基于虚拟强度指数的复合钻井钻头优选.pdf

第 4 4 卷第 9 期 2 0 1 5年 9月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a 1 I n d u s t r y V o 1 ． 4 4，N o ． 9 S e p t e m b e r ，2 0 1 5 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 1 6 3 3 1 8 摘 要 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 5 9 ％，效果明显。 关键词钻头选型；虚拟强度指数 ；复合钻井 ；王府地区 中图分类号T E 3 5 7 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 50 9 2 1 5 5 0 3 S e l e c t i o n o f t he Dr i l l Bi t f o r Co mpo und Dr i l l i ng Ba s e d o n t he Vi r t ua l S t r e ng t h I nde x HA N Bo，L I s h i ． b i n ， Z HA NG Li g a n g No r t h e a s t P e t r o l e u m U n i v e r s i t y , H e i l o n g j i a n g Da q i n g 1 6 3 3 1 8 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e b i t t y p e s e l e c t i o n me t h o d b a s e d o n v i r t u a l s t r e n g t h i n d e x vs i h a s t h e o u t s t a n d i n g a d v ant a g e s i n t h e e v a l u a t i o n a n d s e l e c t i o n o f d ri l l b i t ． Ba s e d o n t h e a c t u a l s i t ua t i o n o f c o mp o u n d d r i l l i n g ， t h e wo r k d o n e b y t h e b i t t o r q u e t o t h e f o r ma t i o n i n t h e VS I mo d e l wa s r e s o l v e d i n t o t wo p a r t s ， un d e r g r o u n d p o we r s y s t e m wo r k an d g r o u n d p o we r s y s t e m wo r k ． Be s i d e s t h e s c r e w wa t e r p o we r wa s i n t r o d u c e d ， a n d t h e wo r k o f u n d e r gro u n d d ril l i n g t o r q u e wa s t r ans f o r me d t o t h e s c r e w h y d r a u l i c e n e r g y ,and i t wa s s o l v e d ， wh i c h c o u l d b e c o n v e n i e n t f o r fie l d u s e ． Th i s me t h o d wa s u s e d t o e v a l u a t e the d ril l b i t u s a g e i n t h e l o we r S h a h e z i gro u p o f W a n g f u a r e a ， the p r e f e r r e d p r o g r a m for dr i l l b i t wa s g o t t e n ． I n the fi e l d a p p l i c a t i o n ， the ROP o f t h e t e s t we l l i n c r e a s e d b y 5 9 ％． Ke y wo r d s b i t t y p e s e l e c t i o n ； v i r t u a l s t r e n g t h i n d e x vS I ； c o mp o u n d d r i l l i n g ； w n g f u a r e a 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 ． T e a l e提出了钻进岩石过程 中机械 比能的概 念n ，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 。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 V ir t u a l S t r e n g t h I n d e x简称 V S I 基础上，国内研 究人员提出了基于 V S I 值的钻头选型方法p 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 VS I W W．O．．B - } “ m R．p．M． -I - II 0 P 式 中 W w o s - - 压在单位时间内对地层做的功 ，J ； M 钻头扭矩在单位时间内对地层做的功，J ； 一 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 VSIf W O B e 1 2 0 7t R P M T 1 6 _8 9 7 1 0 6 2 A BR O P A s R O P J 式中 基金项 目 国家科技重大专项 2 0 1 1 2 X 0 5 0 2 1 0 0 2 资助。 稿日 期 2 O l 5 - 0 3 一 l 2 作者 简介 韩博 1 9 8 4 一 ，男，黑龙江大庆人，硕士，2 0 0 8年毕业于东北石油大学石油工程专业，主要从事油气势工程力学方面的研究工作。 E -ma i l h a n b o 8 41 1 0 7 1 6 3 ． c o rn。 化 工 2 0 1 5年 9月 因此 ，式 2可以表示为 vs If 4 8 0 ． R P M ． T 1 6 ．8 9 7 l 0 ． 3 l r ,A B d B R O P n d 2 B R O P J 式中 V s 卜一 虚拟强度指数 ，k P a ； WO B e 一有效钻压 ，k N； 一 排量 ，L ／ s ； 』 4 B _ _ 一 钻头截面积，m m ； 钻头直径，ra i n ； R P M钻头钻速，r ／ m； R O 卜 机械钻速 ，m／ h ； 钻头扭矩 ，K N- m， △ 钻头压降 ，I V [ P a ； 一 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同 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 。 R 4 式 中髓一螺杆钻具的理论 自传钻速 ，r ／ m i n ； 9一流量，L ／ s ； 口 一螺杆钻具每转排量 ，是结构参数 ，只与钉子和转子的几何尺寸 和线性有关 ．L ， r ； N 一动力钻具的钻速流量 比， L。 假定螺杆 的理论扭矩为 ，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 T L 应该等于螺杆 钻具输入的水力能量 ， O 5 考虑到能量损耗将上式修改为 1 c o t 1 7 ／ 1 △ Q 6 式中 ∞ 一钻头理论角速度，r ／ mi n ； ∞ 1 一钻头工作角速度 ，r ／ min ； 1 一螺杆工作扭矩，k N m； A P p 一钻具进出V I 的压力降 ，MP a ； - 一能量降低系数 。 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 M可以表示为 P M P Ml P M 2 7 式中 ，R P M l 一地面动力系统驱动钻头对地层做的功 ，J ； 2 - _ 一 井下动力系统驱动钻头对地层做的功 ，J 。 其中 M C O T 叩 △ 尸 P Q 8 因此复合钻井时 ， 虚拟强度指数模型可表示为 V S I W w o B M 1 M 2 ，H J 9 RoP 将 2 8 带入式 9 得 vs I w oB0 ． 1 2 0 n R P M ． T 5 r ／ ,A P p Q三 垒 墨 垒 1 6 8 9 7 lo 1 0 B A B R O P A B R O P A B R O P』 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 。 竺 2 1 1 a VS I a 3 c 式中 钻头效益指数； 一 单只钻头进尺，1 1 1 ； c -_单只钻头成本 ，万元； __ 一 各个参数的权重系数。 可以令 a a ／ a l a ，为钻头特定系数 ，通 常可取 a l 。 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 2 0 1 3 年吉林油田天然气评价开发的 重点区块， 共部署 2 0口井， 计划建产能 1 ．6 5 亿 m 。 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。 2 0 1 2年虽然在城深 6 0 2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 第 4 4卷第 9期 韩 博，等基于虚拟强度指数的复合钻井钻头优选 2 l 5 7 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。 表 1 沙河子组钻头使用数据库 T a b l e 1 Th e d r i l l b i t u s a g e da t a ba s e o f S ha h e g r o u p 井号 型号 生产厂家 人井， 次数 进尺／ m 机械钻速／ m h - I 纯钻进时间， h 城深 6井L D T 5 3 7 G L 天津 ， ‘ f ⋯⋯T T-m 1 7 9 - 3 7 基 基 蘸 蒸 量 基 蒸 辞 蘸 蘸 瑟 瑟 簿 鬈 蘸 l l l l l 8 鲁 冒 暂 4 8 4． 2 3 ． 6 3． 0 2 ． 4 1 ． 8 1 ． 2 0 ． 6 O． O 图 1 沙河子组深度与钻速分析 F i g ． 1 An a l y s i s o n t h e d e e p t h a n d d r i H i n g s p e e d o f S h a h e z i g r o u p 3 2 0 2 8 0 2 4 0 2 0 0 1 6 0 1 2 0 8 0 4 0 0 毫 g 若 基 芝 基 暑 罨 蚕 暮 如 毛 墨 J 嫠 囊 誉 嚣 萎 萎 善苫 4． 8 4． 2 3． 6 3 ． 0 2．4 1 ． 8 1 ． 2 0． 6 0． 0 图2 沙河子组进尺与钻速分析 F j g 2 An a l y s i s o n t h e f o o t a g e a n d d r i l l i n g s p e e d o f S h a h e z i g r o u p 2 ． 2 2 2 ． 0 4 2 ． 6 1 ． 3 6 1 ． 6 2 0 ． 8 6 1 - 3 3 1 ． 4 8 0 ． 8 1 ． 3 8 1 ． 8 3 5 ． 8 3 51 ． 2 5 5 7 71 5 2 l 8 ． 5 6 1 4 8 2 ． 5 6 8 7 8 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 ． 4 2 m ／ h ， 平均单只钻头进尺 为 7 O ．6 2 m ，单只钻头平均使用寿命 4 9 h 。 采用复合钻进 V S I 指数模型求取 V S I 值，进而求取 效益指数如表 2所示。 表 2 沙河子组钻头效益指数对比 T a b l e 2 Th e b i t b e n e fit i nd e x c o n t r a s t o f S h a h e z i g r o u p 钻头型号 效益指数 PDC 9 4 6 L DT 5 3 7 GL K7 0 5 S TB Px C M1 6 5 3 FG L S 5 3 7G 牙轮 P 6 A1 2 - 7 L DT 5 3 7 GL 3 5 ． 8 2 4 9 ． 5 4 2 8 ． 0 1 5 7 ． 8 0 2 2 ． 7 4 8-3 0 1 4 ． 2 6 4 0 ． 8 3 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 T a b l e 3 Th e r e c o m me n d e d dr i l l b i t i n S h a h e z i g r o u p 下转 第 2 1 6 1页 8 2 5 0 4 8 2 B O 4 4 3 3 2 1 l 0 O 差毫 ㈣ 一 ～ 糊 姗 啪 珊 一 第 4 4卷第 9 期 董海明，等O ． 6 M t ／ a焦化汽柴油加氢装置的技术改造 2 1 6 1 t／ h的负荷；精制航煤收率 9 9 ．9 1 ％，与设计 9 9 ．9 1 ％ 一 致 ；能耗为 1 4 ． 8 k g E o ／ t ，达到了设计 l 5 ． 2 k g E o ／ t 的指标 ；产品质量合格 ，装置实际运转能够满足设 计要求。 、 6 经济效益分析 从表 4 可 以看 出 ，精 制航煤 碱 性氮含 量为 0 ． 0 6 ～ 0 ． 9 2 g ， g ， 达到设计小于 1 g ／ g的指标 ； 硫醇 硫为 0 ． 0 0 0 1 ％ 0 ． 0 0 0 7 ％， 小于指标 0 ． 0 0 1 2 ％； 总酸 值为 0 ． 0 0 1 5 - 0 ． 0 0 2 6 mg KO H ／ g ，小 于指标 0 ． 0 1 4 m g K O H ／ g 的指标 ， 银片腐蚀为零级。各项指标达到 了 3 喷气燃料和军用航煤指标要求。 7 结 论 1 改造闲置装置， 利旧原催化剂， 改造投资 仅为5 0 0 0 万元， 较新建一套 0 ．6 M t ／ a 航煤加氢装置 节省投资 7 0 0 0 ～ 8 0 0 0万元 ； 2 通过改造使兰州石化航煤生产能力由O ．3 Mt ／ a 提升至 0 ． 9 Mt ／ a ； 3 装置改造投产后标定结果表明 精制航煤 碱性氮含量为 0 ．0 6 - 0 ．9 2 g ／ g ；硫醇硫为 O ．0 0 0 1 ％～ 0 ． 0 0 0 7 ％；总酸值为 0 ． 0 0 1 5 0 ． 0 0 2 6 mg K O H／ g ；银 片腐蚀为零级。精制航煤质量优于 3 喷气燃料指标 和设计指标，特别是作为军用油品，兰州石化特别 制定了针对碱性氮和银片腐蚀更为严格的控制指 标 ，使装置的操作难度和技术含量提升。 参考文献 [ 1 ]史开洪 ， 艾中秋． 加氢精制技术问答 】 ．北京 中国石化出版社 ， 2 0 1 4 一 O l 1 3 1 5 ． [ 2] 陶志平 ，龚冬梅，张翠君 ，孙建章，李明． 中华人民共和国国家标 准 G B 6 5 3 7 2 0 0 6 3 号喷气燃料标准规范【 s ] ， 北京市中国国家标 准化管理委员会出版，2 0 0 6 1 2 7 8 ． [ 3 ] 姚波，杨成敏．F HU D S 一 2催化剂在天津石化的工业应用[ J ] ． 当代 化工 ， 2 0 1 l 0 7 2 5 2 8 ． [ 4 ] 胡斌．F H U D S 一 2催化剂在广州石化公 司柴油加氢精制装置上的 应用阴．石化技术与应用。 2 0 1 2 1 5 1 5 5 ． 上接 第 2 1 5 7页 根据选型结果采用优选的 P D C钻头， 该钻头 2 0 1 3年 1 O月 2 8日6 O 0下井 ，于 2 0 1 3年 1 1 月 2日3时起钻 ，钻进沙河子组 ，2 3 6 2 ～ 2 5 3 0 m，单 只钻头进尺 1 6 8 m， 纯钻时 6 6 h ， 机械钻速达到了 2 ． 5 5 m ／ h 。具体数据见表4 。 表 4 钻头应用效果对比 T a bl e 4 Ap p l i c a t i o n e ffe c t c o n t r a s t o f t h e b i t 机 械钻 速提 高 了 5 9 -3 ％ 4 结束语 本文考虑复合钻井的实际情况对虚拟强度模 型进行修改，在评价复合钻井过程中的能量消耗 时更加方便 ，所需数据更容易获取。采用该方法 对王府气 田沙河子组钻头使用情况进行评价并提 供钻头优选方案，为加快本地区气藏开发提供了 有效帮助。 参考文献 [ 1 ] T a e l e R ． T h e c o n c e p t o f s p e c i fi c e n e r g y i n r o c k d r i l l i n g [ J ] ． I n - t e r n a fi o n a l J o u rna l o f R o c k M e c h a n i c s a n d Mi n in g S c i e n c e s G e o me c h a n i c s A b s t r a c t s ， 1 9 6 5 ， 2 1 5 7 7 3． [ 2] 张辉 ， 高德利．钻头选型方法综述[J ] ．石油钻采工艺， 2 0 0 5 ，2 7 4 1 - 5． [ 3]樊顺利，郭学增． 用比能法评判钻头[J 1 ．石油钻采工艺，1 9 9 3 ，1 5 2 2 0 2 4． [ 4]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Ⅱ 】 ．石油钻采工艺 ，2 0 1 3 ， 3 5 3 9 - 1 1 ， 1 5． [ 5] 崔猛 ，李佳军 ，等．基于机械比能理论的复合钻井参数优选方法 [ J ] ．石油钻探技术， 2 0 i 4 ， 4 2 1 6 6 7 0． [ 6] 陈志学，等． 虚拟强度指数法钻井新方法的研究与应用 钻采工 艺 ， 2 0 1 2 ， 3 5 1 7 - 9． [ 7]苏义脑． 螺杆钻具的工作特性 [J 】 ． 石油钻采工艺，1 9 9 8 ，2 0 6 1 1 1 5 ， 6 7． [ 8 ] 杨进， 高德利． 一种钻头选型新方法研究[J ] _石油钻采工艺 ， 1 9 9 8 ， 2 0 5 3 8 4 0，