基于岩性识别的PDC钻头选型研究

2009年6月　第31卷　第3期石油天然气学报(江汉石油学院学报)　

Jun12009　Vol131　No13JournalofOilandGasTechnology(J1JPI)　

基于岩性识别的PDC钻头选型研究

　　周后俊,周思柱,华　剑　(长江大学机械工程学院,

湖北荆州434023)

[摘要]分析了岩石力学参数的计算方法,介绍了单位进尺成本最低的PDC钻头选型原则,在此基础上编

制了基于岩性识别的PDC钻头选型软件,软件根据测井数据计算岩石综合可钻性级值,以此作为参考从

PDC钻头数据库中初选钻头,然后以每米成本最低作为依据优选钻头。计算实例表明,利用该软件可实

现PDC钻头的科学快速选型。

[关键词]PDC钻头;选型;岩性识别;数据库[中图分类号]TE921

[文献标识码]A　　[文章编号]100029752(2009)0320336203

PDC钻头具有进尺高、起下钻次数少、钻井综合成本低等优点。但若选型不当,会直接影响钻井

速度和PDC钻头的使用寿命,从而延长钻井周期、增加钻井成本。因此PDC钻头的选型技术一直得到了人们的重视,大致形成了4种PDC钻头选型方法:第1种是根据地层的岩石力学参数结合钻头使用说明来进行选型[1];第2种是以已钻地区使用的PDC钻头统计资料作为邻近地区钻头选择的参考[2];第3种是既考虑地层的多种岩石力学特性又考虑钻头经济效益的通用钻头选型方法[3];第4种是综合考虑岩石抗压强度和岩石内摩擦角这2个参数,并结合研究区块PDC钻头使用记录进行选型[4]。笔者根据测井数据识别岩性、确定岩石可钻性等级,建立了PDC钻头数据库,在此基础上开发了岩性识别和PDC钻头选型软件,所选择的PDC钻头与岩石力学特性相符合,实现了PDC钻头的科学选型。

1　岩石力学参数计算

111　抗剪强度

岩石的抗剪强度可表示为:　　So=01025

Ed4

[01008VCL+010045(1-VCL)]×1104025×10CB

(1)

式中,So为岩石抗剪强度,MPa;Ed为动弹性模量,MPa;VCL为泥质含量,%,可由自然伽马求取,其计算公式为[5]:

　　VCL=

2ΔGR×GCUR

-12

GCUR

-1

ΔGR=　　

GR-GRminGRmax-GRmin

(2)

式中,GRmax和GRmin分别为井剖面中自然伽马的最大和最小值;GCUR为年代校正系数,新地层为317,老地层为2。112　抗压强度

　　C0=[010045(1-VCL)+01008VCL]Es

式中,C0为岩石抗压强度,MPa;Es为静弹性模量,MPa。113　地层可钻性级值

(3)

　　Kd=aeΔtc

式中,Kd为岩石可钻性级值;Δtc为纵波时差,μs/m,由声波测井得到;a、b为回归系数。

b(4)

　[收稿日期]2009203222

　[作者简介]周后俊(19822),男,2005年大学毕业,硕士生,现主要从事机械设计及理论方面的学习及研究工作。

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第31卷第3期周后俊等:基于岩性识别的PDC钻头选型研究　・337・

2　PDC钻头选型方法

对PDC钻头采用的选型方法是:根据岩性识别得到的岩石力学参数,计算出岩石综合可钻性级值,判断所要钻进地层的类型,从PDC钻头数据库中搜寻与对应地层适应的几种钻头,分别进行使用经济性评价,最后找出最佳钻头。以每米成本最低作为PDC钻头的评价原则。有:

　　C=

B+CR(T+TT)F

(5)

式中,C为成本,元/m;B为钻头费用,元;CR为钻机作业费,元/h;T为钻进时间,h;TT为起下钻等辅助时间,h;F为进尺,m。

3　PDC钻头选型软件的编制

依据岩石力学参数计算和PDC钻头选型方法,编制了岩性识别和PDC钻头选型软件。软件由4个模块构成,分别是测井数据识别及可钻性级值计算模块、PDC钻头数据库模块、PDC钻头分析选型模块以及数据输出模块。

311　数据识别及可钻性级值计算模块

该模块可根据测井曲线识别岩石力学参数,并计算出依赖于抗剪强度的岩石可钻性级值KI、依赖于抗压强度的岩石可钻性级值KU和依赖于时差的岩石可钻性级值Kd。根据KI、KU和Kd定义了岩石综合可钻性级值KZ,按KZ从1至7将所有地层划分为7级(极软、软、中软、中、中硬、硬、极硬),并以曲线或文本的形式输出。该模块可直接识别当前流行的FID数据文件,若测井记录文件不是FID格式,而是LA716或文本格式,则可利用该模块的数据转换功能将其转换为FID格式。312　PDC钻头数据库模块

建立了PDC钻头的数据库,包括了国内几个主要的PDC钻头生产厂家的产品和现场使用的大部分PDC钻头的规格型号、特点、参考价格、彩色图片等详细资料。数据库具有扩充和参数修改功能,可

方便地将新型钻头添加到数据库中。313　PDC钻头分析选型模块

该模块根据岩石综合可钻性级值,自动从PDC钻头数据库中初选出几种与待钻地层匹配的钻头,并结合钻井参数,分别进行每米成本计算,通过排序确定成本最优的PDC钻头。314　选型结果输出模块

以报表的形式输出计算及选型结果,包括井号、岩石力学参数、可钻性级值、初选PDC钻头信息、最优钻头信息等。

4　软件应用实例

以某油田CH2921井为例,取测井数据中2280～2780m这一段进行计算。

数据识别模块对这段井深进行岩性识别的结果如图1和图2所示。其中,图1为抗剪、抗压强度及与时差有关的可钻性级值Kd,图2为与抗剪、抗压强度有关的可钻性级值KI、KU及综合可钻性级值KZ。

由图1、图2可以看出,2280～2440m(1#)井段,抗剪强度基本在15MPa以内,抗压强度在50MPa以内,为软至中软地层,岩石综合可钻性级值为2～3;2450～2780m(2#)井段,抗剪强度和

抗压强度都明显增大,最大值分别达到了2715MPa和9815MPa,为中至硬地层,岩石综合可钻性级值为3～5。

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图1　抗剪、抗压强度及Kd　　　　　　　　　　　　图2　KI、KU及KZ

进入钻头选型模块,输入上述2个井段的岩石综合可钻性级值,软件首先从数据库中搜索出可用于

1#井段的PDC钻头型号为B321Y、B331、B361R、B461RD以及B442,可用于2#井段的钻头为B461(W)、B561LG、B669L以及B683H;再输入各井段钻井参数及钻头价格等成本因素,经过计算并排序,得到适用各井段的最佳钻头分别为B461R和B669L。

5　结　　论

1)将岩石抗压强度、抗剪强度以及与纵波时差相关的可钻性级值进行综合,定义为岩石综合可钻

性级值,利用该指标可简化PDC钻头的初选。

2)利用岩石力学特性识别和PDC钻头数据库相结合进行钻头选型,该方法考虑了岩性和钻头经济效益2种因素,是一种科学快捷的PDC钻头选型方法。

[参考文献]

[1]李士斌,艾池,宁海川,等1PDC钻头的优选方法[J]1大庆石油学院学报,1999,23(3):86～881

[2]TubelP,HerbertRP1Intelligentsystemformonitoringandcontrolofdown2holeoilwaterseparationapplications[J]1SPEannual

TechnicalConferenceandExhibition,19981603～6121

[3]张辉,高德利1钻头选型通用方法研究[J]1石油大学学报(自然科学版),2005,29(6):45～491[4]潘起峰,高德利,孙书贞,等1PDC钻头选型新方法[J]1石油学报,2006,26(3):123～1261

[5]田云英,夏宏泉,张晶晶1川西深井钻头选型的测井参数灰色关联研究[J]1石油钻采工艺,2007,30(3):30～32,48

[编辑]　苏开科

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