吐哈盆地玉北区块实钻钻头选型中因子分析法的运用

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吐哈盆地玉北区块实钻钻头选型中因子分析法

的运用

　摘要：现场使用的钻头与所钻地层的匹配程度较差，导致钻井速度缓慢，需在常规优选钻头

的基础上对因子选取进行补充，考虑水力参数对钻头选型的影响。鉴于此，采用因子分析方法

对吐哈盆地玉北区块实钻钻头进行了选型，选型中增添了水力参数(排量、立管压力、喷射速

度和钻头水功率)作为影响因子，并与仅考虑破岩参数作为优选钻头结果进行对比，分析了增

添水力参数后对钻头选型产生的影响。分析结果表明:机械钻速与立管压力呈线性关系，与排

量呈二次多项式关系，与钻头水功率呈对数关系，与喷射速度呈指数关系;应用给定的钻井水

力参数钻进，YB-1 井克拉玛依组、梧桐沟组和桃东沟组平均机械钻速分别达到 7.12、6.62 和

4.51 m/h，与邻井同一地层相比分别提高 25.35%、26.58%和22.61%。所得结论可为吐哈盆地玉

北区块的钻头优选提供参考。

关键词：因子分析法; 钻头优选; 机械钻速; 水力参数; 玉北区块;

Drill Bit Selection in Yubei Block Based on Factor Analysis

Cheng Haoyu Zhang Yan Lou Yishan Xie Jing Liu Zhe

School of Petroleum Engineering,Yangtze University

　 Abstract：The drill bit used in the field has a poor matching degree with the drilled

formation,resulting in slow ROP.It is necessary to supplement the selection factors based on the

conventional bit selection method by considering the influence of hydraulic parameters.Through the

factor analysis method for drill bits applied in the Yubei block of the Turpan-Hami Basin,hydraulic

parameters(displacement,standpipe pressure,jet velocity,bit hydraulic horsepower) are added as

influencing factors for bit selection,and the bit selection result by this method is compared with that by

taking only rock breaking parameter.The analysis results show that the ROP has a linear relationship

with the standpipe pressure,a quadratic polynomial relationship with the displacement,a logarithmic

relationship with the bit hydraulic horsepower,and an exponential relationship with the jet

velocity.Drilling with the given drilling hydraulic parameters,the average ROP of Karamay

Formation,Wutonggou Formation and Taodonggou Formation in Well YB-1 reached 7.12 m/h,6.62

m/h and 4.51 m/h,respectively,which are increased by25.35%,26.58% and 22.61% compared with

offset wells in the same formation.The study can provide reference for bit selection in Yubei block of

Turpan-Hami Basin.

　　 0　引言

随着钻井工艺技术的不断进步、材料和机械制造工业的发展以及各种新技术在钻头结构设计与

制造上的应用[1,2,3]，钻头的设计、制造和使用都有了很大的发展，钻头的品种和使用范围都

在不断扩大，钻头的技术和经济指标在不断提高。然而在钻井过程中，由于影响钻头合理使用

的因素很多，如钻头类型、钻进参数、钻井液性能和操作工艺等，钻头选型方法的研究仍然是

钻井工程中的一个重要课题[4]。

目前，国内外学者就钻头优选得出了一系列方法，但由于影响因素的复杂性，钻头选型模型的

适用性受到严重制约。现有文献指出，在井底充分清洁的条件下，钻头类型与地层的匹配程度

占钻速总变异的 85%以上，其中射流速度是影响 PDC 钻头机械钻速的主要因素，钻井工艺中

机械破岩参数(钻压和钻速)的配合已降至次要地位[5]。机械钻速随钻头水功率的增加而升高，

随后再增大钻头水功率，机械钻速基本无上升趋势;立管压力和排量也不能无限增大，需要结

合实际地层的特点考虑变化范围[5,6,7]。现场使用的钻头与所钻地层的匹配程度较差，导致钻

井速度缓低，有学者在常规优选钻头的基础上对因子选取进行补充，考虑了水力参数对钻头选

型的影响[8,9,10,11,12,13,14]。

本文采用因子分析方法对吐哈盆地玉北区块实钻钻头进行了选型，选型中增添了水力参数(排

量、立管压力、喷射速度及钻头水功率)作为影响因子，并与仅考虑破岩参数作为优选钻头结

果进行对比，分析了增添水力参数后对钻头选型产生的影响。

　　 1　钻头选型

1.1 区域概况

玉北区块位于吐哈盆地，其中桃东沟组及以下地层机械钻速低，开发进度缓慢。梧桐沟组储层

物性差，克拉玛依组中上部泥岩强度低，可钻性较好，但进入克拉玛依组较厚底砾岩后，可钻

性变差，一般PDC 钻头无法成功穿过底砾岩，可能使钻头报废，因此深部地层将是重点攻关

提速层位[15]。基于此，笔者以深部地层特性研究为基础，开展钻头优选研究，以解决超深井

提速技术瓶颈，为进一步掌握吐哈盆地玉北区块深部地层特性，制定安全高效的钻井技术方案

提供支撑。

该区块自下而上发育为二叠系桃东沟群、下苍房沟群，三叠系上苍房沟群、小泉沟群，侏罗系

水西沟群、三间房组、七克台组、齐古组、喀拉扎组，白垩系吐谷鲁群、库木塔克组及新生界

地层。其中桃东沟组地层的岩性横向变化较大，纵向夹层多，砂砾岩粒径大小不均匀，钻头选

型十分不易[16,17,18,19]。因此，桃东沟组及以下地层的钻头选型研究十分关键。

1.2 选型对比

统计玉北区块现场所有钻头资料，按照同一地层、同一尺寸的钻头进行归类整理并建立数据

库，为钻头选型做准备。通过相关资料归纳整理得出钻头常规优选结果，如表 1所示。添加水

力参数后钻头改进优选结果如表 2所示。表 2中Q表示排量，ps 表示立管压力，v1 表示喷射速

度，P表示水功率。对比两种优选结果发现，增添了水力参数导致最终优选的钻头类型发生改

变，从克拉玛依组至桃东沟组每一层位优选的两种钻头类型中，都有不同的钻头型号产生。

对比常规优选和改进优选的钻头型号，结果如图1所示。改进优选的 GT55DK、GT65DS 和

U419S 3 种型号钻头的机械钻速均高于常规优选的 3种型号钻头。对于主要层位，克拉玛依组

改进后优选的钻头机械钻速比常规优选的钻头机械钻速高出 2.73 m/h，梧桐沟组高出 3.51

m/h，桃东沟组高出 1.86 m/h。由此可以得出，改进后优选的钻头更加适合该地层，其钻头与

该区块的匹配程度优于常规优选出的钻头。

表1 玉北区块钻头常规优选结果

表2 玉北区块改进优选钻头结果

图1 钻头常规优选与改进优选结果对比

　　 2　机械钻速与水力参数的关系

选择合理的水力参数是提高钻井速度的一个重要前提，分析增添水力参数对钻头优选的影响可

为现场钻井提供数据支撑[20,21,22]。研究钻头选型的目的是实现提速增效，因此弄清水力参数

如何影响机械钻速至关重要。水力参数中排量、立管压力、喷射速度和钻头水功率对机械钻速

影响较大[23,24,25,26]。为此，针对改进优选的钻头做具体分析，控制单一变量分析 4个水力

参数是如何对机械钻速产生影响的。例如桃东沟组型号为U419S 的钻头，在钻压、钻速、排

量、喷射速度及钻头水功率一定时，机械钻速 v随立管压力的变化曲线如图2所示。

由图2可知:机械钻速随立管压力的增大而升高，与立管压力呈线性关系;立管压力从19 MPa 升

至29 MPa 时，机械钻速提升了 3.05 m/h，在立管压力达到 29 MPa 时，机械钻速出现最大值

6.33m/h。

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摘要：

吐哈盆地玉北区块实钻钻头选型中因子分析法的运用　摘要：现场使用的钻头与所钻地层的匹配程度较差，导致钻井速度缓慢，需在常规优选钻头的基础上对因子选取进行补充，考虑水力参数对钻头选型的影响。鉴于此，采用因子分析方法对吐哈盆地玉北区块实钻钻头进行了选型，选型中增添了水力参数(排量、立管压力、喷射速度和钻头水功率)作为影响因子，并与仅考虑破岩参数作为优选钻头结果进行对比，分析了增添水力参数后对钻头选型产生的影响。分析结果表明:机械钻速与立管压力呈线性关系，与排量呈二次多项式关系，与钻头水功率呈对数关系，与喷射速度呈指数关系;应用给定的钻井水力参数钻进，YB-1井克拉玛依组、梧桐沟组和桃东沟组平均机械钻...

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