韩 博，李士斌，张立刚

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）

基于虚拟强度指数的复合钻井钻头优选

韩 博，李士斌，张立刚

（东北石油大学， 黑龙江 大庆 163318）

虚拟强度指数钻头选型方法作为一种新的钻头评价、选型方法优势突出，针对复合钻井的实际情况将虚拟强度指数模型中钻头扭矩对地层做功分解为井下动力系统做功和地面动力系统做功两部分，引入螺杆水功率，将井下钻头扭矩做功转换为螺杆水力能量进行求解，方便现场使用。采用该方法对王府地区下部沙河子组钻头使用情况进行评价，形成钻头优选方案，现场应用，试验井机械钻速提高59%，效果明显。

钻头选型；虚拟强度指数；复合钻井；王府地区

前言在钻井过程中,钻头类型的选择是决定钻头使用效果的主要因素,好的钻头选型可以加快钻井速度,延长钻头工作时间,提高进尺,降低钻井成本,提高经济效益。近年来随着深井、超深井、大位移水平井的应用普及，常规导向系统和旋转导向系统的不断推广，钻井的深度、难度不断增大，因此适用性强、综合效果好的钻头优选方法在钻井提速尤其是难钻区块的开发上显得愈发重要。

1 虚拟强度指数钻头选型方法

R.Teale提出了钻进岩石过程中机械比能的概念[1]，这一概念将破碎单位体积岩石需要的能量与钻头的破岩效率联系起来，即钻头在钻压和扭矩的共同作用下破碎井底地层单位体积岩石所做的功[2]。比能越大表示破碎单位体积的岩石消耗的功越多，这说明钻头破岩效率偏低，钻头与地层适应性差，需要对原有的钻头选型方案进行优化。针对从消耗能量的角度评价钻头使用情况的问题，近年来在国外以优化钻井参数为目的的虚拟强度指数法（Virtual Strength Index 简称VSI）基础上，国内研究人员提出了基于VSI值的钻头选型方法[3-5]该方法从能量守恒定律出发，将钻头的输入能量、等同于岩石强度的最小虚拟强度指数和钻井效率作为能量平衡系统的三个主要因素。即将作用于井底岩石的有效钻压、井下钻头处扭矩和流体射流作用在单位时间内对地层做功之和与单位时间内破碎岩石体积做比来定义为虚拟强度指数，该虚拟强度指数的模型为：

式中∶WWOB—钻压在单位时间内对地层做的功，J；

WRPM—钻头扭矩在单位时间内对地层做的功，J；

WHJ—流体射流作用在单位时间内对地层做的功，J。

将钻压、转速、机械钻速、钻头扭矩、钻头压降等分别带入后得到

因此，式（2）可以表示为

式中∶VSI—虚拟强度指数，kPa；

WOBe—有效钻压，kN；

Q—排量，L/s；

AB—钻头截面积，mm2；

dB—钻头直径，mm；

RPM—钻头钻速，r/m；

ROP—机械钻速，m/h；

T—钻头扭矩，KN·m，

△Pb—钻头压降，MPa；

η—能量降低系数。

这里面有一个岩石单位体积破碎消耗的能量和破碎单位体积岩石所做的功的关系[6]其中岩石单位体积破碎消耗的能量仅与自身强度有关是岩石本身的性质，在理论上二者应该是相等的，但是破碎单位体积岩石所做的功因实钻中总是有一部分能量损失了，所以破碎单位体积岩石所做的功总是要大于岩石单位体积破碎消耗的能量。在实际钻井中可以利用破碎单位体积岩石所做的功对钻头使用情况进行评价，即对一个井段的单位破岩功进行相对比较，其中单位破岩功相对较小的，钻头破岩效率相对较高，反之，那些钻头破岩功相对较大的，钻头破岩效率相对较低。

该方法的优点是物理意义清晰，对关系式的推导逻辑严密，对钻井参数整合程度高，消除了人为因素对钻头选型的影响，因而具有普遍适用性。

2 复合钻井的虚拟强度指数模型

随着螺杆钻具等井下动力钻具的出现，越来越多的钻井施工采用了复合钻井的方式，即将钻井液循环时的水力能量转换为钻头的机械能从而破岩钻进。区别于常规钻井，复合钻井过程中驱动钻头在井下旋转转进的能量由地面动力系统即转盘或顶驱和井下动力系统即螺杆钻具两部分组成，其中井下动力系统起主要作用。

螺杆动力钻具的主要性能参数是扭矩和转速，螺杆的理论转速只与流经钻具的流量和钻具每转排量有关而与工况钻压扭矩等无关[7]。

式中∶RL—螺杆钻具的理论自传钻速，r/min；

Q—流量，L/s；

q—螺杆钻具每转排量，是结构参数，只与钉子和转子的几何尺寸和线性有关，L/r；

KN—动力钻具的钻速流量比，r/L。

假定螺杆的理论扭矩为 TL，在不计能量损失时，根据容积式马达工作过程中的能量守恒，在单位时间内钻头输出的机械能量 TLWL应该等于螺杆钻具输入的水力能量，

考虑到能量损耗将上式修改为

式中∶ωT—钻头理论角速度，r/min；

ωT1—钻头工作角速度，r/min；

TL1—螺杆工作扭矩，kN·m；

ΔPP—钻具进出口的压力降，MPa；

η1—能量降低系数。

因为螺杆钻具的有效水力能量全部用于驱动钻头在井下进行旋转钻进，所有钻头扭矩在单位时间内对地层做的功WRPM可以表示为：

式中∶WRPM1—地面动力系统驱动钻头对地层做的功，J；

WRPM2—井下动力系统驱动钻头对地层做的功，J。

因此复合钻井时，虚拟强度指数模型可表示为：

将（2）（8）带入式（9）得

综合考虑钻头进尺和钻头成本形成一个新的评价指标即效益指数，根据效益指数来判断钻头选型是否合理[4,8]。

式中∶ γ—钻头效益指数；

L—单只钻头进尺，m；

C—单只钻头成本，万元；

ai—各个参数的权重系数。

可以令 a＝ a2/（a1a3），为钻头特定系数，通常可取 a=1。

在实际钻井中，钻压、转速、排量、机械钻速、转盘处的扭矩等参数都可以从地表记录处获取，但井下钻头的真实扭矩往往不易获取。式（6）将井下由螺杆驱动钻头的扭矩做功转化为螺杆水功率，通过螺杆压降进行求解，这样在就解决了实际钻井过程中不易获取井下钻头真实扭矩的问题,方便技术人员在现场进行操做。

3 应用实例

王府气田是2013年吉林油田天然气评价开发的重点区块，共部署20口井，计划建产能1.65亿m3。该气田下部登娄库组至火石岭组地层钻井速度慢、周期长，下部四分之一井段钻井周期占三分之二。2012年虽然在城深602井开展涡轮配合孕镶金刚石钻头钻井提速技术试验取得了初步成功，但其经济性差，难以全面推广应用。为提高钻井速度、加快该区气藏开发步伐，需要进一步开展以高效钻头优选为突破口的钻井提速技术研究。表1是王府地区下部沙河子组的钻头使用数据库，根据钻头使用数据对沙河子组深度和进尺分别与钻速进行对比分析形成图1、图2，运用虚拟强度指数钻头选型方法进行钻头选型，提供本层位的钻头优选方案。对钻头使用数据进行标准化处理，获得城府地区沙河子组平均机械钻速为1.42 m/h,平均单只钻头进尺为70.62 m,单只钻头平均使用寿命49 h。采用复合钻进VSI指数模型求取VSI值，进而求取效益指数如表2所示。

表1 沙河子组钻头使用数据库Table 1 The drill bit usage database of Shahezi group

图1 沙河子组深度与钻速分析Fig.1 Analysis on the deepth and drilling speed of Shahezi group

图2 沙河子组进尺与钻速分析Fig2 Analysis on the footage and drilling speed of Shahezi group

表2 沙河子组钻头效益指数对比Table 2 The bit benefit index contrast of Shahezi group

根据效益指数得到王府地区火石岭组钻头优选方案，如表3所示。

表3 沙河子组推荐使用钻头Table 3 The recommended drill bit in Shahezi group

根据选型结果采用优选的PDC钻头，该钻头2013年10月28日6：00下井，于2013年11月2日3时起钻，钻进沙河子组，2 362～2 530m，单只钻头进尺168 m，纯钻时66 h，机械钻速达到了2.55 m/h。具体数据见表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

国家科技重大专项（20112X05021-002）资助。

2015-03-12

韩博（1984-），男，黑龙江大庆人，硕士，2008年毕业于东北石油大学石油工程专业，主要从事油气井工程力学方面的研究工作。E-mail：hanbo841107@163.com。