[发明专利]一种钻井破岩方式及配套参数优选方法

权利要求书

1.一种钻井破岩方式及配套参数优选方法，其特征在于，具体步骤包括：

步骤一：将待钻井的同区块井井史资料进行统计，分层建立地层可钻性级别为k～k+1的破岩方式数据矩阵，包括机械比能计算矩阵B_k(k+1)、可靠度计算矩阵C_k(k+1)和钻头评价矩阵A_k(k+1)；

所述机械比能计算矩阵B_k(k+1)为式(1)；

式中：B_k(k+1)表示地层可钻性级别为k～k+1层段的i组破岩方式组合钻头的机械比能计算矩阵；b_i1为第i组破岩方式钻头的直径，mm；b_i2为第i组破岩方式钻头钻压，kN；b_i3为第i组数据的转速，r/min；b_i4为第i组破岩方式的扭矩，N/m；b_i5为第i组破岩方式的机械钻速，m/h；

所述可靠度计算矩阵C_k(k+1)为式(2)；

式中：C_k(k+1)表示地层可钻性级别为k～k+1层段的i组破岩方式可靠度计算矩阵；c_i1为第i组破岩方式的钻头牙齿实际磨损程度，无量纲；c_i2为第i组破岩方式的钻头牙齿允许磨损程度，无量纲；c_i3为第i组破岩方式牙轮钻头的轴承允许磨损量，mm；c_i4为第i组破岩方式牙轮钻头的轴承实际磨损量，mm；

所述钻头评价矩阵A_k(k+1)为式(3)；

式中：A_k(k+1)表示地层可钻性级别为k～k+1层段的i组破岩方式钻头评价矩阵；a_i1为第i组破岩方式组合钻头的钻头直径，mm；a_i2为第i组破岩方式组合钻头的钻头切削齿数，个；a_i3为第i组破岩方式组合钻头的后倾角，度；a_i4为第i组破岩方式组合钻头的牙轮数，个；a_i5为第i组破岩方式组合钻头的刀翼数，个；a_i6为第i组破岩方式组合钻头的单位进尺成本，元/米；

步骤二：分层计算钻头机械比能；

从步骤一检索出机械比能计算矩阵B_k(k+1)，获取在地层可钻性级别为k～k+1的i组破岩方式的钻头直径b_i1、钻头钻压b_i2、钻头转速b_i3，扭矩b_i4，机械钻速b_i5代入公式(4)计算第i组破岩方式钻头机械比能M_i；

式中：M_i为第i组破岩方式钻头机械比能，MPa；λ为修正系数，无量纲；

步骤三：分层计算破岩方式可靠度；

从步骤一检索出可靠度计算矩阵C_k(k+1)，获取在地层可钻性级别为k～k+1的i组破岩方式的钻头牙齿实际磨损程度c_i1，钻头牙齿允许磨损程度c_i2，轴承实际磨损量c_i3，轴承允许磨损量c_i4代入公式计算破岩方式可靠度R_i；当破岩方式组合PDC钻头时，破岩方式可靠度R_i由公式(5)计算；当破岩方式组合牙轮钻头时，破岩方式可靠度R_i由公式(6)计算；

式中：R_i为第i组破岩方式可靠度，无量纲；σ_s为钻头牙齿实际磨损程度c_i1的标准差，无量纲；σ_y为钻头牙齿允许磨损程度c_i2的标准差，无量纲；τ_s为轴承磨损量c_i3的标准差，无量纲；τ_y为轴承允许磨损量c_i4的标准差，无量纲；Φ(·)为标准正态分布函数；

步骤四：建立破岩方式的指标体系；

将步骤二所述钻头机械比能M_i，步骤三所述破岩方式可靠度R_i，步骤一所述机械钻速b_i5和单位进尺成本a_i6作为破岩方式优选的四项指标；将地层可钻性级别为k～k+1层段的破岩方式数据构建指标矩阵Q_k(k+1)；

式中：Q_k(k+1)表示地层可钻性级别为k～k+1层段的指标矩阵；M_i为第i组破岩方式的机械比能指标值，MPa；R_i为第i组破岩方式的可靠度指标值，无量纲；b_i5为第i组破岩方式的机械钻速指标值，m/h；a_i6为第i组破岩方式的单位进尺成本指标值，元/米；

将指标矩阵Q_k(k+1)通过公式(9)(10)(11)(12)转化为无量纲化标准指标矩阵Q′_k(k+1)；

其中：

式中：Q′_k(k+1)为无量纲化标准指标矩阵；Q_jmin为矩阵Q_k(k+1)中第j列的最小值(j＝1,2,3,4)；Q_jmax为矩阵Q_k(k+1)中第j列的最大值(j＝1,2,3,4)；d_i1为第i组破岩方式机械比能无量纲化标准指标值，无量纲；d_i2为第i组破岩方式可靠度无量纲化标准指标值，无量纲；d_i3为第i组破岩方式机械钻速无量纲化标准指标值，无量纲；d_i4为第i组破岩方式单位进尺成本无量纲化标准指标值，无量纲；

步骤五：建立指标的权重分配体系；

将步骤四所述无量纲化标准指标矩阵Q′_k(k+1)中的元素d_ij代入公式(13)，得到第i组破岩方式第j个指标的比重r_ij；

式中：r_ij为第i组破岩方式第j个指标的比重，无量纲；

将第i组破岩方式第j个指标的比重r_ij代入公式(14)得到第j个指标的熵值e_j；

式中：e_j为第j个指标的熵值，无量纲；

将第j个指标的熵值熵值e_j代入公式(15)得到第j个指标的权重ζ_j；

式中：ζ_j为第j个指标的权重；

步骤六：同区块破岩方式分层最优选型；

将步骤四所述无量纲化标准指标矩阵Q′_k(k+1)中的元素d_ij和第j个指标的权重ζ_j代入公式(16)得到该层第i组破岩方式的综合评价得分z_i；

式中：z_i为第i组数据的综合评价得分，无量纲；

所述第i组破岩方式的综合评价得分z_i最高时，可确定该组对应的破岩方式为对应层段的最优选型，对应的钻压、转速和扭矩值作为配套参数；

步骤七：待钻井目标层段地层匹配与最优选型；

将步骤六所述地层可钻性级别k～k+1的同区块最优选型作为类比对象，结合步骤一所述钻头评价矩阵A_k(k+1)，确定钻头决策因子和决策因子值；所述最优选型组合牙轮钻头时的决策因子为钻头直径a_i1、切削齿数a_i2、后倾角a_i3、牙轮数a_i4；所述最优选型组合PDC钻头的决策因子为钻头直径a_i1，切削齿数a_i2、后倾角a_i3、刀翼数；将所述决策因子构造成决策矩阵F；

其中：

x_i1＝a_i1 (18)

x_i2＝a_i2 (19)

x_i3＝a_i3 (20)

式中：F为决策矩阵；x_ij为第i个待决策对象的决策因子值；决策矩阵F前m行表示待决策对象决策因子值；决策矩阵F第m+1行表示同区块最优选型作为类比对象的决策因子值；x_i1为钻头直径决策因子值，mm；x_i2为切削齿数决策因子值，个；x_i3为后倾角决策因子值，度；当组合牙轮钻头时，x_i4为牙轮数决策因子值，个；当组合PDC钻头时，x_i4为刀翼数决策因子值，个；

将第i个待决策对象的决策因子值x_ij代入公式(22)进行归一化处理，得到归一化决策因子值y_ij；

将归一化决策因子值y_ij代入公式(23)得到欧氏距离g_i(m+1)；

式中：g_i(m+1)为欧氏距离，表示第i个待决策对象与步骤六所述最优选型的欧氏距离，无量纲；

将欧式距离g_i(m+1)代入公式得到模糊相似优先比h_ij，构建模糊相似优先比矩阵H；

其中：

式中：H为模糊相似优先比矩阵；h_ij为模糊相似优先比，无量纲；

确定阈值ε∈[0,1]，将ε-截矩阵记为其中当ε由1逐渐下降时，若首次出现L_ε的第i行全为1，则第i个待决策对象是最优选型，并将步骤六所述对应钻压、转速和扭矩作为此步骤最优选型的配套参数。