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钻头优选与合理使用技术

一、概述

在旋转钻井中，钻头是破岩造孔的主要工具，它的质量优劣及其与地层、岩性和它钻井工艺条件的适应程度，直接影响着钻井速度的高低，因而根据地层条件合理选择钻头类型和钻井参数，则是提高钻速、降低钻井成本地重要技术环节。

在深井钻井过程中钻头要钻遇、钻穿多套地层中和多种岩石，由于岩石是具各向异性的非均质体，其品种极多且性质各异，因而从事钻头选型工作研究的石油钻井科技工作者，面对的是一庞大而复杂的集合体。

故钻头类型优选方法的先进性及其所选钻头类型与地层的适用程度，从一定意义上讲制约着深井钻井速度的大幅度提高和钻井成本大幅度下降，是目前国内外钻井工程技术领域相当重视与关注的一项重要研究工作，多年来各国都在下大力,投入大量资金和众多人员进行该方面的试验与研究,以期获取行之有效且能为优质高效钻井提供技术支持的钻头选型方法。

石油勘探开发高速度与低成本目标的实现，很大程度上取决于钻井的高速度。

目前国内外畅行的提高钻井速度的主要技术途径，是实施优快钻井配套技术，该项技术的核心内容是由软件技术－高水平的钻井工艺技术和硬件产品－与地层适用性强的高效钻头两部分内容组成。

因而欲求获取钻井的高速度，即实现提高钻井速度、缩短建井周期的工作目的，除应在不断进行钻井工艺技术方面技术创新、研究开发外，另一重要技术途径是注重研制新型钻头和合理选择及使用钻头。

二、国内外相关钻头选型方法综述

自钻井应用于探矿工程开始至今，新型钻头研制与钻头选型工作，一直是钻井技术领域中研究的主要课题，随着钻井工艺技术的不断进步与提高，钻头选型方法在不断提高与完善，但此项工作将永远是该项技术领域中研究的主题。

现将国内外有代表性的几种钻头选型方法予以归类综述。

（一）经验钻头选型法

本方法俗称现场钻井资料选型法，其提出和应用开始于钻井工程的初始阶段，后经从事石油钻井工程现场施工和科研人员几代人的不断完善提高、逐步形成为一套行之有效的实用方法，目前现场钻井技术人员多采用这一方法选择钻头类型。

本方法的技术路线梗概为：

以现场钻井资料为基础，通过统计分析目标井所在地区大量的邻井实钻资料，按照各种类型钻头在相同地区、相同地质层段、相同井深条件下，其平均进尺多、平均机械钻速较高的理念选择和使用的钻头类型。

本方法具有简单实用、在相同地区和相同地质层段适用性强的优点。

其不足之处表现在：

1.由于统计分析资料中涵盖的钻头种类有限，其所选定的钻头类型是否为最优；

2.钻井工程的流动性较大，其选型结果受所钻地区与地层的影响较大，当地区或地层变化后，其推广应用价值和适用性就大打折扣；

3.统计分析资料依据的是井史，其数据品质的优劣，直接影响到选型结果的可靠性与应用价值；

4.统计分析太过具体、局限性大，不利于新型钻头或其他钻头类型的推广应用；

5.选型方法陈旧、统计结果未能与地层因素挂钩，与以地层因素为前提的现代科学化钻井技术发展不协拍。

目前国内有关研究单位与石油院校提出的神经网络钻头选型法，亦属于本方法的技术范畴，是对本方法的完善与提高。

近几年，胜利石油管理局钻井工艺研究院李祖奎高级工程师，基于目前在深井、复杂硬地层钻井中，钻头成本已不作为钻井成本主要计算依据的技术与经济现实现状，从充分注重钻头破岩效率出发，总结、学习与借鉴国内外多种评价钻头技术指标的方法与研究成果，从最可经济法的理念出发，构造了一个新的统计量“JX=平均机械钻速×钻头进尺”作为评价钻头技术性能高低的指标，并将其定义为“技术效益指数”。

“技术效益指数”的计算，以钻井资料中最为准确的数据－“钻头进尺”为基础，并作为“权”参与计算与统计，其反映的是某一地区近几年的钻井技术水平、钻头选择和使用水平及其技术效能，具有极高的参考应用价值。

这一以技术效益指数最高选择钻头类型的方法，使经验钻头选型法的应用得以进一步的理性与务实。

（二）参比钻头选型法

本方法是20世纪末国外钻头制造商在经验钻头选型方法基础上，为克服经验钻头选型方法的上述不足，引入间接地层因素－声波测井资料，使钻头选型方法向科学化方面发展而研发的一种新方法。

本方法之所以称之为参比法，是因为最终参与钻头选型的地层参数为声波测井数据，钻头供应商获取这些数据资料后，必须经与标准化钻头选型模板的数据进行比对后，才能选定和推荐出的钻头类型。

本方法较经验钻头选型法先进科学，其主要表现为：

钻头选型方法研究中，在充分注重钻井资料应用的基础上，引入了对地质、录井、测井资料的应用，虽然在标准化钻头选型模板中只出现了声波测井数据，但实际上钻井、地质、录井等资料的应用价值已隐含在其中。

本方法的优点主要表现为：

一是体现了地层因素对钻头选型工作的重要意义与作用，钻头选型依据充分，方法具科学性；二是方便快捷，钻头供应商仅需根据用户提供的井身结构、声波测井资料就可方便快捷的推荐出内容包括：

钻头型号及其进尺和在推荐钻进技术参数、水力参数条件下的钻井速度及钻井周期在内的钻头选型方案。

用两分法观点分析问题，其不足之处有以下四点：

1.基于测井声波速度与岩性关系密切这一定性结论，这种以“隐含地层与岩性因素”为基础，求取的声波测井速度“中值”及其“偏差范围”，其数据的代表性强弱尚需商榷，在岩性变化频繁及地层起伏变化较大的地区应用，其推广应用前景将受到一定限制；

2.虽然理论与试验研究已经表明，岩石的声波速度与岩石的工程力学特性参数存在有较好的相关关系，但它仅是一个间接的参数，不能真正确切的代表和表征岩石本身的抗钻特性，在两者之间的量化研究尚未具体到相当高精度的今天，所选钻头类型与地层的适用性又是一个值得商榷的技术问题；

3.本方法的提出与应用，属钻头制造商和供应商专有，现场不能自主进行有关钻头选型工作，故选购的钻头价格昂贵。

（三）等概钻头选型方法

等概钻头选型方法，是本文编者对目前我国石油行业内部行之有效的利用岩石可钻性选择钻头类型这一方法，经理论升华后的最新定名。

本方法基于“地层因素”而提出和建立，是我国石油钻井科技工作者，自20世纪80年代初开始自主研发、并历经20余年应用和不断完善提高而形成的一种新方法。

本选型方法的技术路线梗概为：

1.应用试验法或预测法或检测法，获取地层可钻性级值；

2.应用数理统计方法对试验获取得的岩石可钻性数据进行统计分析，获取地层整体的量化信息并确定出各地质层段的地层可钻性代表值－均值Kd和标准误差S；

3.选取各地质层段地层可钻性代表值－均值Kd和标准误差S，应用胜利石油管理局钻井工艺研究院李祖奎高级工程师，根据休斯钻速预测诺模图版编制的、以地层可钻性级值界定区间的IDAC编码钻头选型对照表，就可以按地层可钻性级值界定区间值的范围，合理选定出适应各地质层段的钻头类型。

本方法利用能真正表征岩石破碎综合性质、确切和定量反映地层抗钻特性的岩石可钻性级别值，选择与地层配伍且适用性强的钻头类型，其优点是方法先进且具科学性、使用更加简便易行，亦是科学化钻井的重要组成部分。

等概钻头选型法，基于一类地层必有一种钻头最为合适，其成本低、进尺多、钻速高，这一在钻井工程界已达成共识的理念而提出。

其建立的技术基础为：

数理基础—岩石可钻性级别服从正态分布；宏观均质原理—地层可钻性的宏观均质特性；统计规律－地层可钻性级别与钻头类型的等概关系。

1.岩石可钻性级别服从正态分布

钻井地层整体的岩石条件可钻性服从（

，S）正态分布的理论，由华东石油学院尹宏锦教授创立，业已被国内三十余年来的试验研究与数理统计分析获取的多项研究和应用成果所证明，其重大意义在于为等概钻头选型方法建立奠定了坚实的数学基础，无此则无法进行概率计算，其等概关系的建立，则无数据资源。

作为示例说明的全国统计分析样本结果见表2-1、图2-1，胜利油田全区的统计样本结果见表2-2、图2-2。

表2-1全国岩石条件可钻性等级统计分析表

等级区间

频数

累积频数

频率

累积频率

分布概率

累积概率

分布密度

-∞～0

0.006

0.001

0.001803721

0～1

0.016

0.022

0.005

0.006

0.009065916

1～2

0.028

0.049

0.018

0.024

0.032870869

2～3

0.031

0.080

0.056

0.082

0.085974155

3～4

0.108

0.188

0.123

0.205

0.162211593

4～5

120

0.182

0.370

0.195

0.400

0.220776626

5～6

212

0.284

0.654

0.226

0.626

0.216761191

6～7

273

0.188

0.843

0.187

0.813

0.153520791

7～8

300

0.083

0.926

0.115

0.928

0.078435036

8～9

317

0.052

0.978

0.051

0.979

0.02890748

9～10

321

0.013

0.991

0.017

0.995

0.00768542

10～+∞

324

0.009

1.000

0.0038

1.000

0.001473948

注

样本容量N=324均值

=5.4438标准差S=1.7498

可钻性级别

图2－1全国岩石条件可钻性等级统计频率直方与分布密度曲线

表2－2胜利油田全区宏观地层剖面岩石条件可钻性等级统计分析表

等级区间

频数

累积频数

频率

累积频率

分布概率

累积概率

分布密度

－∞～0

0.01282

0.00477

0～1

0.01282

0.0228

0.028794

1～2

0.03205

0.04487

0.0480

0.0708

0.073233

2～3

0.1453

0.19017

0.1054

0.1762

0.139458

3～4

173

0.17949

0.36966

0.1721

0.3483

0.198844

4～5

267

0.20085

0.57051

0.2113

0.5596

0.212282

5～6

352

0.18162

0.75213

0.1953

0.7549

0.169686

6～7

421

0.14744

0.89957

0.1339

0.8888

0.101557

7～8

449

0.05983

0.9594

0.072

0.9608

0.04551

8～9

463

0.02991

0.98931

0.0285

0.9893

0.01527

9～10

466

0.00641

0.99572

0.0085

0.9978

0.003836

10～+∞

468

0.00427

1.0000

0.0022

1.0000

0.000722

注

样本容量N=468均值

=4.726标准差S=1.859

图2-2胜利油田岩石条件可钻性等级统计频率直方与分布密度曲线图

2.宏观均质原理与地层可钻性的宏观均质特性

根据概率论定义，宏观均质原理是指一个服从正态分布的随机变量X，以数学期望E（X）=

的技术原理。

而地层可钻性的宏观均质特性，是基于这一原理针对地层微观不均质性而提出的一种合理构想，其由统计推断和验证而建立。

在地层可钻性应用研究工作中，宏观均质原理应用的技术核心在于：

在承认地层微观不均质的前提下，由试验和统计分析，推断出地层的宏观均质特性，并以此为基础研究微观不均质地层，即在室内试验及其对试验数据与现场资料进行大量统计分析的基础上，推断出研究所涉及地区地层的宏观均质特性—地层因素代表值。

由于试验所采用的岩样及其收集的现场资料来自不同区域、不同深度的各地质层段，其数量众多，因而从广义上讲，这种试验实际上是进行了一次宏规模试验，而宏规模试验结果所具有的较强代表性，可使研究结果的应用前景具有普遍意义。

3.地层可钻性级别与钻头类型的等概关系

等概关系，是指在数理统计过程中，两个或两个以上相关联的统计样本呈现一种在概率相等的统计关系。

国内通过二十余年来的试验研究与数理统计分析，获取了地层可钻性级别与使用钻头类型，存在有在概率上相等的统计关系。

1980年华东石油学院尹宏绵教授依据国内各大油田不同地层及井深的钻头类型配伍资料与地层可钻性综合样本理论分布函数统计分析而得出的结果，相当有代表性，见表2-3。

而由本文编者完成的胜利油田全区研究结果也验证了这一关系存在的客观性，见表2-4。

地层可钻性级别与钻头类型的等概率关系，是等概钻头选型方法建立技术核心。

它既验证了人们理性化、科学化思维：

一类地层必有一种钻头最为合适,其成本低,进尺多,钻速高的必然性，又为本方法的建立提供了科学依据。

表2-3全国钻头类型同地层级值的等概关系统计分析表

钻头

型号

名称

极软

软

中软

中

中硬

硬

极硬

符号

钻头数量%

概率

地层极值

12.49

0.1249

3.4

15.55

0.2804

4.4

15.23

0.4372

5.1

28.36

0.7163

6.4

13.95

0.8558

7.3

14.18

0.9776

10.4

0.23

0.9999

>10.4

地层级别

<Ⅳ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

Ⅶ

Ⅷ

表2-4胜利油田宏观区域剖面地层级别与钻头类型等概关系表

类别

软

软－中－硬

硬

地层可钻性

级别

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

Ⅶ

Ⅷ

Ⅸ

Ⅹ

概率

0.0708

0.1054

0.1721

0.2113

0.1953

0.1339

0.0720

0.0258

0.0085

0.0022

类累计

概率

0.3483

0.6410

0.0107

累计概率

0.9893

0.0107

钻

头

统

计

类型

粘软

软

软-中

中硬

硬

极硬

统计量

109

2186

4014

184

用量％

1.68

33.64

61.76

2.83

0.06

0.03

每类占％

35.32

64.59

0.09

累计占％

99.91

0.09

4.等概钻头选型方法的先进性

由上述分析与阐述可知，建立在以“地层因素”为基础之上的等概钻头选型方法，依据的是岩石可钻性级别服从正态分布、地层可钻性宏观均质特性和地层可钻性级别与钻头类型等概关系等岩石可钻性应用研究成果，其基础物质条件坚实、技术基础条件厚实、理论依据充分、“选择因子”代表性强、建立方法科学，从技术的先进性方面分析问题，其主要表现在如下几个方面：

（1）基于“地层因素”是根据地层岩性理性而科学选择钻头类型的根本，本方法实现了这一工作目标，具科学性；

（2）室内直接用微型模拟钻头在地层岩样的横切面上做钻孔试验，获取的试验数据来源于地层岩石，其反映钻头破碎岩石的真实情况，方法建立的基础物质条件坚实；

（3）采用和选定的钻头选型“地层因素”，为测定的地层直接参数—岩石可钻性，其能真实反映和代表地层岩石的抗钻特性，选择“地层因素代表值”作为钻头选型的指标，科学而又具有极强的代表性；

（4）方法建立的理论基础为数理统计理论，其统计推断获取的结果代表性强，方法建立的理论依据充分；

（5）方法建立的方式为室内试验与数理统计相结合的方法，具先进性。

三、四川盆地的地层特征与钻进特性

（一）地层特征概述

四川盆地是我国海相地层富含油气的地区之一。

本地区自震旦系，在较稳定的地台发展时期沉积了一套海相碳酸盐岩夹碎屑岩。

其沉积地层系统粗划分框架为：

海相沉积下组合（震旦系－志留系），海相沉积上组合（志留系－二迭系）、（三迭系－侏罗系），陆相地层组合（侏罗系－白垩系）。

本地区自震旦系开始至志留系经历了三次大的海进和海退，海进期沉积了一套碳质泥页岩、泥质灰岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩；海退期沉积了一套以局限台地为主的白云岩、石灰岩及碎屑岩，岩石致密。

晚加里东运动不但造成该区中、上志留系严重剥蚀，而且使下泥盆系缺失。

而上三迭系是在印支运动抬升后，遭受严重剥蚀的古地貌接受陆相碎屑岩沉积物为主夹泥灰岩、介壳灰岩的沉积。

从沉积环境分析：

震旦系－志留系为陆缘海沉积物组合，泥盆系－下三迭系为陆表海沉积体系，而上三迭系-侏罗系则为陆相沉积组合。

（二）地层及岩石的钻进特性

四川盆地地层岩石坚硬、可钻性低，这是人所共知的。

依据该地区地层柱状剖面和地层岩性统计数据，从已钻井的地质取心中选取代表性岩样，按我国石油天然气行业规定的试验方法测定其岩石可钻性，获取试验数据，应用数理统计方法对获取的样本数据进行了等级统计分析，获取了如下地层及岩石的钻进特性信息。

1.四川盆地地层整体的钻进特性

1982年～1986年，原石油部石油勘探开发科学研究院和华东石油学院，分别采样共计选取钻井取心岩样745块，共同开展和完成了四川盆地岩石可钻性测定及应用研究，依据其岩石可钻性数据进行数理统计分析，获取了四川盆地地层整体的钻进特性信息，四川盆地岩石可钻性剖面汇总统计结果见表2－5，其整体岩石可钻性等级分布直方图见图2－5。

表2－5四川盆地岩石可钻性剖面

地层

主要

岩性

岩石可钻性级别

每级占地层的百分比%

均值

波动范围

Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

Ⅳ

Ⅴ

Ⅵ

Ⅶ

Ⅷ

Ⅸ

侏

罗

系

下沙溪庙

砂岩

4.064

3.180—4.88

凉高山

页岩砂岩

3.084

2.090—4.22

大安寨

灰岩页岩

3.878

1.900—6.51

18.18

27.27

9.1

18.18

27.27

马鞍山

页岩灰岩

2.590

2.000—3.59

东岳庙

页岩

4.997

1.790—6.60

珍珠冲

泥岩砂岩

4.846

4.180—7.907

三迭系

须家河

砂岩页岩

5.788

1.600—9.63

4.08

6.12

24.49

28.57

18.37

12.24

2.05

4.08

雷口坡

白云岩灰岩

7.483

5.600—8.39

4.35

17.39

52.17

26.09

嘉陵江

白云岩灰岩

6.489

2.850—8.86

0.4

1.99

7.97

15.94

40.64

25.1

7.96

飞仙关

泥岩灰岩

6.125

4.490—7.72

9.62

30.77

46.15

13.46

二迭系

长兴

灰岩

6.725

4.670—7.651

龙潭

泥岩,砂岩

4.630

2.190—7.119

21.43

42.85

14.29

7.14

14.29

茅口

灰岩

6.654

3.490—8.72

2.65

3.55

10.62

47.79

30.08

5.31

栖霞

灰岩

6.858

5.780—8.64

33.33

16.67

梁山

泥岩砂岩

5.058

2.270—7.26

石碳系

黄龙

白云岩

6.426

3.650—8.435

3.17

17.46

11.11

25.4

34.92

7.94

志留系

泥岩

4.250

2.790—7.19

7.5

2.5

奥陶系

灰岩

6.872

6.730—7.0

88.89

11.11

寒武系

洗象池

白云岩页岩

7.392

4.570—8.83

5.88

29.41

23.53

41.18

龙王庙

白云岩页岩

7.854

7.070—8.52

66.67

33.33

震旦系

白云岩

7.752

6.650—8.78

四川盆地（样本容量N=745）

6.165

S＝1.487

0.67

2.95

6.04

11.68

12.88

33.96

23.08

8.47

0.27

图2－5四川盆地岩石可钻性等级分布图

2.川东北地区地层整体的钻进特性

2001年～2004年，胜利石油管理局钻井工艺研究院，为完成原南方海相油气勘探经理部委托的“南方海相复杂勘探区钻井技术研究”课题，选取川东北地区地层岩样48块，测定了其牙轮钻头可钻性和PDC钻头可钻性、硬度和塑性系数、单轴抗压强度和弹性模量、单轴抗拉强度、密度、纵波声波速度和横波速度，应用数理统计方法对获取的岩石可钻性样本数据进行了等级统计分析，牙轮钻头岩石可钻性等级分布统计结果，见表2－6和图2－6，PDC钻头岩石可钻性等级分布统计结果，见表2－7和图2－7，川东北地区岩石工程力学特性剖面见表2－8。

表2－6川东北地区牙轮钻头地层可钻性等级统计分析表

级别

频数

累计频数

频率

累计频率FN（Xi）

可钻性密度分布

概率

累计概率F（Xi）

︱FN（Xi）－F（Xi）︱

1～2

0.021

0.007

0.003

0.018

2～3

0.021

0.042

0.033

0.017

0.020

0.022

3～4

0.021

0.063

0.106

0.065

0.085

0.023

4～5

0.104

0.167

0.211

0.157

0.242

0.075

5～6

0.250

0.417

0.270

0.250

0.492

0.075

6～7

0.313

0.729

0.217

0.253

0.745

0.016

7～8

0.167

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0.908

0.012

8～9

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1.000

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1.000

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