进一步提高及完善。 另外，诸如：数学分析中的灰色理论，盈亏数值分析，模糊数学统计分析等 数学方法都有人将其应用于钻头选型方法中，并取得了一定的使用效果，但这些 钻头选型方法在现场应用过程中往往存在一定的问题，例如：操作过于复杂，理 论性较强，依据性差，准确性有待于提高等等，在今后的研究中需要进一步的完 善。 1 2 4 利用测井资料进行钻头选型方法的研究 从上世纪8 0 年代开始，国内外在钻头选型方法研究中发现，测井资料中蕴 藏着大量的地层信息，通过对其进行处理与分析，可以估算出整个地层剖面上的 岩石力学参数、地层压力( 系统) 参数，以及其他一些对钻井工程有用的信息【3 “o 】。 同时，测井资料能全面反映地层的不均匀特性，有很好的连续性，能弥补未能取 6 第1 章引言 心层段不能确定可钻性级数的缺陷，且便于建立连续剖面。因此，国内外钻井研 究工作者相继开展了利用测井资料预测地层岩性、进行钻头选型的研究工作。与 其它钻头选型方法的研究相比，测井资料具有信息含量丰富，连续以及成本较低 等特点，特别是在参考井较少的情况下，利用测井资料进行科学的钻井设计与施 工更具价值，因此这类钻头选型方法在钻井工程中受到普遍重视【4 “”。 常规测井曲线一般包括自然伽马、自然电位、井径、密度、声速( 声波时差) 、 温度及感应电阻率等曲线，其中声波时差曲线中的声被时差值与地层的岩性、岩 石结构、地层埋藏深度和地层地质时代都有密切关系，对测定的岩石可钻性级数 与对应层位的声波时差值进行分析研究发现：声波时差相同的岩心，岩石可钻性 级数相同，岩石越硬，岩石可钻性级数越大，声波时差值越小。因此可以认为声 波时差能够较好地反映岩石的综合物理性质1 4 e - 5 5 1 。 根据弹性波理论，对于均匀无限介质，纵波速度v p 为： 巧= g ( 1 + 盯) ( 1 + 2 a ) a t ( 1 3 ) 横波速度v s 为： 珞= k = 击 “钔 式中：出纵波测井时差( 即普通声波时差测井) 岔。横波测井时差 从上式可以看出，声波时差取决于岩石密度p 、扬氏模量e 、泊松比盯，而 p 、e 、仃都是反映岩石变形、抗张、抗剪及抗压性质的重要物理参量。美国的 g s t a l d e r 和r a g n a l 通过室内试验，得出岩石硬度和声波时差值在一定程度上是线 性相关的。美国a m o c o 公司k l m a s o n 通过室内研究，得出了测井声波时差与 地层抗压强度的关系，认为它们之间也是线性相关的。 另外，可根据因素分析，选择影响因素显著的参数，用数学方法建立有关岩 石可钻性和岩石强度的预测计算模型； k = q 焉馨铣 仆s ， 式中：墨一岩石强度( 1 = l ，2 ，4 ) ，m p a ； b 岩石弹性模量，m p a ； 第1 章引言 一岩石泊松比； 吼一方程系数： 岛一岩石泥质含量影响系数； 吒，屈，门- 分别是反映岩石抗张、抗剪、抗压的指数。 利用常规测井资料进行钻头选型的研究，目前在国内外已成为较为成熟的应 用技术，室内试验和现场应用都证明了利用声波时差求取的岩石可钻性，能够比 较客观地反映各个地区的岩石可钻性变化规律。利用该方法计算得出的岩石可钻 性变化规律用于指导钻头选型，具有很强的科学性。因此，这类钻头选型方法在 钻井工程中的应用具有特别重要的意义，有着很强的实用性和先进性。 1 3 本文的研究内容及研究方法 1 3 1 本文的研究内容 本文主要研究内容包括以下5 个方面： 第一，钻井地层特性评价技术研究 如何将反映岩石综合物理性质的有价资料( 声波) 与代表岩石破碎综合性质 的地层因素( 可钻性) 有机联系起来，通过两学科交叉研究，用其预测地层可钻 性和钻速，将是解决问题的关键所在。此项技术研究一直是工程界较前端的重点 课题之一，加之需要做出与全中原油田相匹配的数据模型，因此钻井地层评价技 术将是本论文重点研究内容之一。 第二，钻头综合选型方法研究 在地层特性评价研究的基础上，以钻头进尺、钻井成本为最终评价指标，采 用最优化理论和模糊数学中灰色聚类评判的数值分析理论对影响钻头选型的各 种因素综合加以评判，排列出适合地层可钻性特征钻头的先后次序，完成钻头优 选工作，将是本论文的又一个重要内容。 第三，岩石力学参数室内实验研究 利用岩心和岩屑测试方法对岩石可钻性、硬度、波速进行了实验测试，建立 中原油田岩石可钻性与声波时差的经验关系式，为中原油田地层特性评价和钻头 选型提供实验依据。 8 第1 章引言 第四，钻头综合选型软件编制 在钻井地层特性评价研究和钻头综合选型技术研究的基础上，编制“中原油 田地层特性评价及钻头选型”软件，为中原油田钻头选型提供一种便捷的手段和 可靠的方法。 第五，钻头综合选型技术现场试验评价 通过中原油田现场试验，对地层特性评价技术和钻头选型模式的工作情况、 现场钻井中的使用效果以及钻头综合选型软件的使用范围进行评价和完善。 1 3 2 本文拟采取的研究方法 本文拟采用理论分析、室内实验、计算机编程和现场试验相结合的方法。通 过理论分析确定应用地层评价和钻头选型的主要参数，并初步确立相互关系。以 实验研究为主要手段，通过室内实验建立地层评价模型。在吸收和借鉴前人研究 成果的基础上，结合钻进成本，钻头i a d c 编号，钻头结构，流体力学、岩石力 学等利用计算机编程语言编制地层评价软件和钻头优选软件。为了检验所建立地 层评价模型的准确性和可用性，结合现场实验结果，对模型和软件进行实际应用， 并根据应用结果对模型和软件进行修正和完善，以更好的适用于中原油田的各个 区块。 具体研究逻辑结构如下： 1 地层特性评价研究 在地层特性参数测井评价的基础上，利用聚类分析对地层特性进行分层处 理，为钻头综合选型打下基础。 2 钻头综合选型方法研究 利用最优化理论和模糊数学灰色聚类评判的数值分析理论建立综合考虑地 层因素、钻头性能指标、钻头使用状况和井身结构特征的钻头优选模型。 3 计算机编程； 编制地层评价软件和钻头优选软件。 4 现场试验研究： 5 模型和程序的修正和完善。 9 第2 章地层特性评价及钻头综合选型研究 第2 章地层特性评价及钻头综合选型研究 钻头选型是钻井设计和施工过程中非常重要的组成部分。石油钻井是以钻头 作为破岩工具的，钻井速度的快慢，与所选钻头型号、地层岩性是否匹配有很大 的关系。一个合适的钻头选型，不仅可以明显地提高钻速，同时也可以减少井下 事故的发生，达到高速、低成本、安全钻井的目的。长期以来国内外钻井工作者， 一直在不断地进行着钻头选型的研究工作，不同的地层，选用的钻头是不同的， 只要有钻井就离不开钻头选型工作，过长期理论研究和实践，取得了许多成果。 从国内外的研究情况来看，钻头的选择主要是从两个方面进行的，一方面是从岩 石的力学性能入手，寻求与岩石的力学性能匹配的钻头。另一方面是从某地区己 经钻的钻头资料入手，分地层对钻头的使用情况进行评价，从评价的结果中找出 适合该地区该地层的钻头【5 6 - 6 2 j 。 地层钻进特性( 可钻性、硬度、抗钻强度、钻压指数等) 参数是钻头优选的 基础。由于取心的困难，长期以来，国内外专家都在寻找一种简便的方法来确定 地层的钻进特性参数。声波测井反映声波在岩石中的传播速度，它与岩石的密度、 孔隙度、结构强度等密切相关，可利用它来获得岩石的力学参数和工程特性测试， 从而进行钻头优选。选择测井资料作为地层钻进特性评价的基本资料，建立了不 同岩性地层特性参数与测井资料关系的经验关系式，在对测井资料进行预处理的 基础上，给出地层特性预测剖面，然后对预测结果进行分层处理，便于工程应用。 2 1 地层岩石力学参数测井评价方法 国内外许多学者提出许多新的方法来求取岩石的可钻性和其它的力学参数 旧川】。上世纪8 0 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，并建立了岩石声波速度和岩石可钻性的函数关系；上世纪9 0 年代 初原地矿部石油钻井研究所提出了一种利用测并声波时差( a t ) 求取岩石可钻 性的方法一声波时差法，开辟了利用测井资料求取岩石可钻性级数的新途径。声 波在岩石中的传播反映了岩石的各种本构关系，对于精确地预测岩石强度有重要 的意义【7 2 7 4 j 。 一般的工作思路如下： 1 0 第2 章地层特性评价及钻头综台选型研究 各种标准岩心 上土 室内测定岩石的各种设备 测定声波在岩石中的传播 占 建立声波速度和岩石参数的关系 毒 利用测井资料计算岩石力学参数、推荐钻头 图2 1 钻头优选思路图 采用测井资料来预测岩石的强度和可钻性有它的优点，测井数据是在地层压 力、温度及一定的钻井条件下沿整个井身剖面逐点进行的，因此，由测井资料得 到的岩石动态弹性模量和泊松比包含了地层在钻井过程中受到的各种扰动，能够 反映岩石强度随环境变化而变化的特征。 在钻井地层评价技术的研究过程中，相继解决了测井资料预处理、连续剖面 计算、地层钻进特性分层等几个技术关键问题，并对分层过程中出现的技术难题 进行了深入的探讨，其主要研究内容包括： 2 0 1 1 弹性介质中的纵横波 声波是物质运动的一种形式，它是由物质的机械运动而产生并通过质点间的 相互作用将振动由近及远地传递而传播的。对于声波测井来说，井下岩石可以认 为是弹性介质，在声振动作用下能产生弹性形变，故岩石既能传播质点运动方向 与传播方向平行的纵波，又能传播质点运动方向与传播方向垂直的横波。国外一 些研究已经表明，声波在岩石中的传播速度与岩石的工程力学特性参数存在着较 好的相关关系。另外从测井资料分析中也可以看出，声波的传播速度与地层的岩 性、岩石结构、埋深和地质年代也有密切的关系。因而声波在岩石中的传播速度 能够较好地反映岩石综合物理性质。 根据弹性波理论，对于均匀各向同性的理想弹性介质有下列各式： = 、才瑞= 蔷协d 第2 章地层特性评价及钻头综合选型研究 珞= 森= 蔷 o 5 a t , 2 一血2 胪瓦茚 e ：2 p 6 ( 1 + a ) a t , 。 g = 互丽e 置= j i 两e ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) 式中：v p ：v 孽一分别为纵波速度、横波速度，m s ： t c 、t r _ _ 分别为纵波时差、横波时差，雌，m ； 盼一岩石体积密度，g e m 3 i l 波松比，无因次； 卜岩石弹性模量，m p a g - 一岩石剪切模量，m p a ； k 岩石体积模量，m p a ； 由上式可以看出，岩石弹性波速取决于岩石弹性模量e 、泊松比斗和岩石的 体积密度p ，而e 、p 和p 又是描述岩石强度、硬度和弹性的重要参数。因此， 岩石弹性波速可以真实反映钻遇地层的岩石强度、硬度等参数，而岩石的抗钻特 性主要是由这些参数决定的。 2 1 2 地层钻进特性参数的测并评价 通过大量调研分析，建立或筛选了一些地层钻进特性经验关系式，利用测井 解释给出的地层弹性波速、孔隙度、泥质含量、自然伽马、自然电位等参数可计 算获得地层岩石的强度参数( 如单轴抗压强度、抗拉强度、内聚力、内摩擦角等) 和钻进特性参数( 如岩石可钻性、硬度、抗钻强度、钻压指数等) ： 测井资料预处理 录入计算机的测井资料受各种不可预见因素的影响，往往导致预测结果发生 较大的变化。因此，有必要对测井资料进行预先处理，以便提高测井资料使用的 准确性，缩小误差范围。 1 2 7 第2 章地层特性评价及钻头综合选型研究 1 、深度和井径扩大校正 在测井过程中，尤其是深井测量时，由于测井仪器的重量不同，测量时间不 同，测速不同等多种原因，引起测井电缆受力情况不一样，造成各曲线间不同程 度的深度误差。另外，在钻井过程中，由于地应力等的作用，不可避免会出现不 同程度的井径扩大。所以，在测井资料的处理过程中，需要进行深度校正和井径 扩大校正。 2 、测井数据平滑处理 由于测井资料受各种不可预见的随机因素的影响，曲线上总会有一些并非反 映地层力学特征的锯齿形毛刺，需要对其进行平滑处理，得到一条较为光滑的趋 势曲线。常用一种五点或七点不等权平滑法进行处理： y 髓= 苎重兰垦止警兰逝o 2 5 + o 7 5 x y 七 ( 2 7 ) 其中：y k ，y k - i ，y k - 2 ，y k + l ，y k + 2 为平滑处理之前的第k 个采样点及前后两点 的幅度值；y l d c 为平滑后第k 个点的幅度值。 地层特性参数计算 1 、孔隙度、泥质含量和密度的计算 ( 1 ) 孔隙度的计算 目前测井解释中，计算孑l 隙度有多种方法，可用声波、密度、中子等曲线计 算孔隙度。利用声波测井资料解释孔隙度时最简单的方法是使用时间平均方程 ( w y l l i e ，1 9 5 6 ) ： 上：坐+ 互( 2 罐) 蟮 鬈 哆 式中：v 口为饱和岩石纵波波速，v 。为岩石骨架纵波波速，v f 为孔隙流体纵 波波速。 岩层孔隙度还可由密度测井资料获得： 西：旦苎二鱼( 2 9 ) p 。一i p f 式中：p b ，p m a ，p f 分别为岩石容积密度、骨架材料密度和孔隙流体密度，g c m 3 ( 2 ) 泥质含量的计算 泥质含量可由下式计算： 1 3 第2 章地层特性评价及钻头综合选型研究 s h ：垡二垒 g一-gmm(2-10) g c c u r s h l 2 裔 式中：为地层泥质含量( 小数) ；g 为岩层伽马测量数值；6 为测量曲 线极小值；g m “为测量曲线极大值；g c u r 为新老地层标识符，新地层为3 7 ， 老地层为2 0 。 ( 3 ) 岩层体积密度的计算 在计算岩层体积密度时，可由孔隙度和泥质含量计算获得： p b = ( 1 一声) ( 2 6 5 + o 0 6 v , h ) + 1 0 4 矿 ( 2 1 1 ) 岩层体积密度也可由声波时差计算获得： p b = p 。- 2 1 1 而a t - a t m a ( 2 - 1 2 ) 式中：f ，厶乙，r ，分别为岩石、岩石骨架材料和孔隙流体声波时差，单 位伊夕阿吉普( a g i p ) 公司采用k = 4 7 啦f l ，出，= 2 0 0 芦夕，而法国 地质服务公司用。= 5 0 芦。 2 、岩石硬度的计算 k l m a s o n f f 5 】给出了岩石硬度与岩石横波波速具有很好的相关关系： e = 5 6 5 2 ( v s 一1 0 6 8 ) “8 ( m p a ) ( 2 1 3 ) 中国石油大学葛洪魁等【7 6 】以岩屑为测试对象，研究其声波波速及微硬度测 试方法，开发了测试仪器和配套软件。 3 、岩石单轴抗压强度的计算 = 0 5 e a 0 0 0 4 5 ( 1 一) + o 0 0 8 v j ( 2 1 4 ) 4 、岩石三轴抗压强度的计算 e co n y i a 【7 刀通过回归分析，得到岩石三轴抗压强度与声波时差的关系式为； 如= 砑1 0 0 + 2 。( 2 - 1 5 ) 其中，a 、b 是系数，为一常量。在上式中，“相当于三轴抗压强度，可以 认为是原地条件下的抗压强度。该式适用于致密的砂岩、泥岩和灰岩。 5 、岩石可钻性的计算 第2 章地层特性评价及钻头综合选型研究 刘向君、孟英峰在对全国各类油气田的岩石可钻性进行了大量实验研究和测 定工作的基础上，建立了一种基于岩石物理参数的岩石可钻性预测模型【6 】，即 髟= 2 3 4 7 e - o - o o ” ( 2 1 6 ) 其中，为岩石可钻性，m h ；x 为岩石硬度，m p a 。相关系数r = 0 9 4 7 1 。 胜利油田钻井院李祖奎等利用数理统计方法，建立了利用测井声波资料预测 地层可钻性的计算模式【7 8 】： 砂岩剖面： 力：1 1 9 0 8 1 2 e o ”3 r o 1 4 2 7 ( 2 - 1 7 ) 泥岩剖面： l ：1 2 0 9 3 9 e 螂”f o 1 1 5 l ( 2 1 8 ) 通过已有室内实验数据，按岩性剖面类型进行了资料验证。砂岩剖面的地层 可钻性预测精度平均达9 0 ，泥岩剖面的地层可钻性预测精度平均达8 7 5 ，结 果说明利用声波速度预测地层可钻性是可行、可用的。 中国石油大学邹德永利用数理统计中最小二乘法原理，分别对6 种曲线进行 回归分析，最后选定下面的模式作为确定岩石可钻性的计算模式 7 9 1 ： k d = 3 2 9 7 7 4 9 5 0 1 n ( a 0 ( 2 1 9 ) 大庆石油学院李士斌、阎铁等在实验分析的基础上给出牙轮钻头可钻性级值 和纵、横波时差的关系式【8 0 】： 畅2 2 4 3 6 2 0 0 7 1 r c ( 2 - 2 0 、 k a = 2 0 6 3 1 0 0 3 3 a t ， 2 2 地层特性分层方法研究 通过前面的研究，可以利用测井资料、通过经验关系式计算得到地下连续的 地层钻进特性评价数据。为了便于工程直接应用，同时也为了去除岩性的波动对 计算结果的影响，并消除测井资料的地层层间影响，需要对得到的连续的特性曲 线进行分层处理。 2 2 1 分层依据 1 、钻进特性分层与地质分层的关系 地层钻进特性与地层岩性、胶结类型和微观结构等有关，因此，钻进特性分 l s 第2 章地层特性评价及钻头综合选型研究 层与地质分层有着密切的关系。钻进特性分层主要综合考虑可钻性和硬度的变化 趋势，它有可能跨越地质分层。相邻的不同的地质层，其工程性质可能相似，它 们应并入同一层，在同一地质层内，由于各种原因，钻进特性分层也可能发生突 变，此时应划分为几个不同的层。 2 、地层钻进特性分层的数字表征提取 对于地层钻进特性的分层，可以根据多条特性曲线或能表征地层钻进特征的 几组数字表征进行分层，这属于多维聚类的问题，它一般能比较全面、客观地反 映出地层的钻进特征及其变化趋势，但处理数据时需建立多种相应的因子序列来 控制各维表征，最后还要对结果进行频率统计，是比较烦琐的。为此，也可以对 多维数据表征量进行预处理，最终找到一条表征地层钻进特性变化特征的曲线 ( 这条曲线应该是多种表征客体的总和，有很强的代表性) ，然后再对曲线进行 数据分层，这样就变成一维聚类的问题了。 3 、分层准则是层内差别尽量小、层间差异尽量大 地层钻进特性分层所要求的分层结果应该是层内差别尽量小，而层