陳志學(xué)，黎紅勝，于文華，畢文欣，程榮超

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100195；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

虛擬強(qiáng)度指數(shù)優(yōu)化鉆井技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

陳志學(xué)1，2，黎紅勝2，3，于文華3，畢文欣2，程榮超2

（1.西南石油大學(xué)石油工程學(xué)院，四川 成都 610500；2.中國石油集團(tuán)鉆井工程技術(shù)研究院，北京 100195；3.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

隨著勘探開發(fā)的不斷深入，新的鉆井技術(shù)難題不斷出現(xiàn)，對(duì)鉆井速度的要求也越來越高。鉆探過程中影響鉆井速度的因素很多，尤其是鉆井參數(shù)的影響最明顯，因此合理選用鉆井參數(shù)非常重要。通過調(diào)研不同的鉆井參數(shù)優(yōu)化模型，優(yōu)選出了較為完善的虛擬強(qiáng)度指數(shù)（VSI）法。利用相關(guān)軟件，實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆壓等鉆井參數(shù)，計(jì)算出VSI曲線，然后根據(jù)其變化情況及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，確保鉆頭一直處于最佳破巖狀態(tài)。現(xiàn)場5口井的試驗(yàn)應(yīng)用表明，該方法能準(zhǔn)確判斷鉆頭在井底的工作狀況，延長鉆頭使用壽命，實(shí)現(xiàn)提高鉆井速度、縮短鉆井周期的目標(biāo)。

比能；虛擬強(qiáng)度指數(shù)；鉆井參數(shù)；優(yōu)化；應(yīng)用效果

1 概述

影響鉆井速度的因素很多，其中鉆井參數(shù)至關(guān)重要［1］。如何科學(xué)評(píng)價(jià)鉆井參數(shù)，最近國外提出了虛擬強(qiáng)度指數(shù)（Virtual strength index，簡稱VSI）法，現(xiàn)場應(yīng)用效果十分顯著［2］。VSI法對(duì)鉆井參數(shù)的優(yōu)化是采用相關(guān)軟件，與鉆井參數(shù)儀或綜合錄井儀對(duì)接來完成實(shí)時(shí)鉆井參數(shù)的采集，如轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、扭矩、鉆壓、鉆速等，經(jīng)過計(jì)算得出VSI曲線，鉆井操作人員根據(jù)其變化情況及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)，確保鉆頭一直處于最佳破巖狀態(tài)，同時(shí)，該方法還能隨時(shí)分析判斷鉆頭的工作狀況，有助于延長鉆頭使用壽命，從而實(shí)現(xiàn)提高鉆井速度、縮短鉆井周期的目標(biāo)［3］。

2 VSI鉆井技術(shù)發(fā)展歷程

VSI優(yōu)化鉆井技術(shù)經(jīng)歷了很長的發(fā)展階段，該技術(shù)核心模型在1964年已初步提出，大致經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展階段：1964—1992年，VSI優(yōu)化鉆井理念的提出與驗(yàn)證階段；1992—2002年，VSI優(yōu)化鉆井技術(shù)的定性分析階段；2002—2005年，VSI優(yōu)化鉆井技術(shù)的實(shí)時(shí)定量監(jiān)控階段；2005年至今，VSI優(yōu)化鉆井技術(shù)的完善與遠(yuǎn)程監(jiān)控階段。

截至目前，VSI鉆井技術(shù)在不同的階段主要提出了5個(gè)核心模型：Teale比能模型、Pessier模型、HMSE模型、DSE模型、VSI模型［4］。

2.1 Teale比能模型

比能是用于描述鉆井效率和協(xié)助跟蹤開挖單位體積巖石所需能量的重要參數(shù)，可用于優(yōu)化鉆井參數(shù)和鉆頭。Teale定義鉆頭比能（SE）為輸入能量與輸出機(jī)械鉆速的比值?；诖硕x，考慮鉆頭扭矩和軸向力，得到鉆頭單位破巖功的計(jì)算公式：

式中：WS為單位破巖功，Pa；W為鉆壓，N；vROP為機(jī)械鉆速，m/h；n為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速，r/min；T為扭矩，N·m；Ab為鉆頭面積，mm2。

2.2 Pessier模型

由于鉆井過程中存在摩阻，因此引入了滑動(dòng)摩擦系數(shù)，將鉆頭受到的扭矩表示為鉆壓的函數(shù)。然后在獲取可靠扭矩值之后，利用滑動(dòng)摩擦系數(shù)來計(jì)算輸入比能值?；瑒?dòng)摩擦系數(shù)μ為

式中：db為鉆頭直徑，mm。

另外，Teale還提出了最小比能和最大機(jī)械效率的概念，當(dāng)比能接近或等于所鉆巖石的抗壓強(qiáng)度時(shí)，即達(dá)到了最小比能。

在一定的機(jī)械鉆速和抗壓強(qiáng)度下，特殊鉆頭類型的扭矩可表示為

式中：CCS為三軸巖石抗壓強(qiáng)度，Pa；EFFM為能量效率系數(shù)，無量綱。

根據(jù)機(jī)械效率、扭矩與鉆壓的關(guān)系式，機(jī)械鉆速可由式（4）計(jì)算：

針對(duì)不同種類的鉆頭，可分別將滑動(dòng)摩擦系數(shù)、能量效率、鉆壓和轉(zhuǎn)速定義為巖石表觀強(qiáng)度的函數(shù)。利用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)這些關(guān)系式進(jìn)行確認(rèn)和量化，且對(duì)巖石強(qiáng)度進(jìn)行精確測量。

2.3 HMSE模型

該模型充分考慮了鉆井液的影響。開挖單位體積巖石所需能量，主要來自作用在鉆頭上的扭矩、鉆壓和鉆井液作用在地層上的剪切力。鉆頭部位的水動(dòng)力利用射流沖擊力將地層巖屑運(yùn)移走，流體射流對(duì)地層的沖擊力給鉆頭一個(gè)大小相同的反作用力，即泵出力，泵出力與沖擊力相等［5］。這個(gè)力滿足牛頓第三定律，結(jié)果會(huì)降低有效鉆壓。

在實(shí)際鉆井過程中，流體的加速攜帶作用致使只有少部分能量到達(dá)井底，一般僅25%～40%作用于地層。能量降低虛擬系數(shù)，是鉆頭附近噴嘴射流速度與環(huán)空返速的比值及噴嘴離地層距離的函數(shù)。通過噴嘴的體積流量與環(huán)空流量相等，速度值容易求得。一般情況下，環(huán)空內(nèi)流體的有效流動(dòng)面積是總鉆頭面積的15%左右。

在考慮鉆壓、扭矩和水力對(duì)地層同時(shí)做功的基礎(chǔ)上，將HMSE定義為（WA+WB+WC）與鉆頭破巖體積的比值，其中：WA為鉆壓對(duì)地層做的功；WB為鉆頭扭矩對(duì)地層做的功；WC為流體射流作用對(duì)地層做的功。

HMSE的計(jì)算公式為

式中：HMSE為水力-機(jī)械比能，MPa；We為有效鉆壓，N；η為能量降低虛擬系數(shù)；△pb為鉆頭壓降，MPa；Q為排量，L/s；Fj為沖擊力，N。

2.4 DSE模型

在MSE（機(jī)械比能）基礎(chǔ)上引入了鉆頭水動(dòng)力項(xiàng)：

式中：DSE為鉆井比能，Pa；λ為取決于鉆頭直徑的無量綱鉆頭水動(dòng)力系數(shù)；Pb為水功率，W；Ab為鉆頭面積，mm2。

式（6）右邊第3項(xiàng)是與鉆頭水動(dòng)力有關(guān)的一項(xiàng)，1.98× 105為轉(zhuǎn)換系數(shù)，Pb/Ab為鉆頭HIS值。

2.5 VSI模型

實(shí)際鉆井過程中，在一定井段內(nèi)鉆頭單位破巖功主要隨鉆井參數(shù)的改變而變化。在沒有根據(jù)巖石強(qiáng)度作出基線的情況下，這些有高有低的單位破巖功的低值點(diǎn)連線，就可以作為破巖效率基線或理想單位破巖功基線，為鉆井參數(shù)的優(yōu)化提供參考依據(jù)。

虛擬強(qiáng)度指數(shù)計(jì)算公式為

式中：VSI為虛擬強(qiáng)度指數(shù)，Pa。

3 VSI現(xiàn)場應(yīng)用效果

從VSI優(yōu)化鉆井發(fā)展歷程可以看出，VSI模型優(yōu)化鉆井參數(shù)更加完善和準(zhǔn)確。該技術(shù)在四川龍崗地區(qū)進(jìn)行了5口井的試驗(yàn)應(yīng)用，取得了較好效果（見圖1）。

從龍101井VSI曲線來看，在2 500 m以上井段，采用空氣錘鉆進(jìn)，VSI值很小，表明鉆頭破巖效率高，機(jī)械鉆速高。

從井深2 500 m開始，VSI值逐步增加，同時(shí)鉆井速度變慢，表明鉆頭破巖效率降低：一方面是由于地層巖石硬度增加，研磨性增強(qiáng)，可鉆性變差，通過改變鉆壓也未見到明顯效果；另一方面是由于井下發(fā)生垮塌、井漏及卡鉆等事故復(fù)雜，影響了鉆頭破巖效率，導(dǎo)致該段鉆井速度較慢。

從上述分析可以看出，利用VSI曲線可以有效判斷井下鉆頭工作狀態(tài)，有助于及時(shí)調(diào)整鉆井參數(shù)和確定鉆頭的合理使用時(shí)間，充分發(fā)揮鉆頭的使用效果，也為井下鉆井基本情況的決策分析提供了科學(xué)參考。

圖1 龍101井全井VSI曲線

4 結(jié)束語

VSI模型提供了一種實(shí)時(shí)優(yōu)化鉆壓和轉(zhuǎn)速的方法。該方法通過實(shí)時(shí)計(jì)算和監(jiān)測鉆頭單位破巖功，判斷鉆頭是否處于最佳的切削狀態(tài)。在保證鉆頭處于最佳切削狀態(tài)條件下，通過實(shí)施最高的鉆壓和轉(zhuǎn)速，獲得最高鉆井速度和最大鉆頭進(jìn)尺。這種鉆井的全參數(shù)優(yōu)化在施工現(xiàn)場實(shí)時(shí)實(shí)地完成，不需要增加其他設(shè)備，簡便易行，結(jié)果可靠，為提高鉆井速度、縮短鉆井周期提供了一套新的技術(shù)途徑。

［1］楊志彬，胡永章，鐘敬敏，等.工程地質(zhì)因素對(duì)鉆井提速的影響［J］.斷塊油氣田，2010，17（3）：363-365. Yang Zhibin，Hu Yongzhang，Zhong Jingmin，et al.Influence of engineering geological factors on drilling speedup［J］.Fault-Block Oil &Gas Field，2010，17（3）：363-365.

［2］Dupriest Fred E，Koederitz William L.Maximizing drill rates with realtime surveliance of mechanical specific energy［A］.SPE 92194，2005.

［3］KshitijMohan，F(xiàn)araazAdil，RobelloSamuel.Trackingdrillingefficiency using hydro-mechanical specific energy［A］.SPE 119421，2009.

［4］Miguel Armenta.Identifying inefficient drilling conditions using drilling-specific energy［A］.SPE 116667，2008.

［5］景寧，樊洪海，翟應(yīng)虎，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態(tài)監(jiān)測方法［J］.斷塊油氣田，2011，18（4）：538-541. Jing Ning，F(xiàn)an Honghai，Zhai Yinghu，et al.Monitoring method of drilling bit working status with mechanical specific energy theory［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2011，18（4）：538-540.

（編輯 趙衛(wèi)紅）

Development and application of VSI optimal drilling technology

Chen Zhixue1，2,Li Hongsheng2，3,Yu Wenhua3,Bi Wenxin2,Cheng Rongchao2
(1.College of Petroleum Engineering,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China;2.CNPC Drilling Research Institute, Beijing 100195,China;3.Research Institute of Petroleum Exploration and Development,PetroChina,Beijing 100083,China)

With the increasing of exploration and production,new problems of drilling technology appear continuously,which puts forward the increasing demands for drilling speed.During the drilling operation,there are many factors affecting drilling speed, especially the drilling parameters.Therefore,it is quite important to optimize the drilling parameters.In this paper,the perfect virtual strength index methods are selected through the study of different optimization models of drilling parameter.Through the use of relative software and the real-time collection of drilling parameter,such as rotary speed,torque and WOB,VSI curve is calcutated. The drilling parameters can be adjusted according to the change of curve in order to ensure that the bit is always in optimal rock breaking state.Working condition of bit at bottom hole can be judged exactly though the field test in five wells,which extends the bit life and realizes the aim of improving drilling speed and shortening drilling period.

massic energy;vitual strength index,drilling parameter;optimization;application effect

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目“深井復(fù)雜地層安全高效鉆井基礎(chǔ)研究”子課題“深井復(fù)雜地層井下信息隨鉆識(shí)別與融合”（2010CB226702）

TE21

：A

1005-8907（2012）02-0237-03

2011-07-29；改回日期：2012-01-16。

陳志學(xué)，1972年生，高級(jí)工程師，2009級(jí)油氣井工程專業(yè)在讀博士，主要從事鉆井工藝技術(shù)研究工作。電話：（010）52781802，E-mail：chenzhixuedri@cnpc.com.cn。

陳志學(xué)，黎紅勝，于文華，等.虛擬強(qiáng)度指數(shù)優(yōu)化鉆井技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.斷塊油氣田，2012，19（2）：237-239. Chen Zhixue，Li Hongsheng，Yu Wenhua，et al.Development and application of VSI optimal drilling technology［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2012，19（2）：237-239.