彰武断陷钻头优选及应用 Application of Bit Optimization in Zhangwu Fault Depression

doi:10.12677/ME.2014.21002

设为首页加入收藏期刊导航网站地图

期刊菜单

文章导航

Mine Engine ering 矿山工程, 2014, 2, 6-9

http://dx.doi.org/10.12677/me.2014.21002 Published Online January 2014 (http://www.hanspub.org/journal/me.html)

OPEN ACCESS

Application of Bit Optimization in Zhangwu Fault Depression

Guochen Mu

Engineering Technology Institute of Sinopec Northeast Oil and Gas Branch, Changchun,

Email: guochenmu@sina.com

Received: Oct. 25th, 2013; revised: Nov. 14th, 2013; accepted: Nov. 17th, 2013

stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the o riginal work is properly cited. In accordance o f the Creative Commons At-

guarded by law and by Hans as a guardian.

Abstract: Zhangwu fault depression is located in the south of Songliao Basin, where the strata’s lithology is complex,

including difficult drilling formation such as gravel and volcanic rock formations. The average rate of penetration of 12

early drilled wells was on ly 4.65 m/h, which would seriously affect later development process and economic benefits of

Zhangwu fault depression. To address this issue that the drilling process of Zhangwu fault depression experienced a low

rate of penetration in this paper, principal factor method was adopted during development process for rolling evaluation

on the used bits of each layer, and the selected bit sequences were used as a reference for bit type selection of next wells.

The contrast of average rate of penetration in 2012 and 2011 shows that bit sequences selected with principal factor

method dramatically improved the rate of penetration in Zhangwu fault depression, and principal fact or method can be

used for bit type selection in this area.

Keywords: Zhangwu Fault Depression; Rate of P enetration; Principal Factor Method; Bit Type S elec tion

彰武断陷钻头优选及应用

穆国臣

中国石油化工集团东北油气分公司工程技术研究院，长春市

Email: guochenmu@sina.com

收稿日期：2013 年10 月25 日；修回日期：2013 年11 月14 日；录用日期：2013 年11 月17 日

摘要：彰武断陷位于松辽盆地南部，该地区地层岩性复杂，含有砾石层、火山岩层等难钻地层。初始完钻的

12 口井，平均机械钻速仅 4.65 m/h，过低的机械钻速将严重影响到彰武断陷后期开发进程和经济效益。本文为

解决彰武断陷区块钻井过程中机械钻速低这一问题，开发过程中采用主因子法对该区块各地层已使用的钻头进

行了滚动评价，并将优选出的钻头序列用于指导下口井的钻头选型。2012 年与 2011 年已钻井的平均机械钻速

对比表明，利用主因子法优选出的钻头序列显著地提高了彰武断陷的机械钻速，主因子法可用于该地区的钻头

选型。

关键词：彰武断陷；机械钻速；主因子法；钻头选型

1. 引言

松辽盆地南部彰武断陷，主要目的层为白垩系的

沙海组、九佛堂组。该地区地层岩性变化复杂，中上

部地层(阜新组、沙海组)岩石强度较低，然而砾岩层

发育；下部地层岩石强度较高，义县组为火山岩地层。

由于钻头选型困难，彰武断陷机械钻速低，初始完钻

的12 口井，平均井深 1914 m，平均机械钻速仅 4.65

m/h，平均钻井周期 37.24 天。彰武断陷已有丰富的钻

彰武断陷钻头优选及应用

OPEN ACCESS

头使用资料，优选出适合该地区的钻头类型的关键在

于对已有钻头合理的性能评价。目前钻头评价方法有

每米钻井成本法、比能法、最小二乘法优选算法、参

数化分析法、综合指数法、神经网络法、模糊综合评

判法、灰色关联分析法、灰色局势决策法、主因子分

析法等多种方法[1-4]。为解决该区块机械钻速过低这一

问题，开发过程中采用了主因子分析法对已使用所有

钻头进行了滚动评价，并将优选出的钻头序列用于指

导下口井的钻头选型。本文将利用该区块 2012 年7

月前在各层位的钻头实钻数据，采用主因子分析法优

选出该一套适合彰武断陷各层段使用的钻头序列，以

提高该区块在后期开发中的机械钻速。

2. 主因子分析法

主因子分析法就是把多个变量化为少数几个综

合变量即综合指标，而这几个综合指标可以反映原来

多个变量的大部分信息，所含的信息又互不重叠，即

它们之间要相互独立，互不相关。假设研究某一问题

涉及 n个样品，每个样品具有 p个变量指标，于是得

到资料矩阵：

11 121

21 222

p ppn

xx x









 



(1)

式中：

为第 n个样品的第 p个变量观测值。

主因子分析法具体计算步骤[4]如下：

1) 计算均值向量

及协方差矩阵 S：





= ×=







(2)

( )

i iij

SXXnX XS

=−=

(3)

式中：

为单位矩阵，

为

的转置矩阵， T

X为

的转置矩阵，

,1, 2,,ij p=

。

2) 将资料矩阵标准化

−

(4)

式中：

1, 2,,ij p= =

。

标准化后的 X的均值为 0，方差为 1。所以协方

差阵 S与相关矩阵 R完全相同，以后就以 R为计算出

发点。

3) 用Jacobi 方法计算 R矩阵的特征值及特征向

量

设特征值为

( )

12ip

λλ λλ

≥≥≥

，其相对应的特

征向量为 ui，则

12 p

U uuu



=



。

因此，F就是相当于资料矩阵 X的主分量资料矩

阵：

F FFF

UX UXXX



=



== 



(5)

自然有

( )

T1,2, 3,,

FUX ap== ，即

每一个

就是第 a个主分量的观测值。

4) 确定主分量的个数 m

12 p

λλλ δ

+++ ≥



(6)

式中，δ根据不同的需要选取不同的值，一般情况下

δ取85%即可。

5) 计算各主分量的贡献率及主分量得分

主分量贡献率：

λλ λ

=+++

(7)

主分量得分：

112 2mmmmp p

FaX aXaX

∗∗ ∗

= +++

(8)

对于某一区块的特定层位，如果已获得不同类型

钻头(样品)的实钻数据(变量指标)，如钻头的进尺、平

均机械钻速、纯钻时间、使用个数、钻头成本等多项

指标，就可以用主因子分析法建立一个能综合反映钻

头使用效果的指标即综合指标代替这些多项指标，对

所用钻头进行评价。综合指标对应的综合指数(主分量

得分)，其值愈大，钻头使用效果愈好，最大值为推荐

钻头。将主因子分析法运用于钻头性能评价、优选钻

头，中原油田濮城区块[3]、大港油田歧口凹陷[4]取得

良好效果。

3. 钻头优选结果

截止 2012 年7月，彰武断陷已钻井在各层位的

钻头实钻数据已相当丰富。以九佛堂组地层使用的钻

彰武断陷钻头优选及应用

OPEN ACCESS

头为例，九佛堂组岩性以深灰色泥岩为主，夹薄层灰

色粉砂岩和砂砾岩为主。该地层平均机械钻速低，可

钻性差，然而使用钻头个数多，为钻头优选提供了丰

富的数据。选取该层位已使用钻头的平均比能、平均

进尺、最高进尺、钻头使用个数、平均钻速5项指标

进行主因子法分析，钻头评价结果如表 1所示。

由表 1可知，九佛堂组地层已使用过的钻头中，

P265MF型号 PDC 钻头的综合指数为 2.15，平均机械

钻速为 8.64 m/h，钻头平均进尺 347.77 m。P5355M

型号 PDC 钻头的综合指数为 1.34，平均机械钻速 5.56

m/h，钻头平均进尺 118.67 m。综合考虑以上因素，

推荐在九佛堂组地层使用 P265MF、P5355M 和S5445

型号的 PDC 钻头。

根据彰武断陷 2012 年7月前已完钻井在各层位

已使用钻头的实钻数据，优选出适合彰武断陷各层位

使用的前三种钻头型号(如表 2)，以指导该区块在后期

开发中的钻头选型，提高该地区机械钻速。

4. 应用效果

采用主因子分析法，彰武断陷在开发中对已钻井

Table 1. The evaluation results of 215.9 mm bits in Jiufotang section

表1. 九佛堂组地层 215.9 mm 井眼钻头评价结果

钻头类型钻头型号平均比能(MJ/m3) 平均进尺(m) 最高进尺(m) 钻头使用个数平均钻速(m/h) 综合指数

PDC P265MF 7.04 347.77 920 4 8.64 2.15

PDC P5355M 11.04 118.67 184.21 3 5.56 1.34

PDC S5445 7.71 145.38 285 2 9.69 1.24

PDC DF464 8.85 466 466 1 4.57 1.15

牙轮 HJ517G 29.47 250.98 595 6 3.51 0.24

牙轮 HJ437 34.68 306 306 1 1.87 −0.04

牙轮 SJT517GK 34.2 175.37 211 4 3.05 −0.25

牙轮 MD537X 40.57 163.96 199.52 3 3.84 −0.87

牙轮 H517G 30.19 56.31 229.66 11 3.78 −1.27

Table 2. The optimization results of used bit of whole well

表2. 已用钻头全井段优选结果

地层钻头类型钻头型号平均比能(MJ/m3)

平均进尺(m) 最高进尺(m) 钻头使用个数平均钻速(m/h) 综合指数

第四系、

孙家湾

PDC DF1905UM 0.24 202.45 202.45 1 40.49 3.87

PDC GX53 0.45 200.67 201 3 25.07 1.05

牙轮 HJT127G 0.56 179.2 200.6 2 39.82 0.82

阜新组

PDC DF464 2.82 633 709 2 9.59 1.48

PDC GD1605ST 1.59 488.55 488.55 1 23.26 0.86

PDC W644 4 650.7 803.4 2 13.7 0.53

沙海组

PDC DF464 1.8 709 709 1 8.97 2.92

牙轮 H517G 4.75 484.67 838.9 3 18.4 0.91

牙轮 HAT127 2.58 299 299 1 13.59 0.68

九佛堂组

PDC P265MF 7.04 347.77 920 4 8.64 2.15

PDC P5355M 11.04 118.67 184.21 3 5.56 1.34

PDC S5445 7.71 145.38 285 2 9.69 1.24

义县组牙轮 H517G 31.62 55.5 62.25 2 3.36 0.6

彰武断陷钻头优选及应用

OPEN ACCESS

Figure 1. The contrast of aver age rate of penetration in 2012 and

2011

图1. 2012 年和 2011 年平均机械钻速对比

使用过的钻头进行滚动评价，并将评价结果用于指导

后期钻头选型。对比彰武断陷 2011 年与 2012 年已完

钻井的平均机械钻速(图1)，彰武断陷平均机械钻速较

2011 年提高了 27.9%，提速效果显著。

5. 结论与建议

1) 采用主因子分析法对彰武断陷已使用钻头滚

动评价选型，所选钻头序列对该地区正确选用钻头、

提高机械钻速具有指导作用。

2) PDC 钻头在彰武断陷全井段都具有较好的钻

井效果，含砾岩层阜新组、沙海组及岩石强度相对较

高的九佛堂组都适合采用 PDC 钻头。

3) 由于常规 PDC 钻头不适宜钻硬地层，尤其是

高强度、高研磨性的砾石层，本文推荐在沙海组及九

佛堂组使用耐磨性强、破岩效率高的高研磨硬地层

PDC 钻头。

参考文献 (References)

[1] 杨仲涵, 何世明, 周晓红, 等 (2011) 国内外钻头优选方法述

评.

重庆科技学院学报

(

自然科学版

), 4, 87-90.

[2] 彭刚, 杨世军, 先齐 (2011) 轮古区块深井复杂地层钻头选

型研究与应用.

钻采工艺

, 5, 28-30, 40.

[3] 王小建, 夏宏南, 孙继明, 等 (2005) 主成分钻头评价方法在

中原油田的应用.

断块油气田

, 3, 63-65.

[4] 张磊, 丁大鹏, 余鹏, 等 (2013) 主成分钻头评价方法在歧口

凹陷中的应用.

长江大学学报

(

自科版

), 2, 70-72.