基于虛擬強度指數的鉆頭選型方法研究

陳志學 孫 寧 史東輝 王世永 余金海 楊華斌

（1.中國石油大學，北京 102249；2.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100195；3.玉門油田公司，甘肅酒泉 735019；4.川慶鉆探工程有限公司，四川成都 610051）

基于虛擬強度指數的鉆頭選型方法研究

陳志學1，2孫 寧2史東輝3王世永3余金海2楊華斌4

（1.中國石油大學，北京 102249；2.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100195；3.玉門油田公司，甘肅酒泉 735019；4.川慶鉆探工程有限公司，四川成都 610051）

優選鉆頭類型是提高鉆井速度、降低鉆井成本最直接、有效的方法之一。通過綜合考慮鉆壓、轉速、扭矩、水力參數等因素對鉆頭破巖效率的影響，根據能量守恒定理，建立了地層虛擬強度指數（VSI）模型，利用模型來計算不同鉆頭的虛擬強度指數，同時，在考慮鉆頭進尺和成本的基礎上，提出了利用效益指數來定量評價鉆頭使用效果，消除了以往鉆頭選型過程中人為因素的影響，為鉆頭類型優選提供了科學依據。該方法在玉門油田酒東地區進行了應用，根據效益指數的大小，優選出了適合?311 mm和?216 mm井眼的不同鉆頭類型，現場應用機械鉆速分別提高1.94倍和2.77倍，效果較好，為進一步提高酒東地區鉆井速度、加快勘探開發進程奠定了基礎。

虛擬強度指數；鉆頭；選型；研究；應用

鉆井就是鉆頭破碎巖石的過程，隨著鉆井深度的加大，鉆井施工難度越來越大。速度慢、周期長的問題嚴重制約了勘探開發的進程。正確選擇鉆頭類型是提高鉆井速度的關鍵環節。目前，常規鉆頭類型優選方法是根據鄰井使用情況，按照一定的統計方法對比分析鉆頭的實際應用效果，只能簡單地利用機械鉆速和鉆頭進尺2個指標評價鉆頭性能，無法確定某種鉆頭型號在給定地層的實際應用效果［1-3］。為定量評價鉆頭使用是否合理，提出了一種基于虛擬強度指數（Virtual Strength Index簡稱VSI）的鉆頭類型優選與評價方法，虛擬強度指數體現了鉆壓、轉速、扭矩、水力參數的綜合影響，消除了機械鉆速對鉆壓和扭矩變化的敏感性，可定量評價鉆頭的使用效果［4-5］。

1 虛擬強度指數鉆頭選型方法

1.1 VSI鉆頭選型原理

1964年，R. Teale首次提出了在鉆進巖石過程中機械比能的概念，即鉆頭破碎單位體積巖石所做的功，這一準則將開挖單位體積巖石所需能量與鉆頭的破巖效率關聯起來，比能可視為體現機械破巖效率的指數。比能消耗越多則說明機械鉆速越低、鉆頭與地層的適應性就越差，鉆頭類型需要進一步優化［6-9］。在研究分析前人成果的基礎上，提出了一種新的鉆頭類型優選與評價方法，即虛擬強度指數法。虛擬強度指數的大小取決于鉆壓、轉速、鉆頭類型、鉆頭磨損、巖屑清除效果及巖石類型和性質等。根據能量守恒定理，將輸入能量、鉆井效率和最小虛擬強度指數（等同于巖石強度）作為能量平衡系統的3個關鍵因素［10］。

綜上所述，虛擬強度指數表達式為

式中，WWOB為單位時間內鉆壓對地層做的功，J；WRPM為單位時間內鉆頭扭矩對地層做的功，J；WHJ為單位時間內流體射流作用對地層做的功，J。

有效射流沖擊力單位時間內做功就是作用于井底的有效射流水功率

式中，HP為鉆頭水功率，kW；ΔPb為鉆頭壓降，MPa；η為能量降低系數。

單位時間內鉆頭開挖巖石體積為

將式（2）、（3）、（4）、（5）代入式（1）得

式中，VSI為虛擬強度指數，kPa；WOBe為有效鉆壓，kN；Q為排量，L/s；AB為鉆頭截面積，mm2；ROP為機械鉆速，m/h；T為扭矩，kN·m。

從式（6）可以看出，如果鉆頭在均質巖層中鉆進，其VSI值應接近為常數，隨著鉆頭磨損程度的不斷增強，機械鉆速將會逐步下降，VSI就會緩慢上升。如果VSI急劇上升則可能是巖性發生驟變或鉆頭出現嚴重問題。總體來說，VSI值越低，則說明破巖效率越高。反之，則表明該鉆頭不適應于該巖性或鉆頭已到更換時間。因此，VSI完全可以從能量觀點優選鉆頭類型及判別鉆頭在井下的實際工作狀況。

1.2 VSI鉆頭選型方法與步驟

根據VSI鉆頭選型原理，基于VSI值的鉆頭類型優選方法可分為以下4步。

（1）計算鄰井隨井深變化的VSI值，根據其變化趨勢初步判斷鉆頭的適應性。

（2）對比同井段、不同鉆頭的VSI值，評價不同鉆頭性能，優選適用于該段地層的鉆頭類型。

（3）計算所有完成井在該地層使用的鉆頭平均VSI值，以平均VSI的倒數為橫坐標，鉆頭進尺為縱坐標作圖，并利用最優線和平均線進行劃分對比，優選適用于待鉆地層的最優鉆頭類型。

（4）引入鉆頭成本因素，將平均VSI值、鉆頭進尺和鉆頭成本融合為一個綜合指數，即效益指數，根據效益指數大小來評價選出鉆頭類型是否合理。

根據上述分析，定義以下鉆頭性能評價指標，即效益指數

式中，γ為鉆頭效益指數；L為單只鉆頭進尺，m；C為單只鉆頭成本，萬元；ai為各個參數的權重系數。

權重系數是表示某一指標項在指標項系統中的重要程度，表示在其他指標項不變的情況下，這一指標項的變化對計算結果的影響。式（7）中的權重系數由設計者視對3個參數的重視程度而確定［11-13］。可以令a＝a2/（a1a3），為鉆頭特定系數，通常可取a=1。

效益指數計算結果表明，效益指數越高，表明鉆頭使用效果越好，鉆頭綜合性能越好，反之則越差。因此，利用效益指數能更直觀和清晰地辨別不同鉆頭使用效果差異。

2 應用效果分析

基于VSI的鉆頭類型優選方法在玉門油田酒東地區進行了試驗應用。重點對第三系和白堊系地層的PDC鉆頭使用結果進行了量化評價分析（表1）。從分析結果來看，由于第三系屬中硬地層，巖石可鉆性相對較低，PDC鉆頭破巖效率高，60%鉆頭的效益指數在20以上，表明總體使用效果較好，大部分鉆頭類型能適應地層，只有少部分鉆頭類型使用效果較差，未能達到加快鉆井速度的預期目的。

隨著鉆井深度的逐步加深，白堊系地層巖石強度明顯增加，可鉆性變差，研磨性增強，所以，鉆頭破巖效率低，效益指數也明顯減小，多數都在2以內。從計算結果來看，鉆頭類型總體適應性較差，大部分鉆頭選型不合適。因此，根據不同鉆頭類型的使用效果評價結果，為下步持續開展鉆頭技術攻關和鉆頭類型優選提供了科學的參考依據。

表1 酒東第三系、白堊系地層鉆頭效益指數對比

根據效益指數計算結果進行了鉆頭類型優選，對優選出來的鉆頭在玉門油田酒東地區進行了試驗應用，應用效果見表2、表3。其中，第三系?311 mm鉆頭指標與攻關前相比，單只鉆頭進尺由723.79 m提高到1 546.49 m，提高了1.14倍，平均機械鉆速由3.14 m/h提高到9.22 m/h，提高了1.94倍，取得了顯著提速效果；白堊系?216 mm鉆頭技術指標與攻關前相比，平均單只鉆頭進尺由397.13 m提高到1 212.19 m，提高了2.05倍，平均機械鉆速由0.65 m/h提高到2.45 m/h，提高了2.77倍，鉆井速度的突破，使得酒東地區鉆井周期大幅度縮短，為加快該地區勘探開發步伐奠定了堅實的基礎。

表2 酒東地區第三系地層?311 mmPDC鉆頭使用統計

表3 酒東地區白堊系地層?216 mmPDC鉆頭使用統計

3 結論

利用能量守恒定理推導建立了虛擬強度指數的表達式，將虛擬強度指數表示為鉆壓、轉速、扭矩、水力參數、鉆頭類型等因素的函數，在此基礎上綜合考慮鉆頭成本，給出了鉆頭效益指數的計算公式。根據效益指數計算結果，不僅可以量化評價鉆頭破巖效率，同時，還為鉆頭類型優選提供了一條新的技術途徑。

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［13］張輝，高德利.鉆頭選型方法綜述［J］.石油鉆采工藝，2005，27（4）：l-5.

（修改稿收到日期 2013-03-05）

Research on drill bit selection method based on VSI

CHEN Zhixue1,2, SUN Ning2, SHI Donghui3, WANG Shiyong3, YU Jinhai2, YANG Huabin4

（1. China University of Petroleum,Beijing102249,China; 2. Research Institute of Drilling Engineering and Technology,CNPC,Beijing100195,China;3. Yumen Oilf i eld Company,Jiuquan735019,China; 4. CNPC Chuanqing Drilling Engineering Co.,Ltd.,Chengdu610051,China）

Optimizing drill bit type is one of the most direct and effective method to improve the drilling speed and reduce drilling cost. Through the comprehensive consideration of the inf l uence of weight on bit, rotary speed, torque and hydraulic parameters on rock fragmentation eff i ciency, and according to the theorem of energy conservation, a virtual intensity index （VSI） model is established.The model is used to calculate the VSI of different drill bits, and considering drilling footage and cost, effective index is used to quantitatively evaluating the bit use effect, and furthermore to eliminate the affecting of human factors in the process of bit type selection,which provides a scientif i c basis for bit type selection. The method is applied in Jiudong fi eld of Yumen Oilf i eld, and according to the value of the eff i ciency index, different drill bit types are optimized to fi t for wellbores with diameter of 311 mm and 216 mm. Field applications show that ROP is increased by 1.94 times and 2.77 times respectively, and a signif i cant speed-up effect is achieved, which sets up a foundation for further improving drilling speed and accelerating the process of exploration and development in Jiudong fi eld.

virtual intensity index; drill bit; type selection; research; application

陳志學，孫寧，史東輝，等.基于虛擬強度指數的鉆頭選型方法研究［J］. 石油鉆采工藝，2013，35（3）：9-11，15.

TE921

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0009 – 03

國家科技重大專項項目“大型油氣田及煤層氣開發”子課題“碳酸鹽巖、火成巖及酸性氣藏高效安全鉆完井技術”的部分研究內容（編號：2011ZX05021-002）。

陳志學，1972年生。現主要從事鉆井技術研究工作，在讀博士后，高級工程師。電話：010-52781802。E-mail：chenzhixuedri@cnpc.com.cn。

〔編輯

薛改珍〕