基于虛擬強(qiáng)度指數(shù)的復(fù)合鉆井鉆頭優(yōu)選

韓 博，李士斌，張立剛

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

基于虛擬強(qiáng)度指數(shù)的復(fù)合鉆井鉆頭優(yōu)選

韓 博，李士斌，張立剛

（東北石油大學(xué)， 黑龍江 大慶 163318）

虛擬強(qiáng)度指數(shù)鉆頭選型方法作為一種新的鉆頭評(píng)價(jià)、選型方法優(yōu)勢(shì)突出，針對(duì)復(fù)合鉆井的實(shí)際情況將虛擬強(qiáng)度指數(shù)模型中鉆頭扭矩對(duì)地層做功分解為井下動(dòng)力系統(tǒng)做功和地面動(dòng)力系統(tǒng)做功兩部分，引入螺桿水功率，將井下鉆頭扭矩做功轉(zhuǎn)換為螺桿水力能量進(jìn)行求解，方便現(xiàn)場(chǎng)使用。采用該方法對(duì)王府地區(qū)下部沙河子組鉆頭使用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，形成鉆頭優(yōu)選方案，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，試驗(yàn)井機(jī)械鉆速提高59%，效果明顯。

鉆頭選型；虛擬強(qiáng)度指數(shù)；復(fù)合鉆井；王府地區(qū)

前言在鉆井過(guò)程中,鉆頭類型的選擇是決定鉆頭使用效果的主要因素,好的鉆頭選型可以加快鉆井速度,延長(zhǎng)鉆頭工作時(shí)間,提高進(jìn)尺,降低鉆井成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。近年來(lái)隨著深井、超深井、大位移水平井的應(yīng)用普及，常規(guī)導(dǎo)向系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)的不斷推廣，鉆井的深度、難度不斷增大，因此適用性強(qiáng)、綜合效果好的鉆頭優(yōu)選方法在鉆井提速尤其是難鉆區(qū)塊的開發(fā)上顯得愈發(fā)重要。

1 虛擬強(qiáng)度指數(shù)鉆頭選型方法

R.Teale提出了鉆進(jìn)巖石過(guò)程中機(jī)械比能的概念[1]，這一概念將破碎單位體積巖石需要的能量與鉆頭的破巖效率聯(lián)系起來(lái)，即鉆頭在鉆壓和扭矩的共同作用下破碎井底地層單位體積巖石所做的功[2]。比能越大表示破碎單位體積的巖石消耗的功越多，這說(shuō)明鉆頭破巖效率偏低，鉆頭與地層適應(yīng)性差，需要對(duì)原有的鉆頭選型方案進(jìn)行優(yōu)化。針對(duì)從消耗能量的角度評(píng)價(jià)鉆頭使用情況的問(wèn)題，近年來(lái)在國(guó)外以優(yōu)化鉆井參數(shù)為目的的虛擬強(qiáng)度指數(shù)法（Virtual Strength Index 簡(jiǎn)稱VSI）基礎(chǔ)上，國(guó)內(nèi)研究人員提出了基于VSI值的鉆頭選型方法[3-5]該方法從能量守恒定律出發(fā)，將鉆頭的輸入能量、等同于巖石強(qiáng)度的最小虛擬強(qiáng)度指數(shù)和鉆井效率作為能量平衡系統(tǒng)的三個(gè)主要因素。即將作用于井底巖石的有效鉆壓、井下鉆頭處扭矩和流體射流作用在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)地層做功之和與單位時(shí)間內(nèi)破碎巖石體積做比來(lái)定義為虛擬強(qiáng)度指數(shù)，該虛擬強(qiáng)度指數(shù)的模型為：

式中∶WWOB—鉆壓在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)地層做的功，J；

WRPM—鉆頭扭矩在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)地層做的功，J；

WHJ—流體射流作用在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)地層做的功，J。

將鉆壓、轉(zhuǎn)速、機(jī)械鉆速、鉆頭扭矩、鉆頭壓降等分別帶入后得到

因此，式（2）可以表示為

式中∶VSI—虛擬強(qiáng)度指數(shù)，kPa；

WOBe—有效鉆壓，kN；

Q—排量，L/s；

AB—鉆頭截面積，mm2；

dB—鉆頭直徑，mm；

RPM—鉆頭鉆速，r/m；

ROP—機(jī)械鉆速，m/h；

T—鉆頭扭矩，KN·m，

△Pb—鉆頭壓降，MPa；

η—能量降低系數(shù)。

這里面有一個(gè)巖石單位體積破碎消耗的能量和破碎單位體積巖石所做的功的關(guān)系[6]其中巖石單位體積破碎消耗的能量?jī)H與自身強(qiáng)度有關(guān)是巖石本身的性質(zhì)，在理論上二者應(yīng)該是相等的，但是破碎單位體積巖石所做的功因?qū)嶃@中總是有一部分能量損失了，所以破碎單位體積巖石所做的功總是要大于巖石單位體積破碎消耗的能量。在實(shí)際鉆井中可以利用破碎單位體積巖石所做的功對(duì)鉆頭使用情況進(jìn)行評(píng)價(jià)，即對(duì)一個(gè)井段的單位破巖功進(jìn)行相對(duì)比較，其中單位破巖功相對(duì)較小的，鉆頭破巖效率相對(duì)較高，反之，那些鉆頭破巖功相對(duì)較大的，鉆頭破巖效率相對(duì)較低。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是物理意義清晰，對(duì)關(guān)系式的推導(dǎo)邏輯嚴(yán)密，對(duì)鉆井參數(shù)整合程度高，消除了人為因素對(duì)鉆頭選型的影響，因而具有普遍適用性。

2 復(fù)合鉆井的虛擬強(qiáng)度指數(shù)模型

隨著螺桿鉆具等井下動(dòng)力鉆具的出現(xiàn)，越來(lái)越多的鉆井施工采用了復(fù)合鉆井的方式，即將鉆井液循環(huán)時(shí)的水力能量轉(zhuǎn)換為鉆頭的機(jī)械能從而破巖鉆進(jìn)。區(qū)別于常規(guī)鉆井，復(fù)合鉆井過(guò)程中驅(qū)動(dòng)鉆頭在井下旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進(jìn)的能量由地面動(dòng)力系統(tǒng)即轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)和井下動(dòng)力系統(tǒng)即螺桿鉆具兩部分組成，其中井下動(dòng)力系統(tǒng)起主要作用。

螺桿動(dòng)力鉆具的主要性能參數(shù)是扭矩和轉(zhuǎn)速，螺桿的理論轉(zhuǎn)速只與流經(jīng)鉆具的流量和鉆具每轉(zhuǎn)排量有關(guān)而與工況鉆壓扭矩等無(wú)關(guān)[7]。

式中∶RL—螺桿鉆具的理論自傳鉆速，r/min；

Q—流量，L/s；

q—螺桿鉆具每轉(zhuǎn)排量，是結(jié)構(gòu)參數(shù)，只與釘子和轉(zhuǎn)子的幾何尺寸和線性有關(guān)，L/r；

KN—?jiǎng)恿︺@具的鉆速流量比，r/L。

假定螺桿的理論扭矩為 TL，在不計(jì)能量損失時(shí)，根據(jù)容積式馬達(dá)工作過(guò)程中的能量守恒，在單位時(shí)間內(nèi)鉆頭輸出的機(jī)械能量 TLWL應(yīng)該等于螺桿鉆具輸入的水力能量，

考慮到能量損耗將上式修改為

式中∶ωT—鉆頭理論角速度，r/min；

ωT1—鉆頭工作角速度，r/min；

TL1—螺桿工作扭矩，kN·m；

ΔPP—鉆具進(jìn)出口的壓力降，MPa；

η1—能量降低系數(shù)。

因?yàn)槁輻U鉆具的有效水力能量全部用于驅(qū)動(dòng)鉆頭在井下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，所有鉆頭扭矩在單位時(shí)間內(nèi)對(duì)地層做的功WRPM可以表示為：

式中∶WRPM1—地面動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆頭對(duì)地層做的功，J；

WRPM2—井下動(dòng)力系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)鉆頭對(duì)地層做的功，J。

因此復(fù)合鉆井時(shí)，虛擬強(qiáng)度指數(shù)模型可表示為：

將（2）（8）帶入式（9）得

綜合考慮鉆頭進(jìn)尺和鉆頭成本形成一個(gè)新的評(píng)價(jià)指標(biāo)即效益指數(shù)，根據(jù)效益指數(shù)來(lái)判斷鉆頭選型是否合理[4,8]。

式中∶ γ—鉆頭效益指數(shù)；

L—單只鉆頭進(jìn)尺，m；

C—單只鉆頭成本，萬(wàn)元；

ai—各個(gè)參數(shù)的權(quán)重系數(shù)。

可以令 a＝ a2/（a1a3），為鉆頭特定系數(shù)，通?？扇?a=1。

在實(shí)際鉆井中，鉆壓、轉(zhuǎn)速、排量、機(jī)械鉆速、轉(zhuǎn)盤處的扭矩等參數(shù)都可以從地表記錄處獲取，但井下鉆頭的真實(shí)扭矩往往不易獲取。式（6）將井下由螺桿驅(qū)動(dòng)鉆頭的扭矩做功轉(zhuǎn)化為螺桿水功率，通過(guò)螺桿壓降進(jìn)行求解，這樣在就解決了實(shí)際鉆井過(guò)程中不易獲取井下鉆頭真實(shí)扭矩的問(wèn)題,方便技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行操做。

3 應(yīng)用實(shí)例

王府氣田是2013年吉林油田天然氣評(píng)價(jià)開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)塊，共部署20口井，計(jì)劃建產(chǎn)能1.65億m3。該氣田下部登婁庫(kù)組至火石嶺組地層鉆井速度慢、周期長(zhǎng)，下部四分之一井段鉆井周期占三分之二。2012年雖然在城深602井開展渦輪配合孕鑲金剛石鉆頭鉆井提速技術(shù)試驗(yàn)取得了初步成功，但其經(jīng)濟(jì)性差，難以全面推廣應(yīng)用。為提高鉆井速度、加快該區(qū)氣藏開發(fā)步伐，需要進(jìn)一步開展以高效鉆頭優(yōu)選為突破口的鉆井提速技術(shù)研究。表1是王府地區(qū)下部沙河子組的鉆頭使用數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)鉆頭使用數(shù)據(jù)對(duì)沙河子組深度和進(jìn)尺分別與鉆速進(jìn)行對(duì)比分析形成圖1、圖2，運(yùn)用虛擬強(qiáng)度指數(shù)鉆頭選型方法進(jìn)行鉆頭選型，提供本層位的鉆頭優(yōu)選方案。對(duì)鉆頭使用數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，獲得城府地區(qū)沙河子組平均機(jī)械鉆速為1.42 m/h,平均單只鉆頭進(jìn)尺為70.62 m,單只鉆頭平均使用壽命49 h。采用復(fù)合鉆進(jìn)VSI指數(shù)模型求取VSI值，進(jìn)而求取效益指數(shù)如表2所示。

表1 沙河子組鉆頭使用數(shù)據(jù)庫(kù)Table 1 The drill bit usage database of Shahezi group

圖1 沙河子組深度與鉆速分析Fig.1 Analysis on the deepth and drilling speed of Shahezi group

圖2 沙河子組進(jìn)尺與鉆速分析Fig2 Analysis on the footage and drilling speed of Shahezi group

表2 沙河子組鉆頭效益指數(shù)對(duì)比Table 2 The bit benefit index contrast of Shahezi group

根據(jù)效益指數(shù)得到王府地區(qū)火石嶺組鉆頭優(yōu)選方案，如表3所示。

表3 沙河子組推薦使用鉆頭Table 3 The recommended drill bit in Shahezi group

根據(jù)選型結(jié)果采用優(yōu)選的PDC鉆頭，該鉆頭2013年10月28日6：00下井，于2013年11月2日3時(shí)起鉆，鉆進(jìn)沙河子組，2 362～2 530m，單只鉆頭進(jìn)尺168 m，純鉆時(shí)66 h，機(jī)械鉆速達(dá)到了2.55 m/h。具體數(shù)據(jù)見表4。

Selection of the Drill Bit for Compound Drilling Based on the Virtual Strength Index

HAN Bo，LI Shi-bin，ZHANG Li-gang
（Northeast Petroleum University, Heilongjiang Daqing 163318，China）

The bit type selection method based on virtual strength index (VSI) has the outstanding advantages in the evaluation and selection of drill bit. Based on the actual situation of compound drilling, the work done by the bit torque to the formation in the VSI model was resolved into two parts, underground power system work and ground power system work. Besides the screw water power was introduced, and the work of underground drilling torque was transformed to the screw hydraulic energy, and it was solved, which could be convenient for field use. This method was used to evaluate the drill bit usage in the lower Shahezi group of Wangfu area, the preferred program for drill bit was gotten. In the field application, the ROP of the test well increased by 59%.

bit type selection; virtual strength index (VSI); compound drilling; Wangfu area

TE 357

A

1671-0460（2015）09-2155-03

國(guó)家科技重大專項(xiàng)（20112X05021-002）資助。

2015-03-12

韓博（1984-），男，黑龍江大慶人，碩士，2008年畢業(yè)于東北石油大學(xué)石油工程專業(yè)，主要從事油氣井工程力學(xué)方面的研究工作。E-mail：hanbo841107@163.com。