基于相关系数法的涠西南凹陷潜山地层提速技术

马涛 张超 王巍 韩成 魏佳

中海石油（中国）有限公司湛江分公司 广东 湛江 524057

南海西部北部湾盆地涠西南凹陷的勘探开发逐步迈向深层，而深部潜山地层以灰岩为主，地层硬度大，对钻井参数敏感性高，机械钻速慢，导致钻井周期长，钻井成本高。提高机械钻速以降低钻井周期，是解决制约经济勘探开发的有效手段。但钻井参数数据量大，种类多，需要综合分析评价潜山地层难钻原因。业内主要采用聚晶金刚石复合片钻头（PDC钻头）与辅助提速、破岩工具相配合，进行深部潜山地层提速[1-4]，本文基于相关系数法，分析影响潜山地层难钻的主控因素，推荐合理钻井参数，并结合钻头优化设计和提速工具选用，提出针对性的提速措施。

1 北部湾盆地潜山地层岩性特点和提速要求

北部湾盆地涠西南凹陷前古近系潜山岩性以褐灰色灰岩、白云质灰岩为主，局部富含泥质纹层；基岩岩性以下石炭统灰岩、泥质灰岩及白云岩为主；风化带岩性以砂砾岩、粗砂岩为主，夹少量灰岩，砂砾岩中常含白垩[5]。通常井身结构设计将其和上部长流组作为同一井段，长流组以褐红色厚层状砂砾岩、粗砂岩为主，夹褐红色泥岩、粉砂质泥岩，该地层抗压强度达到6000～14000psi，硬度大，机械钻速慢，且有一定的非均质性，见图1、图2。钻头优选要求抗研磨性强，并兼顾一定攻击性，增加钻头吃入地层能力。钻井参数选择则既要保证钻头有效吃入，同时要延长钻头使用寿命。

图1 涠西南凹陷典型潜山井地层抗压强度

图2 涠西南凹陷典型潜山井地层抗压强度和机械钻速

2 机器学习优选钻井参数

钻井过程中会产生大量的钻井参数，分析钻井参数和机械钻速的关系，找出主控因素，有利于采用合理钻井参数提高机械钻速。但由于钻井参数数量和种类多，机械钻速影响因素复杂，现场观察难以找到影响趋势。基于现场大数据，通过机器学习能够以图表和数值的形式直观体现并量化各个特征值间的相关性大小，分析机械钻速和钻井参数关系，并进行优化以提高机械钻速[6]。

相关系数（Correlation Coefficient）是一项用来反映变量之间关系密切程度的统计指标，计算上以两变量与各自平均值的离差为基础，通过两个离差相乘来反映变量之间的相关度。相关系数值的变化范围在-1到+1之间且可以是此范围内的任何值。当相关系数值达到+1的时候，表示这两个变量间完全正相关；当值为0时，表示这两个变量无关，且值越接近0，两变量的关联程度越弱；当值为-1时表示这两个变量完全负相关（即其中一个变量增加时，另一个变量减少），且值越接近-1，两变量的负相关性越大。

相关系数的计算公式为：

其中rxy表示样本相关系数，Sxy表示样本协方差，Sx表示x的样本标准差，Sy表示y的样本标准差。

其中协方差Sxy和样本标准差Sx和Sy的计算公式如下：

由于是样本协方差和样本标准差，因此分母均为n-1。

对潜山灰岩地层钻井参数与机械钻速进行相关分析，热力图如图3所示。

图3 钻井参数与机械钻速相关性分析结果

由图3所示，潜山灰岩地层钻压、转速、排量、扭矩与机械钻速呈正相关，其中钻压、转速和排量相关性较大。主要原因在于，高钻压可以增加钻头对地层的吃入和剪切力度，提高转速可以增加单位时间破坏岩石的速度，高排量有利于加快将钻屑带离井底，减少重复切削。因此，涠西南凹陷潜山地层的提高机械钻速方向为尽可能的提高钻压和转速，并提高排量。由表1可知：尽管灰岩基体强度较高，但由于潜山风化带是由淋滤、溶蚀、构造、充填等作用形成，发育溶洞、裂缝、砂砾（岩）填充物、网状方解石脉，对钻头总体磨损并不强。

表1 涠西南潜山灰岩部分地层钻头出井磨损情况

表2 应用井和邻井对比情况

3 涠西南潜山灰岩地层提速措施

根据相关性分析，提高钻压、转速和排量是提高潜山灰岩机械钻速的有效途径。结合现场情况和现有手段，提出以下3项提速措施和配套工具优化：

强化钻井参数：将钻压从3 0 k l b s 提高到40klbs，转速从60～80rpm提高到120rpm，排量从1800lpm提到2000lpm（8.5”井眼）。

优选提速工具：使用复合冲击器见图4，将钻井液水力能量转换为80%的周向和20%的轴向复合冲击能量，在加大钻压同时可以缓冲钻头冲击，更好保护钻头；工具采用一体化设计，大幅缩短工具与钻头总长度，更适用于定向钻井；减少钻柱憋钻和跳钻现象，降低管柱疲劳；消除黏滑效应，有利于钻头均匀切削；现场应用发现复合冲击器可以减少起下钻次数，节约钻井成本。

图4 复合冲击器

优化钻头：设计13mm齿6刀翼PDC钻头见图5，前排选用抗冲击性更强的斧形齿，并提高布齿密度，后排选用锥形齿。后排锥型齿配合工具高频轴向冲击敲击破岩，前排斧形齿配合工具周向高频冲击犁削地层，钻头吃入地层更高效，综合破岩效率高，同时能够有效降低钻进扭矩，钻头在井底工作更平稳。

图5 13mm齿6刀翼钻头

4 应用效果

根据钻头优选和提速工具设计钻具组合：8-1/2″ 13mm齿6刀翼PDC钻头+6-1/2″复合冲击器+6-1/2″浮阀+8-3/8″倒划眼扶正器+8-1/2″短钻铤+8-1/2″倒划眼扶正器+6-1/2″钻铤+6-3/4″震击器+5-1/2″加重钻杆+5-1/2″钻杆，试用于WZ11-X井，入井深度3040m，出井深度3640m，机械钻速19m/h，出井钻头API磨损评级为：1-1-WT-A-X-I-NO-TD，见图6。该井在潜山层位相比于WZ11-Y井机械钻速提高41%，提速效果良好。

图6 WZ11-X井潜山层位出井钻头照片

5 结束语

涠西南灰岩基体强度较高，但由于微裂缝和溶洞发育，对钻头总体磨损并不强，可通过强化钻井参数提高机械钻速；

分析机器学习结果，涠西南凹陷灰岩钻压、转速、排量、扭矩与机械钻速呈正相关，其中钻压、转速和排量相关性较大，可作为提高机械钻速优先选择；

复合冲击器将钻井液水力能量转换为80%的周向和20%的轴向复合冲击能量施加给钻头，可以提高破岩效率，适当保护钻头，有利于提高涠西南凹陷潜山地层的机械钻速；改进的13mm齿、6刀翼PDC钻头对涠西南凹陷潜山地层有良好的提速作用。