韓博　李士斌　張立剛

摘 要： 虛擬強(qiáng)度指數(shù)鉆頭選型方法作為一種新的鉆頭評價、選型方法優(yōu)勢突出，針對復(fù)合鉆井的實際情況將虛擬強(qiáng)度指數(shù)模型中鉆頭扭矩對地層做功分解為井下動力系統(tǒng)做功和地面動力系統(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)場使用。采用該方法對王府地區(qū)下部沙河子組鉆頭使用情況進(jìn)行評價，形成鉆頭優(yōu)選方案，現(xiàn)場應(yīng)用，試驗井機(jī)械鉆速提高59%，效果明顯。

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

中圖分類號：TE 357 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1671-0460（2015）09-2155-03

Abstract： 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%.

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

前言在鉆井過程中，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，延長鉆頭工作時間，提高進(jìn)尺，降低鉆井成本，提高經(jīng)濟(jì)效益。近年來隨著深井、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，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，這說明鉆頭破巖效率偏低，鉆頭與地層適應(yīng)性差，需要對原有的鉆頭選型方案進(jìn)行優(yōu)化。針對從消耗能量的角度評價鉆頭使用情況的問題，近年來在國外以優(yōu)化鉆井參數(shù)為目的的虛擬強(qiáng)度指數(shù)法（Virtual Strength Index 簡稱VSI）基礎(chǔ)上，國內(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間內(nèi)對地層做功之和與單位時間內(nèi)破碎巖石體積做比來定義為虛擬強(qiáng)度指數(shù)，該虛擬強(qiáng)度指數(shù)的模型為：

這里面有一個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僅與自身強(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。在實際鉆井中可以利用破碎單位體積巖石所做的功對鉆頭使用情況進(jìn)行評價，即對一個井段的單位破巖功進(jìn)行相對比較，其中單位破巖功相對較小的，鉆頭破巖效率相對較高，反之，那些鉆頭破巖功相對較大的，鉆頭破巖效率相對較低。

該方法的優(yōu)點(diǎn)是物理意義清晰，對關(guān)系式的推導(dǎo)邏輯嚴(yán)密，對鉆井參數(shù)整合程度高，消除了人為因素對鉆頭選型的影響，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力鉆具的出現(xiàn)，越來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)合鉆井過程中驅(qū)動鉆頭在井下旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)進(jìn)的能量由地面動力系統(tǒng)即轉(zhuǎn)盤或頂驅(qū)和井下動力系統(tǒng)即螺桿鉆具兩部分組成，其中井下動力系統(tǒng)起主要作用。

螺桿動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關(guān)[7]。

假定螺桿的理論扭矩為TL，在不計能量損失時，根據(jù)容積式馬達(dá)工作過程中的能量守恒，在單位時間內(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，

因為螺桿鉆具的有效水力能量全部用于驅(qū)動鉆頭在井下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，所有鉆頭扭矩在單位時間內(nèi)對地層做的功WRPM可以表示為：

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

在實際鉆井中，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，但井下鉆頭的真實扭矩往往不易獲取。式（6）將井下由螺桿驅(qū)動鉆頭的扭矩做功轉(zhuǎn)化為螺桿水功率，通過螺桿壓降進(jìn)行求解，這樣在就解決了實際鉆井過程中不易獲取井下鉆頭真實扭矩的問題，方便技術(shù)人員在現(xiàn)場進(jìn)行操做。

3 應(yīng)用實例

王府氣田是2013年吉林油田天然氣評價開發(fā)的重點(diǎn)區(qū)塊，共部署20口井，計劃建產(chǎn)能1.65億m3。該氣田下部登婁庫組至火石嶺組地層鉆井速度慢、周期長，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，根據(jù)鉆頭使用數(shù)據(jù)對沙河子組深度和進(jìn)尺分別與鉆速進(jìn)行對比分析形成圖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。

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。

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66 h，機(jī)械鉆速達(dá)到了2.55 m/h。具體數(shù)據(jù)見表4。

4 結(jié)束語

本文考慮復(fù)合鉆井的實際情況對虛擬強(qiáng)度模型進(jìn)行修改，在評價復(fù)合鉆井過程中的能量消耗時更加方便，所需數(shù)據(jù)更容易獲取。采用該方法對王府氣田沙河子組鉆頭使用情況進(jìn)行評價并提供鉆頭優(yōu)選方案，為加快本地區(qū)氣藏開發(fā)提供了有效幫助。

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