郭勇　陳躍　徐勇　蘇宏岸

摘 要：針對(duì)鉆井液在工程實(shí)際中的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在分析添加劑作用機(jī)理以及各典型地層鉆進(jìn)需求的基礎(chǔ)上，將添加劑性能指標(biāo)以及地層參數(shù)予以量化，通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)建立添加劑基本性能指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，然后通過(guò)加權(quán)回歸模型建立匹配規(guī)則，依靠模型運(yùn)算法則對(duì)典型地層所需要的鉆井液體系進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化控制，以提升生產(chǎn)效率和確保鉆井液設(shè)計(jì)合理性。

關(guān)鍵詞：鉆井液；優(yōu)化設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)庫(kù)；加權(quán)回歸模型

引言

合理的鉆井液設(shè)計(jì)是成功進(jìn)行鉆井和降低鉆井費(fèi)用的關(guān)鍵，鉆掘工程中，鉆井液優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括性能設(shè)計(jì)和配方優(yōu)選等內(nèi)容[1]。要設(shè)計(jì)一套匹配目標(biāo)地層的最佳鉆井液方案，首先必須明確目標(biāo)地層的具體情況，選擇合適的鉆井液性能設(shè)計(jì)體系，然后依靠該體系進(jìn)行鉆井液的配方優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著我國(guó)鉆掘工程技術(shù)逐漸與國(guó)際接軌以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，鉆掘工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)在規(guī)范化、計(jì)算機(jī)化和管理現(xiàn)代化等方面有了新的發(fā)展條件和需求。

目前，針對(duì)鉆掘工程中鉆井液主要由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行配方設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)因人而異，難以形成規(guī)范的工藝體系。參考國(guó)際先進(jìn)技術(shù)體系，國(guó)內(nèi)許多研究機(jī)構(gòu)也對(duì)鉆井液優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行了相關(guān)研究，涉及體系主要包括范例模型[2]、正價(jià)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)體系、數(shù)學(xué)參數(shù)控制體系以及專家預(yù)設(shè)計(jì)等[3]。文章參考數(shù)學(xué)參數(shù)控制體系和專家參數(shù)評(píng)分方法，結(jié)合因子分析方法和數(shù)學(xué)建模，建立了一種新的鉆井液參數(shù)優(yōu)化模型。

1 鉆井液基本參數(shù)庫(kù)的建立

1.1 地層的預(yù)處理

不同地層對(duì)鉆井液性能的需求不盡相同，為了滿足針對(duì)鉆井液參數(shù)設(shè)計(jì)的建模需求，首先應(yīng)對(duì)各工作地層進(jìn)行預(yù)處理[4]。依靠專家經(jīng)驗(yàn)知識(shí)劃分鉆井液指標(biāo)優(yōu)控區(qū)間，使地層區(qū)別反映到鉆井液控制指標(biāo)的參數(shù)選擇上，這是地層預(yù)處理的主要手段。例如，由于軟弱地層孔壁自穩(wěn)能力較差，巖心保真困難，這就要求鉆井液在動(dòng)切力、動(dòng)塑比等性能方面進(jìn)行相應(yīng)的綜合控制，使之保持在各地層匹配的優(yōu)控區(qū)間之內(nèi)。通過(guò)地層的預(yù)處理，劃分出的代表地層指標(biāo)優(yōu)控區(qū)間，是優(yōu)化模型的進(jìn)行運(yùn)算匹配的特征參數(shù)。

1.2 添加劑性能指標(biāo)的參數(shù)化

針對(duì)各類鉆井液主要添加劑，將其對(duì)鉆井液性能的影響參數(shù)化，并通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)建立了優(yōu)控模型基礎(chǔ)參數(shù)庫(kù)?，F(xiàn)已納入數(shù)據(jù)庫(kù)的主要添加劑主要包括高聚物類降濾失劑CMC、高聚物類抑制劑PAM、植物膠、膨潤(rùn)土改型劑和堿度控制劑以及加重劑等。根據(jù)模型運(yùn)算需求，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包括了比重實(shí)驗(yàn)、六速旋轉(zhuǎn)粘度實(shí)驗(yàn)、漏斗粘度實(shí)驗(yàn)、失水率以及泥皮實(shí)驗(yàn)等；其中CMC、PAM、植物膠等主要添加劑分劑量水平進(jìn)行交叉組合，根據(jù)層次分析建庫(kù)要求，錄取相應(yīng)實(shí)測(cè)性能數(shù)據(jù)。另外，由于各代表地層匹配的性能指標(biāo)優(yōu)控區(qū)間的劃分主要依賴于專家知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，且粘度、比重、失水率等指標(biāo)的控制區(qū)間選取具有不規(guī)范性，為了適應(yīng)數(shù)學(xué)模型的運(yùn)算需求，現(xiàn)通過(guò)運(yùn)算處理，主要選取濾失水量API以及流變性參數(shù)n以及K值作為優(yōu)控參數(shù)[5]。

2 參數(shù)的分析處理

鉆井液表觀粘度主要是由流體體系結(jié)構(gòu)內(nèi)的內(nèi)摩擦作用和主輔劑高分子間交聯(lián)所形成的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所引起的，尤其在低剪切速率的情況中這種結(jié)構(gòu)表現(xiàn)的更加明顯。所以表觀粘度的數(shù)值大小直接反映著沖洗液空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)構(gòu)型對(duì)沖洗液性能的影響程度，直觀的表現(xiàn)就是排砂和攜巖屑的效果。同樣，無(wú)固相沖洗液的流體形式屬于假塑性流體，流性指數(shù)n表示假塑性流體在一定剪切速率范圍內(nèi)所表現(xiàn)出的非牛頓性的程度和剪切稀釋性的強(qiáng)弱。n值越小，曲線的曲率越大，流體的非牛頓性越強(qiáng)，剪切稀釋性也越強(qiáng)，同樣動(dòng)塑比也說(shuō)明了剪切稀釋能力的強(qiáng)弱[6]，需要注意的是，n值并非越小越好，n值應(yīng)與各地層需求匹配。這有助于沖洗液在環(huán)形空間產(chǎn)生較好的流核，形成平板層流，保證了沖洗液能有效地?cái)y帶巖屑和保持井眼清潔[7]；K值與沖洗液的粘度、切力有關(guān)，其值越大，粘度越高，可有效包裹巖心，提高巖心采取率及取芯質(zhì)量[8]，但K值的增大會(huì)導(dǎo)致動(dòng)切力增大，不利于鉆進(jìn)效率的控制，因此對(duì)應(yīng)各地層指標(biāo)匹配規(guī)則的建立，有利于實(shí)現(xiàn)鉆井液的最優(yōu)設(shè)計(jì)。表1是基于室內(nèi)試驗(yàn)所建立的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，基漿為膨潤(rùn)土-NaOH漿液，添加劑ABC分別代表為抑制劑PAM、高聚物VG、降濾失劑CMC。

文章以室內(nèi)試驗(yàn)所建立的數(shù)據(jù)庫(kù)為基本觀察數(shù)據(jù)，使用SPSS對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中一系列參數(shù)分組進(jìn)行了回歸分析。如不同水平的添加劑ABC組合與ND、API等控制指標(biāo)的回歸關(guān)系。為了利于參數(shù)分析的均衡性，結(jié)合對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的直觀分析，這里對(duì)ND等控制指標(biāo)的回歸分析采用權(quán)重估計(jì)。在“權(quán)重估計(jì)”界面中，選取添加劑ABC為自變量，其中C作為權(quán)重變量，ND作為因變量，如圖1。

此SPSS回歸分析所建立的模型，可應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中未涉及的同類別不同水平的添加劑組合，以預(yù)測(cè)其不同添加劑水平所形成的鉆井液體系中ND，API，N的性能水平。將此模型封裝成鉆井液優(yōu)化軟件應(yīng)用于鉆井液配方的優(yōu)化設(shè)計(jì)，能避免繁復(fù)的室內(nèi)試驗(yàn)，高效快速地實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用中的鉆井液設(shè)計(jì)，推進(jìn)鉆掘工程的規(guī)范化設(shè)計(jì)，提升生產(chǎn)效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)經(jīng)驗(yàn)知識(shí)確定各代表地層的泥漿性能需求，確定了API、ND、n值、k值等主要控制參數(shù)。（2）通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)建立了主要添加劑的基本性能指標(biāo)數(shù)據(jù)庫(kù)，并通過(guò)SPSS軟件建立數(shù)學(xué)模型分析了API、ND、n值、k值與添加劑劑量水平之間的作用關(guān)系。（3）基于室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)建立的加權(quán)回歸模型能避免繁復(fù)的室內(nèi)試驗(yàn)，快速高效地預(yù)測(cè)不同添加劑水平所形成的鉆井液體系的性能水平，將此模型以計(jì)算機(jī)軟件作為載體應(yīng)用于工程實(shí)踐之中具有積極的實(shí)際意義。

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作者簡(jiǎn)介：郭勇（1989-），男，湖南益陽(yáng)人，鉆探工程師，畢業(yè)于中南大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，主要從事鉆探技術(shù)、工程勘察相關(guān)研究。