基于虚拟强度指数的钻头选型方法研究

陈志学 孙 宁 史东辉 王世永 余金海 杨华斌

（1.中国石油大学，北京 102249；2.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100195；3.玉门油田公司，甘肃酒泉 735019；4.川庆钻探工程有限公司，四川成都 610051）

基于虚拟强度指数的钻头选型方法研究

陈志学1，2孙 宁2史东辉3王世永3余金海2杨华斌4

（1.中国石油大学，北京 102249；2.中国石油集团钻井工程技术研究院，北京 100195；3.玉门油田公司，甘肃酒泉 735019；4.川庆钻探工程有限公司，四川成都 610051）

优选钻头类型是提高钻井速度、降低钻井成本最直接、有效的方法之一。通过综合考虑钻压、转速、扭矩、水力参数等因素对钻头破岩效率的影响，根据能量守恒定理，建立了地层虚拟强度指数（VSI）模型，利用模型来计算不同钻头的虚拟强度指数，同时，在考虑钻头进尺和成本的基础上，提出了利用效益指数来定量评价钻头使用效果，消除了以往钻头选型过程中人为因素的影响，为钻头类型优选提供了科学依据。该方法在玉门油田酒东地区进行了应用，根据效益指数的大小，优选出了适合Ø311 mm和Ø216 mm井眼的不同钻头类型，现场应用机械钻速分别提高1.94倍和2.77倍，效果较好，为进一步提高酒东地区钻井速度、加快勘探开发进程奠定了基础。

虚拟强度指数；钻头；选型；研究；应用

钻井就是钻头破碎岩石的过程，随着钻井深度的加大，钻井施工难度越来越大。速度慢、周期长的问题严重制约了勘探开发的进程。正确选择钻头类型是提高钻井速度的关键环节。目前，常规钻头类型优选方法是根据邻井使用情况，按照一定的统计方法对比分析钻头的实际应用效果，只能简单地利用机械钻速和钻头进尺2个指标评价钻头性能，无法确定某种钻头型号在给定地层的实际应用效果［1-3］。为定量评价钻头使用是否合理，提出了一种基于虚拟强度指数（Virtual Strength Index简称VSI）的钻头类型优选与评价方法，虚拟强度指数体现了钻压、转速、扭矩、水力参数的综合影响，消除了机械钻速对钻压和扭矩变化的敏感性，可定量评价钻头的使用效果［4-5］。

1 虚拟强度指数钻头选型方法

1.1 VSI钻头选型原理

1964年，R. Teale首次提出了在钻进岩石过程中机械比能的概念，即钻头破碎单位体积岩石所做的功，这一准则将开挖单位体积岩石所需能量与钻头的破岩效率关联起来，比能可视为体现机械破岩效率的指数。比能消耗越多则说明机械钻速越低、钻头与地层的适应性就越差，钻头类型需要进一步优化［6-9］。在研究分析前人成果的基础上，提出了一种新的钻头类型优选与评价方法，即虚拟强度指数法。虚拟强度指数的大小取决于钻压、转速、钻头类型、钻头磨损、岩屑清除效果及岩石类型和性质等。根据能量守恒定理，将输入能量、钻井效率和最小虚拟强度指数（等同于岩石强度）作为能量平衡系统的3个关键因素［10］。

综上所述，虚拟强度指数表达式为

式中，WWOB为单位时间内钻压对地层做的功，J；WRPM为单位时间内钻头扭矩对地层做的功，J；WHJ为单位时间内流体射流作用对地层做的功，J。

有效射流冲击力单位时间内做功就是作用于井底的有效射流水功率

式中，HP为钻头水功率，kW；ΔPb为钻头压降，MPa；η为能量降低系数。

单位时间内钻头开挖岩石体积为

将式（2）、（3）、（4）、（5）代入式（1）得

式中，VSI为虚拟强度指数，kPa；WOBe为有效钻压，kN；Q为排量，L/s；AB为钻头截面积，mm2；ROP为机械钻速，m/h；T为扭矩，kN·m。

从式（6）可以看出，如果钻头在均质岩层中钻进，其VSI值应接近为常数，随着钻头磨损程度的不断增强，机械钻速将会逐步下降，VSI就会缓慢上升。如果VSI急剧上升则可能是岩性发生骤变或钻头出现严重问题。总体来说，VSI值越低，则说明破岩效率越高。反之，则表明该钻头不适应于该岩性或钻头已到更换时间。因此，VSI完全可以从能量观点优选钻头类型及判别钻头在井下的实际工作状况。

1.2 VSI钻头选型方法与步骤

根据VSI钻头选型原理，基于VSI值的钻头类型优选方法可分为以下4步。

（1）计算邻井随井深变化的VSI值，根据其变化趋势初步判断钻头的适应性。

（2）对比同井段、不同钻头的VSI值，评价不同钻头性能，优选适用于该段地层的钻头类型。

（3）计算所有完成井在该地层使用的钻头平均VSI值，以平均VSI的倒数为横坐标，钻头进尺为纵坐标作图，并利用最优线和平均线进行划分对比，优选适用于待钻地层的最优钻头类型。

（4）引入钻头成本因素，将平均VSI值、钻头进尺和钻头成本融合为一个综合指数，即效益指数，根据效益指数大小来评价选出钻头类型是否合理。

根据上述分析，定义以下钻头性能评价指标，即效益指数

式中，γ为钻头效益指数；L为单只钻头进尺，m；C为单只钻头成本，万元；ai为各个参数的权重系数。

权重系数是表示某一指标项在指标项系统中的重要程度，表示在其他指标项不变的情况下，这一指标项的变化对计算结果的影响。式（7）中的权重系数由设计者视对3个参数的重视程度而确定［11-13］。可以令a＝a2/（a1a3），为钻头特定系数，通常可取a=1。

效益指数计算结果表明，效益指数越高，表明钻头使用效果越好，钻头综合性能越好，反之则越差。因此，利用效益指数能更直观和清晰地辨别不同钻头使用效果差异。

2 应用效果分析

基于VSI的钻头类型优选方法在玉门油田酒东地区进行了试验应用。重点对第三系和白垩系地层的PDC钻头使用结果进行了量化评价分析（表1）。从分析结果来看，由于第三系属中硬地层，岩石可钻性相对较低，PDC钻头破岩效率高，60%钻头的效益指数在20以上，表明总体使用效果较好，大部分钻头类型能适应地层，只有少部分钻头类型使用效果较差，未能达到加快钻井速度的预期目的。

随着钻井深度的逐步加深，白垩系地层岩石强度明显增加，可钻性变差，研磨性增强，所以，钻头破岩效率低，效益指数也明显减小，多数都在2以内。从计算结果来看，钻头类型总体适应性较差，大部分钻头选型不合适。因此，根据不同钻头类型的使用效果评价结果，为下步持续开展钻头技术攻关和钻头类型优选提供了科学的参考依据。

表1 酒东第三系、白垩系地层钻头效益指数对比

根据效益指数计算结果进行了钻头类型优选，对优选出来的钻头在玉门油田酒东地区进行了试验应用，应用效果见表2、表3。其中，第三系Ø311 mm钻头指标与攻关前相比，单只钻头进尺由723.79 m提高到1 546.49 m，提高了1.14倍，平均机械钻速由3.14 m/h提高到9.22 m/h，提高了1.94倍，取得了显著提速效果；白垩系Ø216 mm钻头技术指标与攻关前相比，平均单只钻头进尺由397.13 m提高到1 212.19 m，提高了2.05倍，平均机械钻速由0.65 m/h提高到2.45 m/h，提高了2.77倍，钻井速度的突破，使得酒东地区钻井周期大幅度缩短，为加快该地区勘探开发步伐奠定了坚实的基础。

表2 酒东地区第三系地层Ø311 mmPDC钻头使用统计

表3 酒东地区白垩系地层Ø216 mmPDC钻头使用统计

3 结论

利用能量守恒定理推导建立了虚拟强度指数的表达式，将虚拟强度指数表示为钻压、转速、扭矩、水力参数、钻头类型等因素的函数，在此基础上综合考虑钻头成本，给出了钻头效益指数的计算公式。根据效益指数计算结果，不仅可以量化评价钻头破岩效率，同时，还为钻头类型优选提供了一条新的技术途径。

［1］MOHAN K, ADIL F, SAMUEL R. Tracking drilling eff i ciency using hydro-mechanical specif i c energy［R］.SPE/IADC 119421, 2009.

［2］ARMENTA M. Idetifying inefficient drilling conditions using drilling-specif i c energy［R］. SPE 116667, 2008.

［3］RAFATIAN N, MISKA S Z, LEDGERWOOD L W, et al.Experimental study of MSE of a single PDC cutter interacting with rock under simulated pressurized conditions［R］. SPE/IADC 119302, 2009.

［4］樊顺利，郭学增.用比能法评判钻头［J］.石油钻采工艺，1993，15（2）：20-24.

［5］陈志学，黎红胜，王成学，等.虚拟强度指数法钻井新方法的研究与应用［J］.钻采工艺，2012，35（1）：7-9.

［6］GRAHAM J W, MUENCH N L. Analytical determination of optimum bit weight and rotory speed combinations［R］.SPE 1349, 1959.

［7］GALLE E M, WOODS H B. Best constant weight and rotory speed for rotary rock bits［J］. API Drilling and Production Practice, 1963：48-73.

［8］BOURGOYNE A T, YOUNG F S. A multiple regression approach to optimal drilling and abnormal pressure detection［R］. SPE 4238, 1974.

［9］FARRELLY M, RABIA H. Bit performanc and selection:a novel approach［R］. SPE/IADC 16163, 1987.

［10］SCHRENDER J C, SHARPE P J. Drilling the limit-a key to reduce well costs ［R］. SPE 57258, 1999.

［11］RABIA H. Specif i c energy as a criterion for bit selection［R］. SPE 12355, 1985.

［12］杨进，高德利.一种钻头选型新方法研究［J］.石油钻采工艺，l998，20（5）：38-40.

［13］张辉，高德利.钻头选型方法综述［J］.石油钻采工艺，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

陈志学，孙宁，史东辉，等.基于虚拟强度指数的钻头选型方法研究［J］. 石油钻采工艺，2013，35（3）：9-11，15.

TE921

A

1000 – 7393（ 2013 ） 03 – 0009 – 03

国家科技重大专项项目“大型油气田及煤层气开发”子课题“碳酸盐岩、火成岩及酸性气藏高效安全钻完井技术”的部分研究内容（编号：2011ZX05021-002）。

陈志学，1972年生。现主要从事钻井技术研究工作，在读博士后，高级工程师。电话：010-52781802。E-mail：chenzhixuedri@cnpc.com.cn。

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薛改珍〕