一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法及装置，方法包括：测定页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、声波时差、单轴抗压强度和三轴抗压强度；根据测定的声波时差确定动态弹性模量和动态泊松比；根据三轴抗压强度确定在预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角；根据声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力‑内摩擦角‑声波时差模型；根据PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力‑内摩擦角‑声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型，预测页岩地层在不同钻进方向的PDC钻头机械钻速。本发明专利技术工程应用方便，对提高钻井作业效率，降低钻井周期具有重要意义。

Method and device for predicting drilling speed of PDC drill bit in shale formation

The invention provides a shale formation PDC bit ROP prediction method and device, method includes: Determination of shale samples in the preset PDC bit drilling direction of mechanical drilling speed, acoustic, uniaxial compressive strength and axial compressive strength of three; according to the acoustic determination determination of dynamic elastic modulus and dynamic Poisson's ratio; according to the three axis compressive strength determined in preset drilling direction of cohesion and angle of internal friction angle; according to the data set up acoustic model of friction angle cohesion internal friction acoustic, cohesion and internal; according to the established PDC bit drilling rate prediction model of angle acoustic model for PDC bit drilling rate, drilling pressure, single axial compressive strength, dynamic elastic modulus, dynamic Poisson's ratio, cohesion, internal friction angle and the cohesion internal friction, prediction of shale formation in different drilling direction PD C bit drilling rate. The invention has convenient engineering application, and is significant for improving drilling operation efficiency and reducing drilling period.

【技术实现步骤摘要】
一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法及装置
本专利技术涉及油气勘探开发技术，具体的讲是一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法及装置。
技术介绍
岩石的机械钻速在油气田的勘探开发过程中，一直是钻井作业最为关心的重要指标，水文条件、地质条件以及作业参数等因素对其的影响十分复杂。较好地预测岩石机械钻速对降低建井成本、缩短建井周期、提高油气藏开发钻井水平和开发效益有着十分重要的意义。随着页岩油气开采的兴起，页岩的层理性特点对机械钻速的影响逐渐引起人们的重视，不同钻进方向下的机械钻速差异很大。因此，对页岩地层的机械钻速的准确预测显得尤为重要。
技术实现思路
为更加准确地预测页岩地层的PDC钻头机械钻速，本专利技术实施例提供一种页岩地层的PDC钻头机械钻速预测方法，包括：测定页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、声波时差、单轴抗压强度和三轴抗压强度，所述声波时差包括横波时差和纵波时差；根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比；根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角；根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型；根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型；根据被测页岩地层的测井资料、钻进方向、钻压以及PDC钻头机械钻速预测模型预测页岩地层在不同钻进方向的PDC钻头机械钻速。本专利技术实施例中，所述根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比包括：根据横波时差、纵波时差以及关系式(1)确定对应钻进方向的动态弹性模量；根据横波时差、纵波时差以及关系式(2)确定对应钻进方向的动态泊松比；其中，Ed为动态弹性模量；νd为动态泊松比；Δtp为纵波声波时差；Δts为横波声波时差；ρ为从测井资料中确定的岩石密度。本专利技术实施例中，所述根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角包括：根据测定的三轴抗压强度数据利用莫尔-库伦准则，作出不同围压下的莫尔圆，确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角。本专利技术实施例中，所述根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型包括：对所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据作非线性回归，建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型，所述的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型为：其中，为不同钻进方向下页岩的内摩擦角，Sw为不同钻进方向下页岩的粘聚力，Δtp为不同钻进方向下页岩的纵波声波时差。本专利技术实施例中，所述的根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型包括：对所述页岩样本在预设钻进方向的单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角作回归分析，确定单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系为：其中，A＝(1-vd)Ed·sin2θ·cos2θ；式中，UCS为页岩单轴抗压强度，Sw为页岩粘聚力，为页岩内摩擦角，θ为对应钻进方向的破裂角，Ed为动态弹性模量，vd为动态泊松比，ε为对应钻进方向的纵波速度的相关系数；对PDC钻头机械钻速、单轴抗压强度、钻进方向以及钻压作回归分析，确定PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系为：其中，b＝2.86；c＝0.7；d＝-51；ROP为PDC钻头机械钻速，W为钻压，UCS为岩石单轴抗压强度，为钻进方向；根据所述单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系，PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系，建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型。同时，本专利技术还提供一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测装置，包括：数据接收模块，用于接收实验测定的页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、声波时差、单轴抗压强度和三轴抗压强度，所述声波时差包括横波时差和纵波时差；动态参数确定模块，用于根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比；力角确定模块，用于根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角；声波时差模型建立模块，用于根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型；PDC钻头机械钻速预测模型建立模块，用于根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型；PDC钻头机械钻速预测模块，根据被测页岩地层的测井资料、钻进方向、钻压以及PDC钻头机械钻速预测模型预测页岩地层在不同钻进方向的PDC钻头机械钻速。本专利技术实施例中，所述动态参数确定模块包括：动态弹性模量确定单元，用于根据横波时差数据、纵波时差数据以及关系式(1)确定对应钻进方向的动态弹性模量；动态泊松比确定单元，用于根据横波时差数据、纵波时差数据以及关系式(2)确定对应钻进方向的动态泊松比；其中，Ed为动态弹性模量；νd为动态泊松比；Δtp为纵波声波时差；Δts为横波声波时差；ρ为从测井资料中确定的岩石密度。本专利技术实施例中，所述力角确定模块根据测定的三轴抗压强度数据确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角包括：根据测定的三轴抗压强度数据利用莫尔-库伦准则，作出不同围压下的莫尔圆，确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角。本专利技术实施例中，所述声波时差模型建立模块根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型包括：对所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据作非线性回归，建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型，所述的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型为：其中，为不同钻进方向下页岩的内摩擦角，Sw为不同钻进方向下页岩的粘聚力，Δtp为不同钻进方向下页岩的纵波声波时差。本专利技术实施例中，所述的PDC钻头机械钻速预测模型建立模块包括：单轴抗压强度函数关系确定单元，用于对所述的页岩样本在预设钻进方向的单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角作回归分析，确定单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系为：其中，A＝(1-vd)Ed·sin2θ·cos2θ；式中，UCS为页岩单轴抗压强度，Sw为页岩粘聚力，为页岩内摩擦角，θ为对应钻进方向的破裂角，Ed为动态弹性模量，vd为动态泊松比，ε为对应钻进方向的纵波速度的相关系数；PDC钻头机械钻速函数关系确定单元，用于对PDC钻头机械钻速、单轴抗压强度、钻进方向以及钻压作回归分析，确定PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系为：其中，b＝2.86；c＝0.7；d＝-51；ROP为PDC钻头机械钻速，W为钻压本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法，其特征在于，所述的方法包括：测定页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、声波时差、单轴抗压强度和三轴抗压强度，所述声波时差包括横波时差和纵波时差；根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比；根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角；根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力‑内摩擦角‑声波时差模型；根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力‑内摩擦角‑声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型；根据被测页岩地层的测井资料、钻进方向、钻压以及PDC钻头机械钻速预测模型预测页岩地层在不同钻进方向的PDC钻头机械钻速。

【技术特征摘要】
1.一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法，其特征在于，所述的方法包括：测定页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、声波时差、单轴抗压强度和三轴抗压强度，所述声波时差包括横波时差和纵波时差；根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比；根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角；根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型；根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型；根据被测页岩地层的测井资料、钻进方向、钻压以及PDC钻头机械钻速预测模型预测页岩地层在不同钻进方向的PDC钻头机械钻速。2.如权利要求1所述的页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法，其特征在于，所述根据测定的声波时差确定页岩样本在所述预设钻进方向的动态弹性模量和动态泊松比包括：根据横波时差、纵波时差以及关系式(1)确定对应钻进方向的动态弹性模量；根据横波时差、纵波时差以及关系式(2)确定对应钻进方向的动态泊松比；其中，Ed为动态弹性模量；νd为动态泊松比；Δtp为纵波声波时差；Δts为横波声波时差；ρ为从测井资料中确定的岩石密度。3.如权利要求1所述的页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法，其特征在于，所述根据测定的三轴抗压强度确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角包括：根据测定的三轴抗压强度数据利用莫尔-库伦准则，作出不同围压下的莫尔圆，确定页岩样本在所述预设钻进方向的粘聚力和内摩擦角。4.如权利要求2或3所述的页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法，其特征在于，所述根据所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型包括：对所述页岩样本在预设钻进方向的声波时差、粘聚力以及内摩擦角数据作非线性回归，建立粘聚力-内摩擦角-声波时差模型，所述的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型为：其中，为不同钻进方向下页岩的内摩擦角，Sw为不同钻进方向下页岩的粘聚力，Δtp为不同钻进方向下页岩的纵波声波时差。5.如权利要求3所述的页岩地层PDC钻头机械钻速预测方法，其特征在于，所述的根据所述页岩样本在预设钻进方向的PDC钻头机械钻速、钻压、单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角以及建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型包括：对所述页岩样本在预设钻进方向的单轴抗压强度、动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角作回归分析，确定单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系为：其中，A＝(1-vd)Ed·sin2θ·cos2θ；式中，UCS为页岩单轴抗压强度，Sw为页岩粘聚力，为页岩内摩擦角，θ为对应钻进方向的破裂角，Ed为动态弹性模量，vd为动态泊松比，ε为对应钻进方向的纵波速度的相关系数；对PDC钻头机械钻速、单轴抗压强度、钻进方向以及钻压作回归分析，确定PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系为：其中，b＝2.86；c＝0.7；d＝-51；ROP为PDC钻头机械钻速，W为钻压，UCS为岩石单轴抗压强度，为钻进方向；根据所述单轴抗压强度与动态弹性模量、动态泊松比、粘聚力、内摩擦角的函数关系，PDC钻头机械钻速与单轴抗压强度、钻进方向、钻压的函数关系，建立的粘聚力-内摩擦角-声波时差模型建立PDC钻头机械钻速预测模型。6.一种页岩地层PDC钻头机械钻速预测装置，其特征在于，所述的装置包括：数据接收模块，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辉，王昊，苗侠，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11