优化钻井技术的应用研究.pdf

石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 8 年l 0 目第3 o 卷第5 期 J o u r n a l o f O i l a n d G a s T e c h n o l o g y J ． J P I O c t ． 2 0 0 8 V o 1 ． 3 0 N o ． 5 优化钻 井技术的应 用研 究 魏春 禺 ，李海庆 ，张庆 良 河南油田分公司石油工程技术研究院， 河 南 南阳4 7 3 1 3 2 杨金 山 ， 潘华枫 河南石油勘探局钻井工程公司， 河南南阳4 7 3 1 3 2 [ 摘要] 结合 目前广泛采用 的钻 进基 本方程，对钻 时录井资 料、钻头磨损资料 进行处理 ，运 用优化反 演法 求取钻进方程 中的各项系数 ，开发 出基 于系数反 演法 的钻 井参数优 化计算 系统。应用该 计算 系统对河 南 油田南 8 8井的钻进参 数和 水 力参数 进行 了优 化计算 ，进 而对钻进 过程 的累计 进尺和 钻进 时 间进行 了预 溯，计算结果 与实际钻 井数据基本 符合 。 [ 关键词]优化钻井；钻速方程；钻井参数；参数优化；方程系数；优化反演；河南油田 [ 中图分类号]TE 2 2 [ 文献标识码]A [ 文章编号]i 0 0 0 9 7 5 2 2 0 0 8 0 5 0 1 1 0 0 3 钻井工程技术人员从长期的钻井生产中总结 出了描述钻进过程的基本规律 ，这些规律是在一定条件 下通过试验和数学分析处理而得到的。目前广泛采用的基本方程主要有钻速方程 、钻头牙齿磨损方程和 钻头轴承磨损方程 。这些方程是进行钻进参数优化的依据 ，因此对这些基本方程 的研究尤为重要。但 是 ，长期 以来由于方程 中的系数的确定主要依据现场试验 ，要耗费大量的人力 、物力，而且试验成功率 也不高。笔者针对这种情况 ．运用优化反演算法 ，利用对钻时录井资料处理 的结果 ，结合钻头的工作资 料来求取钻进方程中各项系数。以现场实钻资料为例 ，验证 了这种方法求得 的结果可以满足钻井工程的 实际需要 。 1 钻进基本方程 1 ． 1 钻速方程 修正的杨格钻速方程[ 1 ] 的形式为 1 啦一 KR W M T CP C H 1 j _ T - L v 2凡 式中， u e c 为钻速， m／ h ； W、 M 分别为钻压和门限钻压， k N； 为转速 ， r ／ mi n ； K 为地层可钻性系数 ； 为转 速指数 ； C 2 为钻头牙齿磨损系数 ； C 为水力净化系数； C p 为压差影响系数 ； 为牙齿磨损量 ， 无 因次量 ， 以 牙齿的相对磨损高度表示 ， 新钻头时 h一 0 ， 牙齿全部磨损时 h一 1 。 1 ． 2钻头牙齿磨损方程 ， 钻头牙齿磨损方程口 ]的形式为 -- 1 ％／至1 2C簟 A fP nD 2 -- D 1Q n 3tfw 、 1 2 式中， h 。 为钻头钻进 t 小时后的牙齿磨损量 ， 无 因次量 ； 为钻进时间， h ； Ar 为地层研磨性系数 ； P、 Q为 由钻头类型决定的系数 ， 其具体数值可查表得到嘲 ； D。 、 D 为钻压影响系数 ， 与钻头尺寸有关 ， 其值可查表 得到 。 ； C 1 为钻头磨损减慢系数。 1 ． 3 钻头轴承磨损方程 钻头轴承磨损方程 的形式为 [ 收稿日期]2 0 0 8 0 3 2 3 [ 作者简介】魏春禺 1 9 7 4 一 。男．1 9 9 7 年江汉石油学院毕业。工程师．现主要从事钻井科研与钻井技术服务工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3 O 卷第 5期 魏春禺等 优化钻井技术的应用研究 B 一 丛 3 b 式 中 ， B 为钻 头轴承 的磨损 量 ， 无 因次 量 ， 新 钻头 时 B 一 0 ， 轴 承全 部磨损 时 B f 1 ； T为 钻头工 作 时间 ， h ； b为钻头轴 承 的工 作系数 。 1 ． 4 钻进 每米成本 目标 方程 衡量 钻井整 体技术 经济 效果 的标准 有多种 ， 目前一 般 以单 位进 尺成本 作为标 准 ， 其表 达式口 为 r 一 4 “ H 式 中 ， C 。 m为单位进 尺成本 ， 元 ／ m； C 为钻头 成本 ， 元 ； C 为钻机 作业费 ， 元 ／ h ； ￡ 为起下钻 、 接单 根 时间 ， h ； t 为钻头 工作 时 问 ， h ； H 为钻 头进 尺 ， r n 。 综合 利用钻 速方程 1 与钻 头磨 损方 程 2 可得 目标 函数 l 1 ] 为 r c [ ． 一 一 5 ￡ E一 t L／ 式 中 ， t 为钻头 与起下钻 成本 的折算 时 间 。 当钻 头成 本和钻 机作业 费一定 时 ， 它 仅 与起 下钻 、 接单 根时 间有 关 ， 而 与各钻进 参数无 关Ⅲ 。 2 优化反演法 2 ． 1 反演计算模型 反演是近几十年来迅速发展起来 的一门学科， 它是研究各种物理现象的逆过程 。 反演是相对正演而 言的， 正演是根据已知的数学模型求取结果； 反演是根据实际提供的结果 ， 来准确地给 出描述具体物理问 题 的数学模 型 ， 从 而求取 数学模 型 中的 待定参 数 ； 正演 是反 演 的前提 和基 础 。 利 用最 优 化 原理 求 解反 问题 的方法 ， 称 为优化 反演法 。 在钻 井工 程 中 ， 可应 用反演 方法对 实钻地层 的钻 井特性 参数 进行 评估计 算 引。 目前广 泛采用 的基本 方程 主要 有钻 速方 程 、 钻头 牙齿 磨损 方程 和 钻 头轴承磨 损方程 ， 对其 进行 反演计 算 ， 就是 根据 测得 的钻 速 、 牙齿 磨 损 、 轴承磨损来求取对应方程中的各参数 ， 即方程 1 中的待反演参数 为 K 、 M 、 、 C 。 、 C 、 C ； 方 程 2 中的待 反演 参数 为 Af ； 方程 3 中的 待 反演参数 为 b 。 一 般而言， 首先应确定优化反演的 目标 函数为 N E 一 F 0 x 一 F c x 6 式中， N为测点数量 ； F o 为第 个测点观测值 ； F 为根据正演方程计算 的第 i 个测点计算值； E为测点观测值与测点计算值的差值； X为组反 演参数。 2 ． 2反演 计算流程 给定要反演参数的一组初值和误差要求，采用变量轮换，轮流 用牛顿迭代法 ，求 目标函数的极小值，当其满足给定的迭代误差要求时 ， 参数为其真值。其步骤见图 l所示。 3 现场应 用 图 1 参数反演流程图 迭代终止 ，则所求得的反演 南 8 8井设计井深为 2 0 0 0 m。一开井深 O 2 0 1 m，钻头尺寸为 4 4 5 mm； 二开井深 2 0 1 ～2 0 0 0 m，钻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 2 石油天然气学报 江汉石油学院学报 2 0 0 8年 l O月 头 尺 寸 为 j 2 『 2 1 6 mm。地 层 岩 性 主 要 有 砾 状 砂 岩 、 泥 岩 、粉 砂 岩 、细 砂 岩 。试 验 井 段 从 1 3 7 8～ 1 8 4 0 ． 8 5 m，使用钻头为 F J T 5 1 7 G镶齿牙轮钻头 。采用如下钻具组合 2 1 6 mmFH J T5 1 7 G钻头双母 扶正器 1 ． 9 5 m 1 7 8 mm短 钻铤 2 。 9 7 m扶 正器 1 ． 8 6 m十 1 5 9 ram 无磁 钻铤 8 ． 9 5 m扶 正器 1 ． 6 8 m 1 6 5 ram钻 铤 1 6 5 ． 2 9 m 1 2 7 mm 钻杆 。 3 ． 1 参数反演 井 段 1 3 7 9 1 4 3 5 m 为钻 头磨 合 阶段 ，选择 1 4 3 5 ～ 1 4 5 0 m 段钻 时 资料 进 行处 理 ，反 演 结果 为 地层 可钻性系数 KR一 0 ． 0 0 2 2 5 6 6 ； 门限钻压 M 一 9 ． o 4 7 k N； 转速指数 一 0 ． 6 5 4 ； 地层研磨性系数 Af 0 ． 0 0 0 5 4 6 2 。 并在转速为 1 0 8 r ／ mi n的条件下求得最优钻压为 1 6 6 k N。 在 井段 1 8 4 0 ． 8 5 2 0 0 0 m，由于邻井 南 8 5井 的钻 时资 料为 8 O O ～1 7 6 0 m，井 深 1 7 6 0 m 以下 没有 钻 时 资料 ，故选 择 了南 8 5井 1 7 0 0 ～ 1 7 6 0 m 井 段 钻 时 资 料进 行 处 理 ，反 演 结 果 为 KR一 0 ． 0 0 2 1 9 1 3 ； M 一 7 ． 6 0 8 9 9 7 2 k N A一 0 ． 6 1 4 7 9 ； Af 一 0 ． 0 0 0 6 9 4 1 。 并开展 了南 8 8井 1 7 6 0 2 0 0 0 m井段的钻进参数优化，优 选转 速为 6 5 r ／ mi n 、钻 压为 1 8 0 ． 2 4 k N。 3 ． 2 钻进过程预测 在 井段 1 3 7 9 ～ 1 8 4 0 ． 8 5 m，采 用 平 均 钻压 1 7 0 k N，转 速 1 0 8 r ／ mi n ，设计钻头牙齿磨损量为 0 ． 7 5时，对钻进过 程的纯钻时间与进尺进行预测 ，预测结果与实际钻进结果 对比见表 1 ，预测结果跟实际情况基本相符。 3 ． 3 水力参数的优化计算 在水力 参数方 面，根 据 现 场的数据 进行验证。钻 头 喷嘴 用 2个，直径分别 为 1 4 ram 和 1 6 ram，在 1 4 3 2 m处测得的泥浆 密度为 1 ． 1 4 g ／ c ms ，粘度计读数 分别为 F 3 o o 3 7 ， F e 。 。 6 3 ， 水 力参数计算结果 为排量 3 5 ． 7 L ／ s ，泵压 1 3 ． 6 MP a 。现场记录结 果为排量 3 6 L ／ s ，泵压 1 4 MP a ， 4 结 论 表 1 钻 进过程预 测结果与实际结果 的对 比 面目 钻进时间进尺 平 均机械钻速 牙齿 ／ h ／ m ／ m h 一 1 磨损量 预测值 1 0 1 ． 3 4 2 2 ． 6 4 ． 1 7 0 ． 7 5 实测值 1 0 5 ． 0 4 6 1 ． 8 5 4 ． 4 0 0 ． 7 8 绝对误差 3 ． 7 0 3 9 ． 2 5 0 ． 2 3 0 ． 0 3 相对误差 3 ． 5 ％8 ． 5 ％ 5 ． 2 3 ． 8 爹 裂 莉 八 管路参数 参数汁算 选择参数优选标准 参数优化 钻头参数 J 、 、 最小排量 _J＼ 钻柱参数 压耗系数 最大钻头水功率标准 _ 1 ／ 最优排量 钻井液参数 泵参数 最大射流冲击力标准 最优喷嘴直径 其他参数 图 2水力参数优化流程图 计算结果与实际结果基本符合，水力参数优化计算流程如图 2所示 。 1 通过对钻时资料和钻头磨损资料的处理 ，钻进方程 中各系数 可以通过反演法求取 ，比传统的 “ 五点钻速法”节省了大量人力 和物力。 ‘ 2 利用反演计算结果可以在不同的约束条件下对钻进参数进行优化 ，并对钻进过程 中的累计钻进 时间和进尺进行预测分析 ，预测结果与实钻结果之间的比较误差很小。 3 水力参数的优化计算结果与实测结果基本符合 ，可以满足实际钻井工程的需要 。 [ 参考文献] [ 1 3陈庭根。管志川 ．钻井工程理论与技术 [ M]．东营 石油大学出版社 ，2 0 0 0 ． 1 2 4 1 3 5 ． [ 2 ]郭学增 ．最优化钻井理论基础与计算 [ M]．北京 石油工业出版杜．2 0 0 0 ． 5 ～z z ． C 8 ]胡湘炯，高德利 ． 油气井工程 [ M]． 北京 中国石化出版社，2 0 0 3 ． 6 5 8 2 ． [ 4 3刘希圣．钻井工艺原理 中册[ M]． 北京石油工业出版社，1 9 8 8 ． 5 1 8 9 ． I s ]傅淑芳，朱 仁益 ．地球物理反演 问题 [ M]．j E 京 ；地震 出版社 ，1 9 9 8 ． 1 ～1 6 ． [ 6 ]詹俊峰 ．地层钻井特性反演理论及其应用研究 [ D ]．北京 石油大学 ，1 9 9 7 ． 3 z ～7 1 ． [ 编辑] 萧雨 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m