虛擬強度指數優化鉆井技術的發展與應用

陳志學，黎紅勝，于文華，畢文欣，程榮超

（1.西南石油大學石油工程學院，四川 成都 610500；2.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100195；3.中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

虛擬強度指數優化鉆井技術的發展與應用

陳志學1，2，黎紅勝2，3，于文華3，畢文欣2，程榮超2

（1.西南石油大學石油工程學院，四川 成都 610500；2.中國石油集團鉆井工程技術研究院，北京 100195；3.中國石油勘探開發研究院，北京 100083)

隨著勘探開發的不斷深入，新的鉆井技術難題不斷出現，對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，尤其是鉆井參數的影響最明顯，因此合理選用鉆井參數非常重要。通過調研不同的鉆井參數優化模型，優選出了較為完善的虛擬強度指數（VSI）法。利用相關軟件，實時采集轉盤轉速、扭矩、鉆壓等鉆井參數，計算出VSI曲線，然后根據其變化情況及時調整鉆井參數，確保鉆頭一直處于最佳破巖狀態。現場5口井的試驗應用表明，該方法能準確判斷鉆頭在井底的工作狀況，延長鉆頭使用壽命，實現提高鉆井速度、縮短鉆井周期的目標。

比能；虛擬強度指數；鉆井參數；優化；應用效果

1 概述

影響鉆井速度的因素很多，其中鉆井參數至關重要［1］。如何科學評價鉆井參數，最近國外提出了虛擬強度指數（Virtual strength index，簡稱VSI）法，現場應用效果十分顯著［2］。VSI法對鉆井參數的優化是采用相關軟件，與鉆井參數儀或綜合錄井儀對接來完成實時鉆井參數的采集，如轉盤轉速、扭矩、鉆壓、鉆速等，經過計算得出VSI曲線，鉆井操作人員根據其變化情況及時調整鉆井參數，確保鉆頭一直處于最佳破巖狀態，同時，該方法還能隨時分析判斷鉆頭的工作狀況，有助于延長鉆頭使用壽命，從而實現提高鉆井速度、縮短鉆井周期的目標［3］。

2 VSI鉆井技術發展歷程

VSI優化鉆井技術經歷了很長的發展階段，該技術核心模型在1964年已初步提出，大致經歷了4個發展階段：1964—1992年，VSI優化鉆井理念的提出與驗證階段；1992—2002年，VSI優化鉆井技術的定性分析階段；2002—2005年，VSI優化鉆井技術的實時定量監控階段；2005年至今，VSI優化鉆井技術的完善與遠程監控階段。

截至目前，VSI鉆井技術在不同的階段主要提出了5個核心模型：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助跟蹤開挖單位體積巖石所需能量的重要參數，可用于優化鉆井參數和鉆頭。Teale定義鉆頭比能（SE）為輸入能量與輸出機械鉆速的比值。基于此定義，考慮鉆頭扭矩和軸向力，得到鉆頭單位破巖功的計算公式：

式中：WS為單位破巖功，Pa；W為鉆壓，N；vROP為機械鉆速，m/h；n為轉盤轉速，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，因此引入了滑動摩擦系數，將鉆頭受到的扭矩表示為鉆壓的函數。然后在獲取可靠扭矩值之后，利用滑動摩擦系數來計算輸入比能值。滑動摩擦系數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械效率的概念，當比能接近或等于所鉆巖石的抗壓強度時，即達到了最小比能。

在一定的機械鉆速和抗壓強度下，特殊鉆頭類型的扭矩可表示為

式中：CCS為三軸巖石抗壓強度，Pa；EFFM為能量效率系數，無量綱。

根據機械效率、扭矩與鉆壓的關系式，機械鉆速可由式（4）計算：

針對不同種類的鉆頭，可分別將滑動摩擦系數、能量效率、鉆壓和轉速定義為巖石表觀強度的函數。利用實驗方法對這些關系式進行確認和量化，且對巖石強度進行精確測量。

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。鉆頭部位的水動力利用射流沖擊力將地層巖屑運移走，流體射流對地層的沖擊力給鉆頭一個大小相同的反作用力，即泵出力，泵出力與沖擊力相等［5］。這個力滿足牛頓第三定律，結果會降低有效鉆壓。

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

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

HMSE的計算公式為

式中：HMSE為水力-機械比能，MPa；We為有效鉆壓，N；η為能量降低虛擬系數；△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（機械比能）基礎上引入了鉆頭水動力項：

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力系數；Pb為水功率，W；Ab為鉆頭面積，mm2。

式（6）右邊第3項是與鉆頭水動力有關的一項，1.98× 105為轉換系數，Pb/Ab為鉆頭HIS值。

2.5 VSI模型

實際鉆井過程中，在一定井段內鉆頭單位破巖功主要隨鉆井參數的改變而變化。在沒有根據巖石強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，為鉆井參數的優化提供參考依據。

虛擬強度指數計算公式為

式中：VSI為虛擬強度指數，Pa。

3 VSI現場應用效果

從VSI優化鉆井發展歷程可以看出，VSI模型優化鉆井參數更加完善和準確。該技術在四川龍崗地區進行了5口井的試驗應用，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，VSI值很小，表明鉆頭破巖效率高，機械鉆速高。

從井深2 500 m開始，VSI值逐步增加，同時鉆井速度變慢，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，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生垮塌、井漏及卡鉆等事故復雜，影響了鉆頭破巖效率，導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，有助于及時調整鉆井參數和確定鉆頭的合理使用時間，充分發揮鉆頭的使用效果，也為井下鉆井基本情況的決策分析提供了科學參考。

圖1 龍101井全井VSI曲線

4 結束語

VSI模型提供了一種實時優化鉆壓和轉速的方法。該方法通過實時計算和監測鉆頭單位破巖功，判斷鉆頭是否處于最佳的切削狀態。在保證鉆頭處于最佳切削狀態條件下，通過實施最高的鉆壓和轉速，獲得最高鉆井速度和最大鉆頭進尺。這種鉆井的全參數優化在施工現場實時實地完成，不需要增加其他設備，簡便易行，結果可靠，為提高鉆井速度、縮短鉆井周期提供了一套新的技術途徑。

［1］楊志彬，胡永章，鐘敬敏，等.工程地質因素對鉆井提速的影響［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，FaraazAdil，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，翟應虎，等.基于比能理論的鉆頭工作狀態監測方法［J］.斷塊油氣田，2011，18（4）：538-541. Jing Ning，Fan 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

國家重點基礎研究發展計劃（973）項目“深井復雜地層安全高效鉆井基礎研究”子課題“深井復雜地層井下信息隨鉆識別與融合”（2010CB226702）

TE21

：A

1005-8907（2012）02-0237-03

2011-07-29；改回日期：2012-01-16。

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

陳志學，黎紅勝，于文華，等.虛擬強度指數優化鉆井技術的發展與應用［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.