井下钻井工具与岩屑之间的相互作用的三维建模制造技术

根据本公开的一些实施方案，公开了一种建模井下钻井工具的方法。所述方法可包括：识别与多个切削元件中的每一者相关联的多个切片中的每一者的位置。所述方法可进一步包括：基于所述切片的所述位置和井眼底部的三维模型来计算每一切片的切削深度。另外，所述方法可包括：响应于大于临界切削深度的至少一个切削深度产生用于每一切削元件的岩屑的三维模型，每一三维模型包括与每一切片相关联的岩屑的二维模型。所述方法还可包括：通过移除岩屑的每一三维模型更新所述井眼底部的所述三维模型。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开总体上涉及井下钻井工具，并且更具体来说涉及井下钻井工具与岩屑之间的相互作用的三维模型。专利技术背景各种类型的井下钻井工具，包括但不限于旋转钻头、扩孔器、取心钻头以及已用来在相关联的井下地层中形成井筒的其他井下工具。这类旋转钻头的实例包括但不限于，固定刀具钻头、刮刀钻头、聚晶金刚石复合片(PDC)钻头以及与形成延伸通过一个或多个井下地层的油气井相关联的基体钻头。例如PDC钻头的固定刀具钻头可包括各自包括多个切削元件的多个刀片。在典型钻井应用中，PDC钻头可用来利用比非PDC钻头长的钻头寿命钻穿各种级别或类型的地质地层。典型地层可通常在地层的上部(例如，较浅钻探深度)中具有相对低的抗压强度以及在地层的下部(例如，较深钻探深度)中具有相对高的抗压强度。因此，通常变得越发难以在越来越深的深度处钻井。同样，用于在任何特定深度处钻井的理想钻头通常根据在那一深度处的地层抗压强度来行使职能。因此，用于钻井的理想钻头通常根据钻孔深度变化。已用来建模井下钻井工具的效率的一个示例性模型被称为单一刀具力模型。单一刀具力模型可计算作用于各别切削元件的力并合计那些力以估算作用于井下钻井工具的总力。附图简述为了更完全地理解本公开和其特征与优点，现结合附图来参考以下描述，附图中：图1示出根据本公开的一些实施方案的钻井系统的示例性实施方案的立视图；图2示出根据本公开的一些实施方案的以通常用来建模或设计固定刀具钻头的方式向上定向的旋转钻头的等距图；图3A在分段中和在仰角中示出其中局部剖视的图式，其示出根据本公开的一些实施方案的穿过第一井下地层并去往邻近第二井下地层中钻出井筒的图2的钻头；图3B示出表示根据本公开的一些实施方案的钻头的刀片的截面视图的刀片轮廓；图4A-图4D示出根据本公开的一些实施方案的沿刀片设置的各种切削元件的切削区域；图5A为钻头101的顶视图，其示出根据本公开的一些实施方案的可被设计和制造以提供改善的切削深度控制的钻头的面；图5B示出根据本公开的一些实施方案的图5A的钻头的切削元件的沿钻头的钻头轮廓的位置；图6A示出根据本公开的一些实施方案的切削元件的钻头面轮廓的曲线图；图6B示出根据本公开的一些实施方案的包括相关联的钻井力的示例性切削元件的截面视图；图7示出根据本公开的一些实施方案的与地球物理学地层接合的示例性切削元件的截面视图；图8示出根据本公开的一些实施方案的岩屑的建模近似；图9A示出根据本公开的一些实施方案的被分成示例性切片群的三维岩屑；图9B示出根据本公开的一些实施方案的包括于相关联的三维岩屑中的示例性二维岩屑长度；图10示出根据本公开的一些实施方案的通过单一切削元件产生的岩屑的示例性边界；图11示出根据本公开的一些实施方案的示例性建模和测量的钻头力数据；图12示出根据本公开的一些实施方案的示例性井下钻井工具建模系统的方框图；并且图13示出根据本公开的一些实施方案的用于建模钻头与岩屑之间的相互作用的示例性方法的流程图。具体实施方式本文公开一种钻头模型和相关系统和方法，并涉及井下钻井工具的建模钻井效率。在广义的术语中，所公开的钻井工具模型的一个方面考虑到可在钻井期间与在切削元件的面前面的地层分离的岩屑。从地层分离特定体积岩石所需要的能量的量可与钻头的钻井效率相关。因此，通过考虑这些岩屑，所公开模型能够更精确地分析或预测井下钻井工具的钻井效率。存在其中可考虑岩屑并将岩屑作为井下钻井工具模型中的因素的许多方式。因此，通过参考图1至图13最好地理解本公开的实施方案和其优点，各图中相同编号用来指示相同和对应部分。图1示出根据本公开的一些实施方案的钻井系统100的示例性实施方案的立视图。钻井系统100可包括井表面或井场106。各种类型的钻井装备，例如旋转台、钻井液泵和钻井液罐(未明确示出)可定位在井表面或井场106。例如，井场106可包括钻机102，所述钻机102可具有与“陆地钻机”相关联的各种特性和特征。然而，并入有本公开的教导的井下钻井工具可令人满意地与钻井装备一起使用，所述钻井装备定位在海上平台、钻井船、半潜式装置和钻井驳船(未明确示出)上。钻井系统100还可包括与钻头101相关联的钻柱103，钻柱103可用来形成多种井筒或井眼，例如大体竖直的井筒114a或大体水平的井筒114b或其任何组合。各种定向钻井技术和钻柱103的井底钻具组件(BHA)120的相关联部件可用来形成水平井筒114b。例如，侧向力可在邻近造斜位置113处施加于BHA 120以形成从大体竖直的井筒114a延伸的大体水平的井筒114b。术语“定向钻井”可用来描述钻出相对于竖直面以一个或多个所需角度延伸的井筒或井筒的一部分。所需角度可大于与竖直井筒相关联的标准变化。定向钻井还可被描述为钻出偏离竖直面的井筒。术语“水平钻井”可用来包括在与竖直面成约九十度(90°)的方向上钻井。BHA 120可由被配置来形成井筒114的多种部件形成。例如，BHA 120的部件122a、122b和122c可包括但不限于钻头(例如，钻头101)，取心钻头、钻铤、旋转导向工具、定向钻井工具、井下钻井马达、扩孔器、井眼扩大器或稳定器。被包括在BHA 120中的部件122的数量和类型可取决于所预测的井下钻井条件和将由钻柱103和旋转钻头101形成的井筒的类型。BHA 120还可包括各种类型的测井工具(未明确示出)和与井筒的定向钻井相关联的其他井下工具。测井工具和/或定向钻井工具的实例可包括但不限于声学、中子、γ射线、密度、光电、核磁共振、旋转导向工具和/或任何其他可商购的井工具。此外，BHA 120还可包括旋转驱动(未明确示出)，所述旋转驱动连接至部件122a、122b和122c并与部件122a、122b和122c一起旋转钻柱103的至少一部分。井筒114可部分地由套管柱110限定，所述套管柱110可从井表面106延伸至所选井下位置。如在图1中所示，井筒114的不包括套管柱110的部分可被描述为“裸井”。各种类型的钻井液可通过钻柱103至附接的钻头101从井表面106抽出。钻井液可被引导来从钻柱103流至穿过旋转钻头101的相应喷嘴(在图2中描绘为喷嘴156)。钻井液可通过部分地由钻柱103的外径112和井筒114a的内径118限定的环空108循环返回到井表面106。内径118可被称为井筒114a的“侧壁”。环空108也可由钻柱103的外径112和套管柱110的内径111限定。裸井环空116可被限定为侧壁118和外径112。钻井系统100还可包括旋转钻头(“钻头”)101。在图2中进一步详细讨论的钻头101可包括一个或多个刀片126，所述刀片126可从钻头101的旋转钻头体124的外部部分向外设置。刀片126可以是从旋转钻头体124向外延伸的任何适合类型的突出。钻头101可在由方向箭头105限定的方向上相对于钻头旋转轴104旋转。刀片126可包括从每一刀片126的外部部分向外设置的一个或多个切削元件128。刀片126还可包括被配置来控制切削元件128的切削深度的一个或多个切削深度控制器(未明确示出)。刀片126可进一步包括设置在刀片126上的一个或多个保径垫(未明确示出)。钻头101可根据本公开的教导来设计和形成，并可根据钻头101的特定应用而具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种建模井下钻井工具的方法，所述方法包括：确定多个切削元件在多个刀片上的位置；识别与每一切削元件相关联的多个切片中的每一者的位置；基于所述切片的所述位置和井眼底部的三维模型来计算每一切片的切削深度；响应于大于临界切削深度的与所述切削元件相关联的所述多个切片中的至少一者的所述切削深度，产生用于每一切削元件的三维岩屑模型，每一三维岩屑模型包括与每一切片相关联的岩屑的二维模型；以及通过移除所述三维岩屑模型中的每一者更新所述井眼底部的所述三维模型。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种建模井下钻井工具的方法，所述方法包括：确定多个切削元件在多个刀片上的位置；识别与每一切削元件相关联的多个切片中的每一者的位置；基于所述切片的所述位置和井眼底部的三维模型来计算每一切片的切削深度；响应于大于临界切削深度的与所述切削元件相关联的所述多个切片中的至少一者的所述切削深度，产生用于每一切削元件的三维岩屑模型，每一三维岩屑模型包括与每一切片相关联的岩屑的二维模型；以及通过移除所述三维岩屑模型中的每一者更新所述井眼底部的所述三维模型。2.根据权利要求1所述的方法，其中更新所述井眼底部的所述三维模型进一步包括：确定所述三维岩屑模型中的每一者的岩屑边界，所述岩屑边界包括以相关切削元件的切削面与有关所述岩屑的所述二维模型的岩屑长度为边界的区域，其中所述岩屑与每一切片相关联。3.根据权利要求2所述的方法，其中更新所述井眼底部的所述三维模型进一步包括：将所述井眼底部的更新深度指定用于每一岩屑边界内的多个坐标网格点中的每一者。4.根据权利要求1所述的方法，其中岩屑的所述二维模型中的每一者包括单一岩屑角度和岩屑长度。5.根据权利要求4所述的方法，其中基于岩石切变强度和钻井压力确定所述单一岩屑角度。6.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：基于所述井眼底部的所述更新的三维模型和所述多个切削元件的所述位置来计算在钻井操作期间作用于所述多个切削元件中的每一者的力；以及基于所述计算的力估算所述井下钻井工具的钻井效率。7.根据权利要求6所述的方法，其中估算所述井下钻井工具的所述钻井效率包括：计算所述井下钻井工具的机械比能。8.一种包括存储在其中的指令的非暂态机器可读媒体，所述指令可通过一个或多个处理器执行以有助于进行一种用于估算钻井工具的所述效率的方法，所述方法包括：确定多个切削元件在多个刀片上的位置；识别与每一切削元件相关联的多个切片中的每一者的位置；基于所述切片的所述位置和井眼底部的三维模型来计算每一切片的切削深度；响应于大于临界切削深度的与所述切削元件相关联的所述多个切片中的至少一者的所述切削深度，产生用于每一切削元件的三维岩屑模型，每一三维岩屑模型包括与每一切片相关联的岩屑的二维模型；以及通过移除所述三维岩屑模型中的每一者更新所述井眼底部的所述三维模型。9.根据权利要求8所述的非暂态机器可读媒体，其中更新所述井眼底部的所述三维模型进一步包括：确定所述三维岩屑模型中的每一者的岩屑边界，所述岩屑边界包括以相关切削元件的切削面与有关所述岩屑的所述二维模型的岩屑长度为边界的区域，其中所述岩屑与每一切片相关联。10.根据权利要求9所述的非暂态机器可读媒体，其中更新所述井眼底部的所述三维模型进一步包括：将所述井眼底部的更新深度指定用于每一岩屑边界内的多个坐标网格点中的每一者。11.根据权利要求8所述的非暂态机器可读媒体，其中岩屑的所述二维模型中的每一者包括单一岩屑角度和岩屑长度。12.根据权利要求11所述的非暂态机器可读媒体，其中基于岩石切变强度和钻井压力确定所述单一岩屑角度。13.根据权利要求8所述的非暂态机器可读媒体，其中所述方法进一步包括：基于所述井眼底部的所述更新的三维模型和所述多个切削元件的所述位置来计算在钻井操作期间作用于所述多个切削元件中的每一者的力；以及基于所述计算的力估算所述井下钻井工具的钻井效率。14.根据权利要求13所述的非暂态机器可读媒体，其中估算所述井下钻井工具的所述钻井效率包括：计算所述井下钻井工具的...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈世林，
申请(专利权)人：哈里伯顿能源服务公司，
类型：发明
国别省市：美国;US