一种模拟油田钻井数据的方法.pdf

卜 一 种 模 拟 油 田 钻 井 数 据 的 方 法 Ho n g Xu 等著 言 H o { } 一 f _ 一 口探井投资费用高达数 百万美元 ． 其中 钻头是影响费用的主要因素， 故即使钻头费用 降低较少， 也可节省大量资金。 现已证实． 改善 钻头性能是降低费用的有效途径 ， 在有关文献 中介绍了许多模型 。 但在实际钻井条件下． 应用实验模型或理 论模型有困难， 因为一个模型只是一个物理过 程的数学表达式， 能否适用要看推导条件和应 用条件是否一致。事实上 ， 实际钻井条件往往 与实验条件及理论假设几乎完全不同． 录井数据能很好地反映实际钻井条件． 并 且通常容易从探井获取， 因此， 可以设法是用 这些数据建立模型 。可是 ， 由于缺乏处理不稳 定原始数据的系统方法， 而使可靠性降低． 因 此就设法提高录井仪器等级或修正某些假设 数据 ， 倒如 ， 温度对钻速 的影响。 因为通常的铡钻速段是 1 英尺或 1 米． 重 力和温度对钻速的影响较小， 甚至在一个钻头 行程 内． 其影响也很小 ， 因此可忽略。实际上 ． 较 原始 的钻速数据很少与不稳定测量的数据 相符， 例如 钻压的剧裂变化． 甚至在实验室严 格控制的钻井条件下， 例如， 使用均质岩石， 保 证 钻 井参数不 变． 将钻柱柔性 尽可能 降至最 低 ， 仍然很难解释小范围的钻速变化． 实际上 ， 不能逐英尺或逐米获取有效录井数据 ， 因为用 这 种做法模拟钻速很少取得成功 ， 井且也没有 一 译 毒根生枝 证据表明使用这样逐点．耐出的数据有什么优 点。 用非常先进的录井仪器浏出的数据模拉钻 头性能既不可行也不经济 ． 改善钻头性能的典型方法仍然是定性的． 需要各项专门知识。 方便的做法是通过检查钻 头记录评价钻头性 能． 见表 l 。 可是． 根难从较 少的记录中识别影响钻头记录的最大变量． 另 一 个做法是， 通过进行逐米泥浆录井绘图来监 测钻头性能。 可是， 因为动态数据太多， 很难准 确确定变量间的关系． 根据 B P提供 的录井数据。 X u等人开发 出建立钻速模型的实用方法． 此方法的实质是 用分组数据 ． 改善用于模塑 的录井数据的适用 性。因为分组数据仍可代表变量间的内在关 系， 又可减小分组数据的合井标准误差。在北 海地区的海上油井的多数地 层中， 许多钻头的 行程 ， 包括 P D c钻头和牙轮钻头 ， 采用这一新 的方法 ， 表明了它的有效性和稳定性 ． 为探入研究这种成功的方法 ， 本文通过一 系列实例研究， 包括动态钻井条件下的钻头多 次下井、 钻 头一次下井和短井段 ， 进 一步说 明 这一方法．测井数据取自日本一口陆上撵井 3 1 ． 1 2 m的井段的4 6 只锒齿三牙轮钻头行程。 在地面上用常规录井仪器测职数据 ． 地层被称 为 H i u c l a ma地层， 混有沉积岩和火成岩， 泥 浆是承基术质紊磺酸盐系统 。 因为此方法始终 有效并且可被利用 ， 可将其用于进一步完善常 规钻井作业。 斗 _I 维普资讯 2 ≮毒 毒 专 ． ．、 、 ， ． 国外站_井 技术 第 十二卷 1 9 9 7 4 蛳 1 ． 钻速模拟的步骤 合详细分析的钻头井下工作， 饲如由于扩陧或 1 检查钻头行程为确定数据背景 ， 必打捞引起的努 据组 须查 阅有关 文件 ． 包括每天的钻井报告 、 地质 ． ．撮 _ 和泥浆报告等 。这种做法能够发现不适 ‘ 表 l 常觏钻头记录 ； 帖头蝙号 ； 鞫 摩鲁、 ’ ． 1诂实足 囔嘴 开怙竦鏖 起钴罐虚． 牯井时问 钻逮 rai n ,．m 4 3 5 3 7 BT6 5 1 4 3 1 ． 1 2 1 41 41 6 2 3 6 7 2 4 7 7 7 7 ． 8 3 4 2 5 5 3 7 】 Y5 盘 ‘ ． n． 1 ， ．与 一 l 6 2 5 2 7 2 目7 4 7 5 3 7 BT6 5 l6 1 2 ． Z 5 1 41 41 6 2 6 3 7 2 7 2 8 8 3 ． 6 7 钻压 每分钟转救 T BG 蔼量 立管压力 泥浆密度 帖央蝙号 t q m l ／ n d n k g ／ m 钻头鸯甩 备注 1 61 8 lBl Z Z5 2 l 8 8 1 l 9 0 常 4 6 1 6 5 5 4 4一l ／ 6 1 9 2 l 3 6 1 1 9 0 钻井 4 7 1 6 5 5 35一l 2 1 3 0 1 9 2 1 ． “ l 1 9 0 2 除去无效的变量数据对于有关变量， 包 括站 速 、 钻压 、 转速 、 流量、 泥浆密度和岩石密 度等 ， 有时存在～些无效的数据 ， 须予以去徐 3 检查各变量随深度的变化情况图 1 中的录井曲线表示变量随探度的变化情况， 以 此可检查变量间的干扰 有的变量在较长时期 内通 常变化较小但对钻速有影响 ， 倒如岩石密 度， 可以此对分组数据限定间隔， 因为各个原 始数据是在相对稳定的条件下测得的， 因而分 组数据的平均值更可靠 同时， 检查录井曲线 有助于深度转换 ， 即使钻井变量和表示地层性 质的变量相符 。 4 建立分组从 圈 1可看 出， 把小组加 大 ， 可减少几 个异点对分组数据 的影响 ， 降低 合并标准误差。 分组数据可有效地扩大任意规 定的常规测量标度， 例如， 一英尺或一米。 但必 缀注意到， 模拟的成功决定于有关变量的范围 和数据点数 ， 然而把小组加大 ， 会减小变量范 围， 并降低分组数据点数 通常， 根据分组数据 中钻速和钻压的范围确定组的大小 ， 这个范围 约为原始数据范围的 8 0 9 5 。 5 确定变量中的异点采用箱形曲线方 法确定异点其本质就是去除超 出平均标准偏 差一定量的数据 ， 其优点主要是与标准偏差 比 较 ， 基本不受异点的影响 。 根据数据分类准则 ， 只有当数据在 I QR 一3 或 I QR 3 时 ， 才确 定为异点。 应根据钻进机理对异点进行严格检 查。根据经验 ， 当异点数据较小或实际数据较 大时 ， 例如每组超过 2 O点， 可忽略几个异点对 分组数据平均 值的影响 ， 因而不 需要 去 除数 据 见图 1 。 o 5 l O l 5 2 0 2 5 3 0 组的太小 周 1 异点 的影响和组 的大 小问的关系 6 多重线性 回归分析因为线性回归分 析应用简单且容易理解， 可通过多重回归分析 建立模型 杠杆图描述各变量对钻速变化 的影 响大小， 钻速余值说明模型的适用性， 且据此 可知通过包含非线性变量 ， 如钻压 ， 怎样完善 模型 根据钻进机理， 当把钻速作为回归分析 的相关变量时， 可选择包括钴压、 转速、 流量、 泥浆密度和岩石密度等的变量作 为独立变量 维普资讯 国外蛄井技 术 7 检查模型的有效性所有模型 内的参 数 都应有 9 上的置信度 ， 并且与钻进机 理相符 ， 例如枧浆密度对钻速产生有利影响 ， 就不能合并 ， 这个模型应说 明大部分数据 R ， F比 ， 且预计数据与实际数据趋势相符 ， 同时 一 个可靠 的钻速模型在相 同的钻 井条件下， 也 应在其它的钻头行程内得到证实 用公式 1 计 算钻速余 值 R e R O P ， 通过 观察预计数 据 的偏移检查钻速余值 R e R O P 分布 R e R O P一 预计 R OP一 实际 R O P 1 钻速余值已标准化， 见公式 2 ， 可通过检 查标准余值 NR e R O P分布确定余值大小 NR e R o P l R e R o P ／实际 R O Pi 2 ．实例研究 1 在动态条件下模拟短井段钻速对较 短的井段 ， 司钻的正常操作是当转速、 流量、 泥 浆密度和岩石密度等通常变化较小时 ， 调整钻 压 。 为 了更好地确定和解释钻压和转速间的关 系 ， 见图 2 ， 根据钻压的大小将数据分成兰组 ， 这三组中其它变量 的值实际上是一样的 ， 因为 数据点数很少， 且钻速相关变量的变化范围很 窄 ， 对这样 的短 井段建立的关系 实际 上不稳 定 。 2 对钻头一次下井的钻速模拟观察录 井 曲线 ， 发现数据集 中， 岩石密度不随深 度变 化 ， 因此， 根据岩石密度分成八组数据。 确定出 1 2个异点 ， 去除后 ， 有 9 8个数据用 于进 一步 分析 。 可用这个模型解释 9 2 的分组数据 ， 而 钻压是对钻速影响最大的参数 用此模型璜测 出实际数据发展趋势 ， 标准钻速的余值平均只 有 8 。 对连续 的钻头下井 ， 此方法可用于检 查钻 井参数 ， 并通过检查钻速余值判断有无异常现 象。 但是， 因为钻速 的相关变量的范 围很窄， 所 以用这样一个钻头行程建立的模型 ， 其应用是 有限的。 0 0 f 。 匣始搬 怙压 牯违 转速 泥 浆 藏量 岩石 密度 Umi n 密度 组绾号 t m／ h i r m j g 据点 1 6 ． 0 9 1 ． 4 2 1 6 ． 5 1 1 ， 4 2 2 1 2 3 2 ． 6 5 毫 1 岳 圈 2 分组的钻建和钻 压闻前关 系 蕞型 | R OP m／ h r 一6 ． 7 8 0 ． 0 4 4 6 R P M--5 ． 8 6 M． D 名称 估计值 标准误差 p r 。 b f t ，比 裁距 2 2 1 RP M 0． 04 46 0． 0l 5 0 ． 00 8 0 9 ．0 1 M ． D． 一 5 ． 8 6 4 0 0O O1 26 ． 07 总 R2 0 ． 8 0 图 3 预 计 RO P和 实际 R O P闻前关 系 ．壤型源 于 1 O十 钻头行 程 3 1 ． 1 2 e ra， 1 A D C5 3 7 下 井和 4 0 7 十 原始数据 点 2 O 组教据 3 对 1 o次钻头下井组合的钻速模拟 在 1 7 0 0 ～ 3 4 0 0 m 井 段， 有 1 0次 钻 头 L A n C 5 3 7 下井 ， 包括 4 0 7 个数据 。 根据深度 ， 有 2 o 个原始数据点分布于各组 。 结果是 ， 2 O组数据 包括有 4 0 7 个原始数据 经过 回归分析 ， 推导 出模型 在此模型中 ， 分组数据的 8 o 是枧浆 密度和每分钟转数。 泥浆密度看起来是影响最 大的参数 ， 见图 3 。 为证实模型的稳定性 图 3 ， 将模型分别 用 于 2 8组数据 从 B包括 8 个 钻头行程 5 5 2 个逐米数据 和 3 3组数据 从 C包括 1 O个钻 头行程 6 6 2 个逐 米数据 图 4 a 和 4 b表示 ， A 维普资讯 4 国外 站井技术 第二卷】 ， ， 7年第 4期 模型能够较好地代表 B 、 C的性能。 三 制 擐 睦 便璃估速{ m n 圈 t 圈 3 所示模型的实际 R O P和预测 R OP的关系 此模型可预计 7 0 以上的实际数据 ， 标准 R OP条 值 的中值小于 1 s 4 对钻头行程组合 的钻速模拟考虑到三种 钻头 的良好适用性 ， 分组数据 由 8 1 个分组数 据组成， 建立～个模型公式 3 表 2 R0P 1 8 ． 0 70 ． 0 4 RPM一 6 ． 5 0 M ． D 一 3 ． 9 1 R、 D 3 式中 肼、 D泥浆密度{ R、 D岩石密度 。 这 个 模 型适 合 于 9 2 6 ～ 3 7 4 0 m 的所 有 3 1 ． 1 2 e ra井段的 5 5 个钻头行程 。计算出钻速 余值 ， 发现属于 I qR 一3 的钻速余值与钢齿 钻头行程有关， 属于 I QR 3 的钻速余值与 金 刚石钻 头 行程有 关 I QR 系指 中间 四位 数 。 可将钻速余值模型用于校准钻头性能。 去 掉与 I QR 3 和 I Q R 一3 相关的数据 此模 型与实际数据趋势很相符 ， 正常的钻速余值的 平均值约是 1 5 ．显然， 此模型是稳定的 。 表 2 由2 8 个钻头行程的8 l 组数据t立的曩型的回归分析 1 O个 A钻头行程 ， 8 个 B钻头行程和 l O 个 c钻头行程 摸型 RO P m／ h r 一l 8 ， o 7 O ． 0 4 2 4 R P M--6 ． 5 0 M． D． 3 ， 9 1 R． D 名称 估计值 标准误 差 氍于 9 s 高于 9 5 ％ 藏距 1 8 ． 0 7 5 ． 2 9 0 ． 0 0 1 0 7 ． 5 4 2 8 B l RP M o O4 2 4 0 O O 5 B o ． 0 0 01 S 2 ． 5 6 0 ． 0 3 O B O ． 05 4 0 M ． D． 0 ． 7 O 49 85 ． O 5 5 ．1 O R． D． 一 3 ． 9 I 1 ． 8 l 0 ． 0 3 6 5 4 ． 5 2 3 4 7 57 0 2 5 总 7 5 ． 3 4 讨论与结论 因为此方法看来确实有效 ， 因此可用于常 规钻井作业和进一步的改善和修正 为此， 特 做以下几点说明 1 与单一经验或钻 井数据定性分 析比 较 ， 此方法是 定量的， 更加准确。 与实验方法或 理论推断 比较， 此方法经济实用。 2 从我们模拟钻速 的实践来看， 使用非 线性形式适用性很差。实际上， 严格控制 的实 验数据 图 5 a 和 Ma u r e r的论证表 明， 钻速和 应用钻井参数间的关系显然是线性 的。 在实践 中， 此方法可甩于检查钻头性能和其相关变量 间的非线性关系， 调节钻井参数。 3 因为各个变量对钻头性能的影响随钻 井条件和地层情况变化而变化， 回归模型应只 包括很重要的参数 同时因为能否建立可靠模 型取决于获得的数据点和应用参数范围， 如果 瑚 n 。 E 维普资讯 国外钻井技术 变量变化小或得到的变量数据点少 ， 变量就显 得不重要 。 公式 3 中没有包括钻压和流量 ． 这 说明钻压和流量对地层整体影响不蒙公式中 7 6 5 毫 4 3 2 每 l 0 I ．一 l ； 矿 ／ ／ f ／ I ■ r ； 0 4 O 0 3 0 姜 髅 善 0 _ Io 钻 K a 包括的参数那样有效 。 正在不断努 力提高各种 模型对各种钻井和地层条件的适用性 。 图 5 R OP和 WO B的关系 a R OP和 WOB 实验敦据 的关系 } b R O P和 WOB的关系 Ma u t e r ， 1 6 2 ． _ _ ， i ． }。 ● 。 l 。 2 5 I 3 0 l 3 5 I 4 0 】4 5 】5 O 】5 5 耗 浆密度 罐 ’_ ． _ ’ 0 、 。 ● _ 、 ～ ． 8 o 0 l 9 00 2 0 0 0 2】 0 0 2 2 0 0 2 3 0 0 2 4 0 0 谳量 1 p I 1 1 b 图 6 钻头耐久性泥浆密度和 流量的关系 4 在线性回归模型中有截距和各参数的 5 根据我们的经验． 回归模型的可靠应 系数 公式 3 。 因为模型的效用取决于推导条用范 围是三个标准偏 移， 它 比模型推 导范 围 件和应用条件是否一致 ． 既然各参数的实际值宽 ． 即最小值减去 1 ． 5标准偏移 ， 直到最大值 区大于零 表 3 ． 应通过对各参数输 入零值证加上分组数据范围的 1 ． 5 标准偏移 。 明或解释公 式 3 的有效性。 6 已经对钻头耐久性和有关变量进行了 表3 岱式3 中主要变量的数值分布 一些初步分析 。在钻井作业 中， 钻头耐用性或 每分钟 泥浆 岩石 保度 骷 压 流量 钻速 转数 密度 密 度 m t 1 ／ ml a m] h r s g 矩 最大 值 3 6 O Z 2 4 f ． 5 2 2 4 2 2 2 ． 7 0 3 Z 5 3 21 2 3 8 3 Z ． 6 7 2 69 2 7 L 7 2 0 2 4 z - 6 6 2． 1 O 5m 0 2 2 9 6 1 ．3 6 2 1 6 5 1． 64 25 ．0 1 ．3 4 Z 0 8 4 r ． O 9 1 0 ．0 l 5 5 6 1 ．3 3 1 ． 6 1 0． 8 4 最小值 1 4 9 3 L a 9 a 2 ． 5 5 0 ． 5 Z 标准 2 L 4 O 钻头进尺数通常是主观确定的。 为 比较磨钝程 度， 用钻头进尺数将编码的磨钝等级标准化， 例如 ， 对轴承磨钝等级， 有下式 标准轴承磨钝等级 NB D G 一轴承磨钝等级 ／ 钻头进尺数 4 初步表明钻头耐久性 与泥浆密度关系很 大 图 6 a ， 改善钻 头耐久性的可能方法 就是 加大流量 圉 6 b 。 实际上， 掘浆 密度的实质是 固体含量 ． 增加流量可提高 下转 第 3 5页 O 0 O O ㈨ ㈣ ㈣ ㈣ 维普资讯 国外 姑井擅求 3 5 想的页岩为倒， 表明如何使用模型设计泥浆钻 页 岩地 层 。除 表 3列 出 的孔 隙度 、 E C E和 R⋯ 外 ， 其余 岩石物性参数 与表 l中所列的 页岩 w 的物性参数相 同。 为了便于对 比， 页岩 w 的结果也在图中绘 出， 从 圈中可以看出， 如 果平稳静液泥浆压力梯度以预 防摅液侵入地 层所需 的压差为 3 0 0 p s i ， 所有这些不 同类型页 岩所需的泥浆含盐浓度也不同。 对于第一种页 岩 ， 提高钻井液的含盐浓度 ， 或许可能达到所 要求的平衡压力梯度 ， 对于第二种页岩 ， 避免 泥 浆滤 液 侵 入 所 必须 的泥 浆 Na C I 浓 度 为 l 5 ， 第三 种 页 岩则 为 1 2 ， 页 岩 w 只需 1 0 车右即可平衡泥浆 压力梯 宦 1 5 ∞ 、 t 2 o o 9 0 0 蝈6 0 o 矗 3 0 D 圈 o 5 1 O l 5 2 0 2 5 钻井馥中的薯化钠浓J 堑 ％ 8 与 同类 型且岩相 配匹的钻井液中 的 N a C L 浓 度与渗透压的对应 关系 一 表 ， 雹 s 所 用的页岩物理性鼍参数 或许使用不 同的盐类也可 以对付井壁不 稳定问题， 因为盐的类型将影响泥浆中水的活 性和方程中的摩擦系数 。 同时应注意 ， 此结果及上述的讨论都没有 考虑渗漏薄膜随时间变化的性质， 因此使用本 文讨论 的结果时应小心谨慎。 结 论 本文开发了现场泥浆工程师预 防页岩井 壁不稳定而优化泥浆化学组分的机理工具 ， 此 工具对钻井过 程中页岩的岩石物理性 质如何 影响其稳定性 ， 以及钻井液的化学组分如何影 响页岩井壁稳定性提出了根本的理解和认识， 同时表 明页岩井壁不稳定 同趣可以通过控制 钻井液 化学组分加以解决。 译 自I A DC ／ S F E 3 6 3 9 6 上接第 5 页 井筒的清洁度。 因为钻压和转速 的实际值低于钻头制造厂家建议的最大值， 很 少 有证据表 明钻压或转速或两者的结合对钻 头耐久性有较大影响 ， 正在努力模拟钻头耐久 性和钻头进尺数 。 7 钻速模型 可用 于钻井 作业 的几个方 面 。明显地 ， 一个钻速模型可用于优化钻井参 数 ， 例如 ， 模型 公式 3 表示对于本段的镶齿 三牙轮钻头， 可通过保持其它变量在同样范围 内， 增加转速 和减少泥浆密度提高钻速。2 1 节和 2 2 中介绍的方法可用于监铡和调节动 态钻井条件下的钻井参数 2 3 节介绍的方法 有助于检查各钻头行程 的钻头性 能。 同时一个 钻速模型可用于预测 同样的地 质条件 下可能 的钻速， 且由钻速余 值确定有无异常现象 ， 查 出可能的原 因， 例如钻头问题或地层压力不正 常。 另外， 可通过选择钻头简化钻速模型 ； 因为 钻井参数和地层变量对钻速的影响 已经被模 型校正 ， 因此 ， 就能专门检查 和确定其 它参数 对单位进尺费用的影响。 如钻头特征和钻头材 质等 译 自 L ADC／ S P E 3 6 3 8 5 _ ▲ ● ● ● ● ■ ● ● ■ ● ● ▲ ■ ● ● ● ■ ● ● ■ ● ● ■ ◆ ● ▲■ ● ● ●■ ● ●▲■ ● ●●■ ● ■▲ ●▲ ■ ● ● ■ ● ▲■ 一 ● ．I- ■ 维普资讯